一种面向异构蜂窝网络的联合天线选择方法与流程

本发明涉及一种面向异构蜂窝网络的联合天线选择方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着无线数据流量的爆炸式增长，仅由同构蜂窝组成的传统蜂窝网络已不能满足业务需求。现有的系统扩容方法主要通过分裂蜂窝小区，部署更多的蜂窝基站，在提升无线系统容量的同时也增加了网络成本。因此，急需设计出一种成本低廉、组网灵活的新型蜂窝网络架构。为此，通过在宏基站覆盖范围内部署发射功率较小的小基站组成的异构无线蜂窝网络得到了广泛关注，可显著提高信号覆盖深度，增加系统容量，并改善传输质量。

此外，多天线传输可以极大地提高频谱效率，因而将多天线引入到异构蜂窝网络中可进一步提高无线系统容量。目前常用的多天线技术包括波束成形、空时编码和天线选择等。波束成形技术在增加射频链路数量的基础上改善了无线信号传输的方向性，提高了无线传输质量。空时编码技术通过采用一定的编解码算法，可以使信道容量随天线数目增加而增长，成倍地提高系统频谱利用率。然而，虽然波束成形和空时编码方法可有效改善无线频谱效率，但要求射频天线之间严格同步，提高了系统成本和复杂度。

由此，天线选择技术应运而生，根据一定的选择准则(例如，接收信噪比最大准则、瞬时信道容量最大准则、接收误码率最小准则等)，从所有天线中选择部分天线进行信息传输，在保证多天线传输性能的同时，可有效缓解多天线之间的同步问题。天线选择方法既具有较高的无线频谱效率，同时对多天线的同步性要求不高，降低了系统的实现复杂度。目前应用于异构蜂窝网络的天线选择技术以机会天线选择为代表，虽然有效地提升了异构蜂窝网络的系统容量，但是仅考虑了宏蜂窝和小蜂窝(以下简称宏小蜂窝)内部的传输信道，忽略了宏小蜂窝之间的互干扰信道。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种能够提高异构蜂窝系统总传输速率的联合天线选择方法，既要考虑宏小蜂窝的传输速率最大化，又要最小化宏小蜂窝之间的互干扰。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种面向异构蜂窝网络的联合天线选择方法，应用于基站与用户之间采用无线传输的通信系统，其特征是，所述系统包括一个宏蜂窝与一个小蜂窝，宏蜂窝中包括一个宏基站和至少一个宏用户，小蜂窝中包括一个小基站和至少一个小用户宏基站和小基站均部署多根天线；

所述方法包括以下步骤：

步骤a.宏基站和小基站中各待接入发射天线接入异构蜂窝网络中，计算此时接受信号的宏用户和小用户接收到的信号；

步骤b.分别针对宏信道和小信道执行如下步骤：

计算基于待选发射天线接入异构蜂窝网络中的宏信道和小信道传输速率；

联合宏信道和小信道的传输速率，进而得出待选发射天线对的系统总传输速率；

步骤c.选择最大系统总传输速率所对应的待选宏基站发射天线与小基站发射天线作为最佳宏小蜂窝发射天线对。

进一步的，所述步骤a包括；

宏用户接收信号和小用户接收信号的计算表达如下：

i∈am,j∈as

其中宏基站m通过第i根待选发射天线到达目的终端m记为宏信道mim，信道响应为小基站s通过第j根待选发射天线到达目的终端s记为小信道sjs，信道响应为宏基站m通过第i根待选天线对小用户s产生的干扰记为干扰信道mis，信道响应为小基站s通过第j根待选天线对宏用户m产生的干扰记为干扰信道sjm，信道响应为xm代表宏基站m的发送信号；xs表示小基站s的发送信号；am代表宏基站的发射天线集合，as代表小基站的发射天线集合，n0表示发射端的噪声功率。

进一步的，所述步骤b具体方法包括：

宏基站的发射信噪比γm和小基站的发射信噪比γs分别记为：

其中，pm表示宏基站的发射功率，ps表示小基站的发射功率；n0表示发射端的噪声功率；

根据宏用户的接收信号ymim和小用户的接收信号可以计算得到宏小信道的传输速率如下：

其中表示宏基站m通过待选发射天线i到宏用户m之间的宏信道的传输速率；表示小基站s通过待选发射天线j到小用户s之间的小信道的传输速率；n表示宏基站部署的发射天线总数，m表示小基站部署的发射天线总数，

系统总传输速率等于宏小信道的传输速率之和，所述系统总传输速率的表达如下：

其中rij表示系统总传输速率。

进一步的，记xij和yij分别为宏信道和小信道的信干噪比，如下所示：

因此，系统总传输速率式(7)可以简化为：

进一步的，所述步骤c中，采用最佳发射天线对选择准则确定最大系统总传输速率，所述最大系统总传输速率的表达式如下：

对应的宏基站最佳发射天线和小基站最佳发射天线表示如下：

本发明与现有技术相比：

1、联合天线选择方案将基站与用户之间的干扰列入衡量系统性能的综合指标中，方案可适用的环境更为广泛。

2、针对异构蜂窝网络中基站的分布情况，假设宏基站与宏用户之间传输信道服从瑞利衰落，小基站与小用户之间的传输信道服从莱斯衰落，更符合实际情况；

3、本发明不仅可以用于选择发射天线，还可以用来选择其他功能的天线，适用面较广泛。

附图说明

图1为本发明具体实施例系统示意图；

图2为本发明具体实施例的方法流程图；

图3为在信噪比不同的情况下，循环遍历、机会天线选择与本发明方法的系统总传输速率仿真图对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合说明书附图对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明设计了一种面向异构蜂窝网络的联合天线选择方法，异构蜂窝网络包括一个宏蜂窝与一个小蜂窝。

小蜂窝又称为微蜂窝(microcell)是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门技术。与宏蜂窝相比，它的发射功率较小，一般在2w左右；覆盖半径大约为100m～1km；宏蜂窝是覆盖范围较远的基站。

本发明方法的具体实施例应用于基站与用户之间采用无线传输的通信系统，

所述系统包括一个宏蜂窝与一个小蜂窝宏蜂窝中包括一个宏蜂窝基站(简称宏基站)和至少一个宏蜂窝用户(简称宏用户)，小蜂窝中包括一个小蜂窝基站(简称小基站)和至少一个小蜂窝用户(简称小用户)。记宏基站与宏用户之间的传输信道为宏信道，小基站与小用户之间的传输信道为小信道。宏基站与小基站均部署多根射频天线，两者均连接到核心网。为了优化系统总传输速率，根据宏蜂窝与小蜂窝的信道状态信息，联合选择出一根宏基站发射天线与一根小基站发射天线，所提出的最佳发射天线对选择方案使得宏蜂窝和小蜂窝的系统总传输速率达到最大值，与现有的机会天线选择方法比较，显著提高了异构蜂窝网络的系统传输性能。

为计算出系统总传输速率，首先要计算出待选天线接入后用户终端接收到的信号，因此执行步骤a。

步骤a.分别针对宏基站和小基站(简称宏小基站)中各待接入的发射天线，假设待选发射天线接入异构蜂窝网络中，获得此时宏用户和小用户(简称宏小用户)接收到的信号。

系统采用频谱共享机制，即宏蜂窝和小蜂窝接入相同的频谱资源，以提高频谱利用效率。为了更符合无线通信的实际情况，具体实施例中优选地，宏信道服从瑞利衰落，小信道服从莱斯衰落。其中宏基站m通过第i根待选发射天线到达目的终端m记为宏信道mim，信道响应为小基站s通过第j根待选发射天线到达目的终端s记为小信道sjs，信道响应为宏基站m通过第i根待选天线对小用户s产生传输干扰记为干扰信道mis，信道响应为小基站s通过第j根待选天线对宏用户m产生传输干扰记为干扰信道sjm，信道响应为

获得待选的宏基站天线mi和小基站天线sj后，相应的宏用户接收信号和小用户接收信号可以表达如下：

i∈am,j∈as

xm代表宏基站m的发送信号；xs表示小基站s的发送信号；am代表宏基站的发射天线集合；as代表小基站的发射天线集合。

基于已经得到的接收端信号，可计算出接入待选天线后宏信道与小信道的传输速率，从而推导出系统总传输速率，因此执行步骤b。

步骤b.分别针对宏小信道执行如下步骤，基于待选发射天线接入异构蜂窝网络中所对应的宏小用户接收信号，分别获得待选发射天线对应的宏小信道传输速率，进而得到系统总传输速率；

宏基站的发射信噪比γm和小基站的发射信噪比γs分别记为：

其中，pm表示宏基站m的发射功率，ps表示小基站s的发射功率；n0表示发射端的噪声功率；

根据宏用户的接收信号和小用户的接收信号可以计算得到宏小信道的传输速率如下：

其中表示宏基站m通过待选发射天线i到宏用户m之间的宏信道的传输速率；表示小基站s通过待选发射天线j到小用户s之间的小信道的传输速率；n表示宏基站部署的发射天线总数，m表示小基站部署的发射天线总数。

在给定的异构蜂窝网络中，系统总传输速率等于宏小信道的传输速率之和，表达如下：

其中rij表示系统总传输速率，记xij和yij分别为宏信道和小信道的信干噪比，如下所示：

因此，系统总传输速率可以简化为：

根据已经推导出系统总传输速率，执行步骤c。

步骤c.采用最佳发射天线对选择准则确定最大系统总传输速率，所述最佳发射天线对选择准则即选择最大系统总传输速率所对应的待选宏基站发射天线与小基站发射天线作为最佳宏小蜂窝发射天线对。

最大系统总传输速率的表达式如下：

对应的宏基站最佳发射天线和小基站最佳发射天线表示如下：

在本发明方法以上具体实施例的基础上，宏基站和小基站分别利用最佳发射天线对和与各自的宏用户和小用户进行无线传输。

下面给出在计算机上利用matlab语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定无线信道独立同分布，宏蜂窝内信道服从瑞利衰落，小蜂窝内信道服从莱斯衰落。信道增益服从均值为0，方差为的独立高斯分布；满足均值为的指数分布。信道增益服从莱斯衰落因子k＝0.8的莱斯分布。各接收端的噪声都是均值为0方差为n0的平稳高斯白噪声。变量snr(信噪比，单位db)从0开始，到20结束，步长为1；变量gamma1、gamma2，(gamma2＝β×gamma1)表示主信道与次信道的信噪比，β表示是宏小信道信噪比的比值,β＝0.7；n0＝0db。n与m表示宏基站与小基站各自部署的天线数目，n＝4,m＝4。莱斯衰落因子k＝0.8。

图3是三种不同的天线选择方法下的系统总传输速率对比示意图。可以看出，应用本发明所设计的联合天线选择方法对应的系统总传输速率明显高于现有方法(循环遍历法，机会天线选择方法)。

在实际情况中基站对用户造成的传输干扰会随接入系统的天线对发生改变时而变化。系统总传输速率与传输干扰有密切关联。机会天线选择方法将基站对用户的干扰看成定值，选择指标仅包括传输信道性能最大化。本发明提出的联合天线选择将传输干扰视为变量，根据干扰信道的状态信息得出宏信道与小信道的信干噪比，优化了系统总传输速率的表达式，有效提升了系统性能。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上特征任意组合所组成的技术方案。