一种提高异构蜂窝网络能效的方法

摘要

本发明公开了一种提高异构蜂窝网络能效的方法，该方法主要包括：通过接入控制方法，将用户层次性地接入异构网络中；通过动态干扰协调方法，将带宽划分为普通信道和特殊信道，同时赋予不同的用户不同的信道使用权。本发明方法首先通过改变对不同用户的接入控制，可使部分基站进入空闲状态，从而进入休眠状态以达到节能的目的；其次根据初始化信干比对宏小区内用户赋予不同的信道使用权，从而可以有效降低系统内的同频干扰，提升系统的效用。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种提高异构蜂窝网络能效的方法的设计。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，移动用户数在不断增多，通信网络规模也在不断扩大， 这使得无线环境也变得越来越复杂。下一代无线网络的演进，使得网络结构呈现出“多小区 全频率复用”，“同一区域被异构网络多重覆盖”等显著特点。如今第四代无线网络通常利用 异构网络来改变网络结构以提高网络性能。

异构网络通常通过在现有的宏蜂窝网络中插入更小的、可自我配置的小基站或者中继， 提供实用的、可扩展的、效益高的方式来显著地提高无线网络的容量。但微基站的引入也带 来了大量的能耗，如何对系统效用和能耗进行优化是异构网络面临的一个新的挑战。

为了便于本领域的普通技术人员理解本发明及其背景技术，在对本发明的背景技术进行 描述时，首先做出如下定义：

异构网络：在3GPP LTE-A中，通过低功率节点部署在传统的宏蜂窝拓扑中来构成异构 网络。

OFDMA（Orthogonal frequency division multiplexing access）：正交频分多址，一种调制解 调技术，在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术， OFDMA具有良好的抗多径干扰能力和较高的频谱利用率。

频率复用因子：衡量蜂窝小区中每个小区簇中包含小区的个数，该值越大，频率利用率 越低；反之，值越小，频率利用率越高，但可能会造成较大的同频干扰。

信道：此处指无线信号传输的“频段”，是信号传输的通道。

同频干扰：距离较近的两个小区，若使用相同的信道，会出现同频干扰。

干扰协调机制：通过在小区间合理分配资源，尽量使相邻小区使用的频率资源正交，使 小区间干扰减小的技术，一般可分为静态协调、半静态协调和全动态协调三种。

宏小区：被某传统宏基站下行信号正常覆盖的区域，且区域内的用户可接入该宏基站正 常通信。

微小区：被某微基站下行信号正常覆盖的区域，且区域内的用户可接入该微基站正常通 信。

宏基站：宏基站一般较高，发射功率较大，可覆盖区域较大，半径大多为1km～25km。 宏基站一般由运营商统一规划部署。

微基站：微基站高度较低，发射功率较小，可覆盖区域也较小，半径大多为30m～300m。 微基站一般根据需要部署在热点区域或盲区。微基站通常根据具体需要实际部署，并不像部 署宏基站一样有着完备的规划。

接收信号强度（RSS，Received Signal Strength）：这里指最大下行接收信号强度，即相 应基站以最大下行功率发送时，用户所接收到的接收信号强度。下面提到的RSS默认为最大 下行接收信号强度。

能效（Energy Efficient）：η=U/P，即等于系统效用除以系统功耗。

频率复用(Frequency Reuse)：相同的信道被不同的区域重复使用。

接入控制：对小区内的用户接入方案进行选择或调度的方案。

bias：一个虚拟偏移量，加在微基站下行信号强度上，以加大对该微小区接入的概率。

劣势用户：处在个基站交界，ISIR较差的用户。

目前，OFDMA技术以其良好的抗多径干扰能力和高频谱利用率成为未来宽带无线接入 系统的首选物理层技术。由于OFDMA系统的小区频率复用因子是1，小区间同频干扰较严 重，目前主要通过小区间的协作，或者通过软频率复用方式来降低，同时也可以通过功率整 来控制干扰。

软频率复用方式中，先将每个小区划分为小区内部区域和小区边缘区域。同时将每小区 频谱资源也划分为小区内部频谱资源和小区边缘频谱资源，且相邻小区边缘使用频谱资源彼 此正交。每个小区的边缘频谱资源可以占整个资源的1/3，如西门子方案；也可以动态分配， 如Texas Instruments方案。

已有的软频率复用方案无法完全适用于异构多小区网络。微小区作为一种辅助手段，也 无法将它与传统宏小区等价看待，同时异构多小区网络场景复杂，由于微基站在宏小区范围 内灵活部署，使得网络拓扑变得不规则，干扰情况也变得更复杂，由此可见，复杂的异构网 络环境对小区干扰协调方案提出了更高、更迫切的需求。

接入控制方面，在传统的只有宏基站的网络中，用户对服务小区的选择多基于接收到的 下行信号强度（RSS，Received Signal Strength），即用户会接入到接收到的最强信号所发射的 基站，可表示为ServingCell=argmax_{i}{RSS_i}，i表示与用户相邻的所有小区。在异构网络中， 考虑到宏基站和微基站下行信号强度的较大悬殊，会导致网络中宏基站和微基站的负载严重 不均衡，用户体验也不平等，目前很多文章中提出了biased_RSS蜂窝选择算法来实现微蜂窝 区域的扩大。

biased_RSS蜂窝选择算法在用户对接入小区进行选择时，对由微基站i产生的信号强度 加了一个偏移量bias_i，以加大对该微小区接入的概率，公式为 ServingCell=argmax_{i}{RSS_i+bias_i}，来自宏基站的信号不考虑bias_i，或者默认为bias_i=0。

然而，该算法中微基站的部署不够灵活，没有考虑不同区域用户的特性，在节能和能效 优化方面的效果也不理想；此外，每个微基站的bias_i值是静态，无法根据小区内用户数量变 化和资源利用情况进行动态调整。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中异构蜂窝网络存在节能和能效方面效果不理想的问 题而提供一种提高异构蜂窝网络能效的方法。

本发明的技术方案是：一种提高异构蜂窝网络能效的方法，具体包括：

通过接入控制方法，将用户层次性地接入异构网络中；

通过动态干扰协调方法，将时频信道划分为普通信道和特殊信道，同时赋予不同的用户 不同的信道使用权。

进一步的，所述接入控制方法的具体过程为：

S1、将系统内用户按照可接入选择的不同进行分类，同时对所有用户先默认接入到 RSS+bias最强的基站；

S2、根据每类用户的位置特点和小区信道分配情况依次进行接入选择，优化系统能效；

S3、使无用户接入的基站进入休眠状态。

进一步的，所述步骤S2中系统内用户分为A、B、C三类；

所述A类用户为：在某个宏基站覆盖范围内而不被其他宏基站和微基站覆盖的用户；

所述B类用户为：不被微基站覆盖，却被几个宏基站同时覆盖的用户；

所述C类用户为：在某个微基站覆盖范围内的用户。

更进一步的，所述步骤S2中对每类用户的接入过程为：

S21、所述A类用户接入当前所在宏小区基站；

S22、所述B类用户首先根据RSS判定其可供选择的接入基站，然后按两个步骤对个B 类用户来实现接入：

S221、如果发现本宏小区覆盖范围内A，C类用户数为0，且B类用户的可选相邻宏小 区都具有剩余信道资源可提供，则B类用户接入相邻宏小区，否则保持接入本小区不变；

S222、观察本宏小区是否有足够信道资源以满足接入本宏小区的A、B类用户的需求， 如果满足，则本宏小区内B类用户接入选择不再变化，进入C类用户接入控制方法；若本宏 小区信道资源不足，相邻宏小区有多余资源，则将B类用户依来自有信道资源剩余的可选相 邻宏小区的RSS信号强度从强到弱进行排序，并依次切换接入到相邻宏小区去；当相邻宏小 区没有多余资源或本宏小区资源已足够时，结束本宏小区B类用户的接入选择；

所述可选相邻宏小区是指覆盖本B类用户的除当前所处宏小区外的其他宏小区。

S23、所述C类用户接入通过调整各微基站的开关和bias值来实现。

更进一步的，所述步骤S23中C类用户的接入过程中调整微基站bias的具体过程为：

S231、初始化所有微基站bias值；

S232、从所有的微基站中选取信道需求数最少的开状态微基站作为待关微基站；

S233、由选出的待关微基站判断：如果关闭本基站，所在宏小区是否有剩余信道可以提 供给多出来的这部分用户；如果是，则将本微小区内用户全部切换接入到宏小区，关闭本微 基站，进入步骤S232；否则保持本微小区用户接入不变，并进入所述步骤S234；

S234、查找bias值最大的微基站，如果该微基站bias≤0，则接入控制方法调整结束，否 则查看宏小区剩余信道是否大于该微基站最边缘用户的需求，如果是，则调小该微基站bias 值，将最边缘用户接入到宏小区，否则接入控制方法调整结束；

S235、重复所述步骤S234。

进一步的，所述动态干扰协调方法的具体过程为：

P1、将宏小区的信道划分为普通信道和特殊信道，设宏小区可分配的信道带宽为N，则 (1/3)N带宽信道作为特殊信道，记为N_special，另外(2/3)N个带宽信道作为普通信道，记为 N_nomal个，相邻宏小区的特殊信道彼此正交，微基站使用与其所处宏小区相同的普通信道；

P2、跟据用户的ISIR值排序赋予用户不同的信道使用权，所述ISIR定义为用户的初始化 信干比，其具体公式为：所述初始化信干比是指各基站初始化采用最 大下行功率发送时用户的信干比，设用户m已接入基站i，接收到的来自基站i的最大下行信 号强度为RSS_i,m，来自其他基站的最大下行信号强度之和为则ISIR_m反应了用户所 处区域的信号环境。

更进一步的，所述步骤P2中根据用户的ISIR值排序赋予用户不同的信道使用权的具体 过程为：

P21、对宏小区内M个用户按ISIR值从小到大进行排序，设某宏小区内共有用户数M；

P22、查看排序最靠前的未分配到充足特殊信道使用权的用户所需信道数，设此用户序号 为x，其信道需求数为Rp_x；

P23、查询宏小区的剩余信道数是否满足所述步骤P22中所选用户x的信道需求，如果是 则赋予该用户使用Rp_x个特殊信道的权利并重复步骤P22，否则进入步骤P24；

P24、赋予所述步骤P22中所选用户x使用k个特殊信道的权利和Rp_x-k个普通信道的权 利，所述N_special表示当前宏小区内的特殊信道数，Rp_i表示序号为i的用 户的信道需求数；

P25、赋予当前宏小区内其余M-x个用户使用其所需信道数相等的普通信道的权利。

本发明的有益效果是：本发明一种提高异构蜂窝网络能效的方法，首先通过合理地调节 用户的接入小区，使得部分基站进入空闲状态，并将其关闭，以实现降低能耗的目的；同时 灵活调整微小区bias值，在宏小区资源充足的情况下减小bias，使得部分微小区用户切换接 入到宏小区，以获得更优的传输性能；同时，通过在宏小区中合理部署微基站，采用相应的 自适应软频率复用方案，有效降低了相邻宏小区区域内用户的同频干扰和一个宏小区覆盖区 域内的宏基站用户和微基站用户之间的同频干扰。

附图说明

图1为本发明实施例的一种提高异构蜂窝网络能效的方法中用户分类的示意图；

图2为本发明实施例的一种提高异构蜂窝网络能效的方法中接入控制方法的流程框图；

图3为本发明实施例的一种提高异构蜂窝网络能效的方法中动态干扰协调方法的流程框 图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明一种提高异构蜂窝网络能效的方法，具体包括：

通过接入控制方法，将用户层次性得接入异构网络中；

通过动态干扰协调方法，将可用带宽信道划分为普通信道和特殊信道，同时赋予不同的 用户不同的信道使用权。

本发明的目的是为了提升异构多小区蜂窝网络的能效，这里主要通过接入控制和小区干 扰两个方面来实现。所述接入控制方法，通过层次性接入控制方案，在保证不增加用户掉话 率的前提下，通过合理地调节用户的接入小区，使得部分基站进入空闲状态，并将其关闭， 以实现降低能耗的目的。同时灵活调整微小区bias值，在宏小区资源充足的情况下减小bias， 使得部分微小区用户切换接入到宏小区，以获得更优的传输性能。所述动态干扰协调方法， 通过合理地将可用带宽信道分为普通信道和特殊信道，同时赋予不同的用户不同的信道使用 权，实现减小系统中的同频干扰，同时照顾处于劣势的用户，提升系统公平性的目的。为了 本领域技术人员能够理解并且实施本发明技术方案，下面将对上述两个主要方法进行详细描 述：

所述接入控制方法的具体过程为：

S1、将系统内用户按照可接入选择的不同进行分类，同时对所有用户先默认接入到RSS最 强的基站；

S2、根据每类用户的位置特点和小区信道分配情况依次进行接入选择，优化系统能效；

S3、使无用户接入的基站进入休眠状态。

传统的异构多小区网络接入方案是基于RSS或RSS+bias强度来选择接入，简单快捷， 但接入灵活性不够，而试图通过控制所有用户的接入选择以最优化系统能效的算法复杂度又 太高。本发明申请方案通过采用基于用户分类的层次性接入控制方法，根据异构网络中用户 所处环境的特点，将系统用户分类到A，B，C三个不同的集合，然后层次性地进行接入控制， 同时根据各类用户的特点，给出其相应的接入控制方案，有效降低了系统的能耗，提升了系 统的性能，下面将对方法中的每个步骤进行详细描述：

所述步骤S1中系统内用户分为A、B、C三类：

所述A类用户为：在某个宏基站覆盖范围内而不被其他宏基站和微基站覆盖的用户；

所述B类用户为：不被微基站覆盖，却被几个宏基站同时覆盖的用户；

所述C类用户为：在某个微基站覆盖范围内的用户。

本发明所述方法要求在初始部署时，宏基站的部署采用传统的蜂窝拓扑结构；微基站根 据需要随机地部署在宏小区靠近边缘区域，如图1所示，通过有线方式连接到网络；并且， 微基站部署位置需满足：1、微基站必须部署在离宏基站大于或等于(2/3)R处，所述R表示 宏基站覆盖半径；2、微基站离宏基站的距离要求大于或等于75m；3、微基站之间距离要求 大于或等于40m；4、微基站的覆盖范围局限在本宏小区内。

所述步骤2中对每类用户的接入过程为：

S21、所述A类用户必然接入当前所在宏小区基站，A类用户的接入选择只有一种可选 方案；

S22、所述B类用户首先根据RSS判定其可供选择的接入基站，然后按两个步骤对个B 类用户来实现接入：

S221、如果发现本宏小区覆盖范围内A，C类用户数为0，且B类用户的可选相邻宏小 区都具有剩余信道资源可提供，则B类用户接入相邻宏小区，否则保持接入本小区不变；

S222、观察本宏小区是否有足够信道资源以满足接入本宏小区的A、B类用户的需求， 如果满足，则本宏小区内B类用户接入选择不再变化，进入C类用户接入控制方法；若本宏 小区信道资源不足，相邻宏小区有多余资源，则将B类用户依来自有信道资源剩余的可选相 邻宏小区的RSS信号强度从强到弱进行排序，并依次切换接入到相邻宏小区去；当相邻宏小 区没有多余资源或本宏小区资源已足够时，结束本宏小区B类用户的接入选择；

所述可选相邻宏小区是指覆盖本B类用户的除当前所处宏小区外的其他宏小区。

S23、所述C类用户接入通过调整微各基站的bias值和开关状态来实现；所述bias在其 定义域内连续可调，通过调整bias值，使本微小区ISIR最小的用户切换接入到宏基站，并保 持其余的用户接入选择不变。下面将对各微基站bias调整算法进行具体描述：

S231、初始化所有微基站bias值；各位基站初始bias值满足下面四点要求：

1）最小接收信号强度的要求；

2）边缘用户最小接收信噪比的要求；

3）微小区的最大覆盖范围不能越过所处宏小区的边界；

4）相邻微小区不能重叠。

S232、从所有的微基站中选取信道需求数最少的开状态微基站作为待关微基站。

其中，所述选取待关微基站的标准为：首先，选取总信道需求数最少的微小区基站；其 次，优先选取离宏基站近的微基站。

S233、由选出的待关微基站判断：如果关闭本基站，所在宏小区是否有剩余信道可以提 供给多出来的这部分用户；如果是，则将本微小区内用户全部切换接入到宏小区，进入步骤 S232；否则保持本微小区用户接入不变，并进入所述步骤S234；

S234、查找bias值最大的微基站，如果该微基站bias≤0，则接入控制方法调整结束，否 则查看宏小区剩余信道是否大于该微基站最边缘用户的需求，如果是，则调小该微基站bias 值，将最边缘用户接入到宏小区，否则接入控制方法调整结束；

所述最边缘用户是指本微小区范围内接收到的来自宏小区的RSS信号与来自微小区的 RSS信号差值最大的用户。

其中，所述寻找bias值最大的微基站的标准为：当这样的微基站存在多个时，则取存在 最差ISIR值用户的微基站，所述ISIR为用户的初始化信干比，其计算公式为： 初始化信干比是指各基站初始化采用最大下行功率发送时用户的信干比， 例如，假设用户m已接入基站i，接收到的来自基站i的最大下行信号强度为RSS_i,m。来自其 他基站的最大下行信号强度之和为所以ISIR_m反应了用户所处区域的信号环境。

S235、重复所述步骤S234。

所述动态干扰协调方法的具体过程为：

P1、将宏小区的信道划分为普通信道和特殊信道，设宏小区可分配的信道带宽为N，则 (1/3)N带宽信道作为特殊信道，记为N_special，另外(2/3)N个带宽信道作为普通信道，记为 N_nomal个，相邻宏小区的特殊信道彼此正交，微基站使用与其所处宏小区相同的普通信道；

P2、跟据用户的ISIR值排序赋予用户不同的信道使用权，所述ISIR定义为用户的初始化 信干比，其具体公式为：所述初始化信干比是指各基站初始化采用最 大下行功率发送时用户的信干比，设用户m已接入基站i，接收到的来自基站i的最大下行信 号强度为RSS_i,m，来自其他基站的最大下行信号强度之和为则ISIR_m反应了用户所 处区域的信号环境。

在现有技术中的干扰协调方案主要通过软频率复用方案来实现，它可归纳为两个步骤： 步骤1：将小区用户划分为小区内部用户和小区边缘用户；步骤2：给两类用户分配相应比例 的频谱资源，并保证相邻小区的边缘用户使用的信道彼此正交；由于异构多小区网络场景复 杂，网络拓扑变得不规则，所以传统的软频率复用方案已不再适用，而且在异构网络中将用 户划分为小区内部用户和小区边缘用户方法（如依照G因子来划分），对不同负载的适应性 也不强。

针对异构多小区网络的特点，本发明不再预先考虑用户是小区内部用户还是边缘用户， 而通过基于信道来分配时频资源，因而称为软信道分配方案，由于OFDMA系统中同小区内部 不存在邻频干扰，而使用特殊信道的用户又降低了来自相邻小区的同频干扰强度，所以会很 大程度上提升性能。

结合具体的实际情况，下面给出干扰协调的具体步骤：

1.采用上述接入控制方法确定用户的归属小区；

2.各用户根据接收到的来自本基站i的RSS信号强度和来自其他基站的接收信号强度， 计算ISIR值；

3.对所有用户按照ISIR值进行倒序排序，

4.优先将特殊信道使用权赋予给ISIR较差的用户，设每个用户存在一个固定的信道需 求，例如序号为m的用户的信道需求数为Rp_m，当存在序号x的用户的信道需求满足 时，前x-1个用户赋予特殊信道使用权，第x个用户视特殊信 道数剩余情况赋予使用k个特殊信道的权利和Rp_x-k个普通信道的权利，所述 其余宏小区内用户使用普通信道。

依据上述干扰协调方法，微小区边缘外用户和宏小区边缘用户因为ISIR较低，都有更高 的概率获得特殊信道使用权；宏小区边缘区域用户使用的特殊信道和相邻宏小区边缘区域用 户使用的特殊信道彼此正交，避免了彼此的同频干扰。微小区边缘外的宏小区用户使用特殊 信道和微小区使用的普通信道也彼此正交，可以降低系统中的同频干扰。并且，当网络负载 较轻时，首先减少的是使用普通信道的用户，更多的用户依旧使用特殊信道，这会显著降低 系统中的同频干扰。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原 理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术 人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和 组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。