多层异构网络中基于能效的小区选择方法

摘要

本发明涉及一种多层异构网络中基于能效的小区选择方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：用户计算自己的备选基站列表和选择自由度信息并将该信息上报给其备选基站列表中的所有基站；步骤二：所有基站共享各自的基本信息和用户上报的信息；步骤三：基站每次挑选选择自由度最小的用户并根据所设计的新准则确定该用户选择的小区；步骤四：基站更新原有的备选基站列表和选择自由度信息；步骤五：循环执行步骤三和步骤四，直到每个用户都选择了接入小区。本方法能忽略不同基站的差异性，综合考虑用户的要求的SINR，基站的负载以及用户对小区基站能量的使用效率，从而保证用户的服务质量，避免负载不均匀和用户饿死现象，并且提升用户对能量的利用效率。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是多层异构无线蜂窝网络技术领域，涉及一种多层 异构网络中基于能效的小区选择方法。

背景技术

随着移动互联网时代的到来，数据流量增长爆发，用户对网络体验提出了更高的需求， 多层异构网络(Heterogeneous Network，HetNet)应运而生。相比于传统单层网络，异构网 络中包含了不同种类的接入节点，包括宏蜂窝基站和各种小蜂窝基站，面对不同的节点，用 户选择哪个基站接入得到服务更为合理，成为多层异构网络面临的挑战之一，因为传统的针 对单层网络设计的小区选择准则将不再适用于多层异构网络。

在单层网络中，普遍采用基于最大信噪比(Signal to Interference and Noise Ratio， SINR)的小区选择方法，该方法使得用户选择接入给自己提供最大SINR的基站来获得服务。 这样的选择准则只适用于业务均匀分布，且各小区基站功率相持平的单层网络。在多层立体 异构网络中，各个小区基站下行发射功率不同，基于最大信噪比的小区选择方法会导致大功 率基站过载，而小功率基站利用不完全，引起严重的负载不均衡问题。

除此之外，随着“绿色通信”概念地提出，多层立体异构网络中的小区选择方法还应考 虑能量利用效率(Energy Efficiency,EE)，用户在选择小区时，除了考虑自身的需求外， 还需要考虑接入基站后能充分利用该基站提供的能量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多层异构网络中基于能效的小区选择方法，该方 法能综合考虑用户要求的SINR，小区的可用资源以及用户对能量的利用效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多层异构网络中基于能效的小区选择方法，包括以下步骤：

步骤一：用户计算自己的备选基站列表和选择自由度信息并将该信息上报给其备选基站 列表中的所有基站；步骤二：所有基站共享各自的基本信息和用户上报的信息；步骤三：基 站每次挑选选择自由度最小的用户并根据所设计的新准则确定该用户选择的小区；步骤四： 基站更新原有的备选基站列表和选择自由度信息；步骤五：循环执行步骤三和步骤四，直到 每个用户都选择了接入小区。

进一步，步骤一中，用户计算自己的备选基站列表和选择自由度信息并将该信息上报给 其备选基站列表中的所有基站，具体包括：

1)用户u接收来自各个基站(BS₁，BS₂，BS₃，...，BS_N)的参考信号，并通过接收参考信号功 率：RSRP₁，RSRP₂，RSRP₃，...，RSRP_N来计算接入相应的基站i时能达到的SINR值计 算公式为：

${\mathrm{SINR}}_i^u=\frac{{\mathrm{RSRP}}_i}{{\Sigma }_{n=1}^N{\mathrm{RSRP}}_n-{\mathrm{RSRP}}_i+N_0}$

其中n∈{1，2，3，...，N}表示相应基站的编号，也即相应小区的编号，N₀为高斯白噪声的功 率谱密度；如果相应的SINR能满足用户的要求，即，当时,基站i就能够 给用户u提供满足要求的服务，所以用户u就把基站i添加到自己的备选基站列表 C_u＝{BS₁，BS₂，...，BS_l}；

2)用户u的选择自由度D_u定义为：D_u＝|C_u|，即为备选基站个数；

3)每个用户将得到的备选基站列表和选择自由度上报给各个备选基站。

进一步，在步骤二中，所有基站共享各自的基本信息和用户上报的信息，共享的信息具 体包括两类：一类是各个基站的基本信息，包括该基站编号，也即小区编号n，最大可用资 源数RB_{n_max}，最大负载L_{n_max}，以及下行发射功率P_n；另一类是用户上报的相关信息，包括 用户编号u，及其相应的备选基站列表C_u和选择自由度D_u。

进一步，在步骤三中，基站每次挑选选择自由度最小的用户并根据所设计的新准则确定 该用户选择的小区，具体包括：

1)各个基站共享信息后，基站将所有用户按照用户的选择自由度大小非减序排列，当有 多个用户的选择自由度相同时，随机排列这多个用户；

2)挑排在第一位的用户，即选择自由度最小的用户，综合考虑其备选小区的可用资源， 负载以及能量利用效率，为该用户确定接入小区。

进一步，上述步骤2)包括以下步骤：

21)首先用公式计算用户u接入备选小区i的能量利用效率,其中：

是用户u的传输速率，传输资源的带宽用B_RB表示；是基 站消耗的总功率，由两部分组成，具体表示为式中第一项P_{i_0}表示基站消耗 的固定功率，第二项中的Δ_i是一个与基站种类有关的常数因子；

22)根据基站的资源和负载计算权值公式如下：

${\omega }_i^u=\left(\begin{array}{cc}\frac{L_{i\_\max }-L_i}{L_{i\_\max }},& L_i<{\mathrm{RB}}_{i\_\max }\\ \frac{L_{i\_\max }-L_i}{L_{i\_\max }}\times \frac{{\mathrm{RB}}_{i\_\max }}{L_i+1},& {\mathrm{RB}}_{i\_\max }\le L_i<L_{i\_\max }\\ 0,& L_i\ge L_{i\_\max }\end{array}\right)$

其中L_i表示基站i目前的负载，表示基站i的容量剩余度，是采用轮询调度 法时用户获得服务的概率；

23)定义接入因子对每个用户u，其每一个备选基站对应一个接入因子， 用户u将选择接入因子最大的小区i^t＝arg_i{max(θ_i)}；

24)确定用户u的小区i^t后，标记该用户为已处理，并且被选择的小区i^t反馈一个准许接 入信令给用户。

进一步，在步骤四中，基站更新备选基站列表和选择自由度具体包括：

1)当一个用户选定了一个小区后，各小区更新自己存储的原有相关信息，把该小区的负 载由L_i更新为L_i+1；

2)当一个用户选定了一个小区后，如果该小区恰好满载，即更新后的负载L_i+1＝L_{i_max}， 意味着该小区将不能再供其他用户选择，检测在未处理的用户中是否存在该小区，如果有， 在这个用户的备选小区列表中删除该小区，并把这个用户的选择自由度由D_u更新为D_u-1。

进一步，步骤五具体包括：按照更新后的选择自由度非减序排列未处理的用户，当有多 个用户的选择自由度相同时，随机排列这多个用户；按照更新后的信息计算各个未处理用户 对应的各个基站的选择因子，计算方法同上述步骤三中所涉，并为用户选定接入小区；各基 站每处理一个用户后就更新一次所存储的信息；处理完每个用户后，停止结束。

本发明的有益效果在于：本发明提供的方法能忽略不同基站的差异性，综合考虑用户的 要求的SINR，基站的负载以及用户对小区基站能量的使用效率，从而保证用户的服务质量， 避免负载不均匀和用户饿死现象，并且提升用户对能量的利用效率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例中多层异构蜂窝网络的示意图；

图2为本发明所述方法的总流程图；

图3为用户计算各自的备选基站和选择自由度信息并上报相应基站的流程图；

图4为各基站间共享的两类信息的示意图；

图5为挑选自由度最小的用户并根据所设计的新准则确定该用户选择的小区的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明实施例中多层异构蜂窝网络的示意图，该全频复用的多层异构网络包含一 个宏蜂窝基站和若干小蜂窝基站，它们共同组成基站集合β＝{BS₁，BS₂，BS₃，...，BS_N}，每个基 站都有一个唯一的序号N＝{1，2，3，...，N}。所有的基站均工作在开放接入模式(Open Access  Mode),一定数目的用户随机分布在该区域内，所有的用户都有权利接入任何一个基站BS_n。 每个用户都只能占用一个基站的一个传输资源进行传输。

图2为本方法的总流程图，从图中可以看出本方法主要包含了五个步骤，下面将详细介 绍每个步骤的具体过程。

步骤A：用户计算各自的备选小区和选择自由度信息并上报相应基站。

该步骤的具体过程参见图3，步骤A一共包含3个主要步骤：

步骤A1，用户收集来自各个基站的参考信号(Reference Signal,RS)。

具体地，每个基站都会全向发射自己的参考信号，这样任何一个用户u都可以接收到来 自各基站的参考信号，该信号包含了其相应基站的编号，且每个参考信号都对应一个接收参 考信号功率：{RSRP_u，1，RSRP_u，2，RSRP_u，3，...，RSRP_u，N}，分别对应来自基站 {BS₁，BS₂，BS₃，...，BS_N}的参考信号。RSRP的计算式为RSRP_u，n＝P_nh_u，n，基中P_n为某一个基站 的下行发射功率，h_u，n是用户u和基站n之间的信道增益。

步骤A2，用户利用收集的RSRP信息，计算接入到各个小区能获得的SINR。

具体地，用户u接入到某一基站i时，其相应的SINR计算式为：

其中N₀为高斯噪声功率谱密度，每个用户都会得到N个SINR 值。

步骤A3，用户生成备选小区列表C_u和选择自由度D_u。

具体地，如果基站i就能够给用户u提供满足要求的服务，所以用户 u就把基站i添加到自己的备选基站列表C_u中，并把D_u＝|C_u|作为其选择自由度。每个用户 都执行这一步骤，这样每个用户都会得到自己的备选基站列表和选择自由度信息，并且把这 些信息上报给基站。

步骤B：所有基站共享各自所有的信息。

具体地，参见图4，共享的信息主要包含两类，一类是基站相关信息，如图4(a)所示， 包括基站编号n,最大可用资源数RB_{n_max}，最大负载L_{n_max}，以及下行发射功率P_n；另一类是 用户相关信息，如图4(b)所示，包括用户编号u，用户的备选基站列表C_u，以及该用户的 选择自由度D_u。最大可用资源数决定了基站能同时最多能服务多少用户，规定每个用户只能 被分配一个资源，最大负载是基站最多能服务的用户数，这些用户由基站调度服务，每次调 度用户数为最大可用资源数。

步骤C：按照新设计的方法为一个用户选定接入小区。

该步骤的具体过程参见图5，共包含四个主要步骤：

步骤C1，基站挑选一个未处理用户。

具体地，各基站将用户按照选择自由度大小按非减顺序排列，当有多个用户的选择自由 度相同时，随机排列这多个用户。然后挑选排在第一位的用户作为即将处理的对象。

步骤C2，计算该用户在各备选基站下能达到的能量效率。

具体地，用公式计算用户u接入备选基站i的能量利用效率,其中 是用户u的传输速率，传输资源的带宽用B_RB表示。是基站消 耗的总功率，由两部分组成，具体表示为式中第一项P_{i_0}表示基站消耗的固 定功率，第二项中的Δ_i是一个与基站种类有关的常数因子。

步骤C3，计算该用户接入各小区的接入因子。

具体地，定义用户u接入小区i接入因子其中权值与基站的资源和 负载有关，计算式如下：

${\omega }_i^u=\left(\begin{array}{cc}\frac{L_{i\_\max }-L_i}{L_{i\_\max }},& L_i<{\mathrm{RB}}_{i\_\max }\\ \frac{L_{i\_\max }-L_i}{L_{i\_\max }}\times \frac{{\mathrm{RB}}_{i\_\max }}{L_i+1},& {\mathrm{RB}}_{i\_\max }\le L_i<L_{i\_\max }\\ 0,& L_i\ge L_{i\_\max }\end{array}\right)$

其中L_i表示基站i目前的负载，表示基站i的容量剩余度。是采用轮询调度 法时用户获得服务的概率，对不同的调度方法，该项的表达式会有所不同。

步骤C4，为该用户选定接入小区。

具体地，选择接入因子最大的小区i^t＝arg_i{max{θ_i)}为该用户的接入小区，并由选定 小区给该用户发送一个准许接入信令，并将该用户标记为已处理。

步骤D：所有基站更新存储的基站相关信息和用户相关信息。

具体地，当一个用户选定了一个小区后，把该小区的负载由L_i更新为L_i+1。如果该小区 恰好满载，即更新后的负载L_i+1＝L_{i_max}，意味着该小区将不能再供其他用户使用，检测在 未处理的用户的备选小区列表中是否存在该小区，如果有，在相应用户的备选小区列表中删 除该小区，并把该用户的选择自由度由D_u更新为D_u-1。

步骤E：循环执行步骤C和步骤D，直到所有用户都已经处理过方结束。

具体地，按照更新后的选择自由度非减序排列未处理的用户，当有多个用户的选择自由 度相同时，随机排列这多个用户，并选择排在第一位的用户为处理对象。按照更新后的小区 信息计算该用户各备选基站的选择因子，计算方法同上述步骤D中所示，并为用户选定接入 小区。各基站每处理一个用户后就更新一次信息。处理完每个用户后，该方法结束。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。