一种全双工认识无线电的基站位置布局方法与流程

本发明涉及一种认知无线电同时同频全双工通信，特别涉及全双工认识无线电的基站位置布局，属于通信技术领域。

背景技术：

在当今社会对无线服务关注日益增长的推动下，通信和无线应用的指数式增长速度使频谱的有效利用成为各大电信公司的主要关注点之一。进入二十一世纪以来，随着无线通信技术越来越成熟可靠，越来越多的通信服务选择无线传输方式。然而，在通信系统中现有能够使用的频谱资源是有限的，如何在有限的频谱资源当中提高频谱资源的利用率，这很大程度上地制约了无线通信网络的发展。

为许可用途分配固定频段的政策通常会带来频谱利用不足的问题。如果许可频段可以在多个系统之间共享，则在非干扰模式下，可以实现使用这种稀缺和有价值资源的更高效率。有了这个想法，认知无线电概念就出现了。认知无线电目前影响无线通信系统的最大问题之一就是无线电频谱资源的可用性。

针对频谱资源短缺的问题，认知无线电技术是一个有效的解决方案，除此之外，近期的研究热点全双工技术也被认为是5g的一个核心技术而广泛研究分析。全双工技术对系统网络设计具有巨大的影响，其中最重要的就是如果蜂窝网络使用全双工模式进行工作可以将其频谱需求减少一半。假设无线电在全双工模式下运行，这就意味着允许在同一频道上实现同时发送或接收，系统网络对频谱资源的需求将减少一半。

将全双工通信融入认知无线电网络不仅能够提高频谱效率，而且使次用户在传输数据的同时具备了频谱感知的能力。认知无线电技术与全双工技术在提高频谱资源利用率上都起到了不同的作用，因此将认知无线电技术与全双工技术相结合具有重要价值。

基站位置的布局是无线移动网络建设的基础，它体现出了网络规划的系统设计水平，同时也决定了今后网络的相应格局，同时基站位置选取的好坏一定程度上也决定了网络运行的质量，起着不可或缺的作用。因此优化基站位置布局对提高系统网络质量有着重要的意义。

对于不同的规划要求，同一场景下基站的位置布局可能不同。基站位置选取的原则通常选在用户集中的区域，避开高山、雷达、电台、森林、电厂等场所。在通信系统的构建当中确定基站的最佳位置以满足给定的性能标准是重要的考虑因素。根据不同的优化目标来选取基站的最佳放置位置。

现有的研究中，有文献中公开，从基站位置优化的角度出发，为了能够提高无线传感器网络的生存时间，通过最优化理论对无线传感器系统进行建模分析。分别采用基于能量感知以及标准遗传算法结合潜能值概念对最优基站位置进行布局。也有文献中公开，以最小化网络建设成本、提高用户服务质量和系统容量为优化目标，对基站位置进行布局。还有文献中公开，通过考虑成本、区域划分以及系统容量，在系统模型当中加入复杂的电磁干扰条件，对基站位置布局进行优化选取。但是，从现有的基站布局方法可以发现，在通信系统中关于基站位置优化选取所考虑的因素主要有网络建设成本、系统容量、用户服务质量、网络区域划分等。目前，还没有针对全双工认知无线电网络中的基站布局方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种使得基站所覆盖的区域面积最大的全双工认识无线电的基站位置布局方法。

技术方案：本发明所述的一种全双工认识无线电的基站位置布局方法，全双工认知无线电网络采用并发频谱接入来实现主用户和次用户之间的频谱资源共享，网络转化到数学直角坐标系当中，主用户与次用户基站在坐标系中的位置分别为：主用户位于(0,0)处，次用户基站位于(db,0)处，

则在无障碍场景中次用户基站的最优位置选择方法为：

次用户网络覆盖区域范围可以表示为

式(21)中，式中，ps为次用户基站最大发射功率，pp为主用户最大发射功率，为次用户信噪比门限，η表示为路径损耗指数；

对于y＞0部分，覆盖区域范围可以表示为g＝2∫∫dxdy(22)

约束条件为

y＞0

x²+y²<r²

d0<db<r

其中，r为主用户网络小区半径；d0为主用户网络覆盖区域半径；

令z在db上为凸。可以等效为：

y＞0

(x²+y²)r^-2<1

令db＝e^t,x＝e^u,y＝e^s,z＝e^w代入上述约束条件中，对公式(24)和约束条件(25)取对数，可得：

db^*＝min-ln(g)(26)

ln(r^-2(e^2u+e^2s))<0

求解公式(27)，即为次用户基站的最优位置。

本发明技术方案的进一步限定为，在有障碍场景中，次用户基站的最优位置选择方法为：

次用户位于山体障碍物产生的阴影区域内的覆盖面积集合为

式(45)中，a0表示在障碍物山体产生的阴影区内的次用户位置的集合；

次用户位于山体障碍物产生的阴影区域之外的覆盖范围可以表示为

式(50)中，a1表示位于障碍物山体产生的阴影区域之外的次用户位置的集合；

因此，在存在障碍物时次用户网络的覆盖区域可以表示为：

g′＝g0+g1(51)

最佳的基站位置为：

db′^*＝maxg′(52)。

进一步地，在有障碍场景中，设障碍物山体位于距离主用户dh处，坐标为(dh,0)，

令a0表示在障碍物山体产生的阴影区内的次用户位置的集合，由于该区域会关于x轴对称，分析y＞0部分，得到

上述公式中，rh为在障碍物的高度为h0时产生的阴影区域截面所对应的半径大小，h0为主用户天线高度；

f0(db)＞c0，其中，

式中，i为残余自干扰，ith残余自干扰门限，hb,p＝hl-h0，hl为山体障碍物的高度；

其中，λ为载波波长；

其中，hs为次用户天线高度。

进一步地，令a1表示位于障碍物山体产生的阴影区域之外的次用户位置的集合，由于该区域关于x轴对称，分析y＞0部分，得到

其中，

有益效果：本发明提出一种全双工认识无线电的基站位置布局方法，提出一个基站所覆盖的区域面积的方法进行全双工认知无线电网络基站位置布局，使得基站所覆盖的区域面积最大。

附图说明

图1为双工认知无线电网络采用并发频谱接入网络结果示意图；

图2为次用户网络覆盖范围示意图；

图3次用户网络覆盖范围分析模型；

图4主用户干扰示意图；

图5刃形传播示意图；

图6次用户基站到主用户之间的传播示意图；

图7主用户到次用户之间的传播示意图；

图8次用户基站位置与覆盖范围面积关系图；

图9残余自干扰强度与最优基站位置关系图；

图10次用户基站位置与次用户网络最大覆盖范围关系图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一般无障碍场景

全双工认知无线电网络采用并发频谱接入来实现主次用户之间的频谱资源共享，如图1所示。在频谱接入方式采用并发频谱接入的工作模式下，主用户与次用户能够实现在同时同频的情况下使用现有的频谱资源。允许次用户与主用户同时共用频谱资源，但是前提必须满足两个约束条件：主用户受到的干扰值必须在预定的干扰阈值之下；次用户通信时可以准确接收到来自次用户基站发来的有用信号。

认知无线电网络为广播无线电网络。在广播无线电网络当中，次用户随机分布在次用户网络当中。在广播无线电网络当中基站为该网络中的发射设备，而用户则均为接收设备。因此主用户受到的干扰为次用户基站对主用户产生的干扰以及全双工模式下主用户产生的自干扰，如图2所示。

图2所示网络转化到数学直角坐标系当中，得到图3。为了分析的方便，主用户与次用户基站在坐标系中的位置分别为：主用户位于(0,0)处，次用户基站位于(db,0)处。在此研究场景中相关参数设置说明如下：

表1模型中所涉及参数符号说明

接收功率计算公式为

在公式(1)中，gt和gr分别表示发射天线功率增益和接收天线的功率增益，ht和hr分别为发射天线和接收天线的高度，pt为发射功率，pr为接收功率，η表示为路径损耗指数，d代表发射设备与接收设备之间的距离。

通过公式(1)可以得到路径损耗计算公式为pl＝η10logd-20loghthr(2)

通过公式(2)可得次用户基站到主用户之间的路径损耗为

设次用户的坐标为(x,y)根据公式(2)次用户基站到次用户之间的路径损耗为

根据公式(2)主用户到次用户之间的路径损耗为

全双工认知网络图2中主用户的干扰主要来自于次用户基站以及全双工模式下未消除的残余自干扰：

公式(6)中，ps-plb,p为次用户基站对主用户产生的干扰，i为全双工模式下的残余自干扰。

正常通信时针对主用户的干扰约束条件为ib<ith(7)

主用户网络覆盖区域半径为d0，在该半径所覆盖的区域内主用户能够满足系统模型中针对主用户的干扰约束条件。因此，可以将此干扰约束条件转化为针对次用户基站的位置约束条件：

db＞d0(8)

联合公式(6)、公式(7)、公式(8)可以进一步计算求解得到满足干扰约束条件的主用户网络覆盖区域半径d0

次用户接收到来自次用户基站的有效信号为ps-plb,s，主用户对次用户的干扰pp-plp,s。因此次用户的信干比能够表示为

公式(10)中plb,s为次用户基站到次用户之间的路径损耗，计算方法由公式(4)给出；plp,s为主用户到次用户之间的路径损耗计算方法由公式(5)给出。

根据次用户信干比约束条件可以得到

联合公式(4)、公式(5)、公式(10)、公式(11)可以计算得到

对公式(12)移项整理可得：

合并同类项后可得：

对公式(14)取对数可得：

为了简化公式(15)的表达令θ0为

因此，公式(15)的推导结果可表示为

对公式(16)进一步展开化简：

x²-2xdb+db²+y²-x²θo-y²θo<0(17)

合并同类项可得：

y²(1-θo)+x²(1-θo)-2xdb+db²<0(18)

两边同除以1-θo后可得：

进一步展开可得：

最后整理得到次用户网络覆盖区域范围可以表示为

从公式(21)中可以发现，该区域为圆形区域，圆心为半径为分析可知，该半径将随着db的增大而不断增大，同时随着db位置选取的不同次用户网络的覆盖范围也将发生显著改变。

该覆盖区域会是一个圆形或弧形区域，且该区域关于x轴对称，因此分析y＞0部分，该覆盖区域范围可以表示为g＝2∫∫dxdy(22)

约束条件为

y＞0

x²+y²<r²

d0<db<r

从公式(21)可以发现，随着db位置的改变，公式(21)所表示的覆盖区域的半径圆心都将发生改变，这将导致次用户覆盖区域的改变进而覆盖区域的面积就会发生变化。将该约束条件转化为几何规划问题进行分析。

令z在db上为凸。可以等效为：

y＞0

(x²+y²)r^-2<1

令db＝e^t,x＝e^u,y＝e^s,z＝e^w代入上述约束条件中，对公式(24)

和约束条件(25)取对数。可得：

db^*＝min-ln(g)(26)

ln(r^-2(e^2u+e^2s))<0

指数函数的对数和是凸函数，从而该问题为一个凸优化问题。由此可发现该线性规划问题所对应的目标函数存在最优解，即存在一个最优基站位置使得次用户网络覆盖面积达到最大值。从而，最优的基站位置可以通过求解公式(27)的方法获取。

具体的应用实例如下：

在无障碍物的场景下参数设置如表2。

表2无障碍物仿真参数设置

图8描述了在没有障碍物场景下，分析对比了有无残余自干扰情况下次用户基站位置与次用户网络覆盖范围面积的关系图。从图中可以发现在存在残余自干扰情况下，次用户网络的覆盖面积相较于没有残余自干扰情况下将有所减少。在不存在自干扰情况下当次用户基站位于db＝8.1km时，次用户网络的覆盖面积达到最大值e^16.12＝10.02km²。当残余自干扰为-80dbm时，次用户网络的覆盖面积最大为e^16.09＝9.72km²。从图中可以看出，两条曲线的起点并不相同，这是由于残余自干扰的存在这就使得主用户网络区域的d0要比不存在残余自干扰时大，因此存在残余自干扰时的曲线要往右偏移一点。两条曲线的次用户网络覆盖范围面积都呈现出先增大后减小的趋势，且次用户网络的覆盖面积在次用户基站位于8.1km处达到了最大值；从图中可以直观的看出在全双工模式下，由于残余自干扰的存在次用户网络的覆盖面积将会有所减少。

图9给出残余自干扰强度与最优次用户基站位置的关系。从图中我们可以发现在不存在自干扰的情况下，主用户满足干扰约束条件时的半径为5.43km，次用户基站的最佳放置位置在8.1km处。随着残余自干扰强度的不断增大，主用户网络区域的半径d0将不断增大，而随着残余自干扰强度的变化次用户基站的最优位置没有发生明显改变。在残余自干扰强度达到-71dbm时，主用户网络区域的半径将达到9.20km，与系统网络半径r＝10000m十分接近。因此在此参数设置下全双工场景中必须将自干扰消除到-71dbm以下。

实施例2：存在障碍的全双工认知无线电网络

在实际的环境中，本地环境通常是复杂多变的，现实中的环境往往是存在着诸多障碍物的。场景二是在场景一的基础上加入障碍物建立新的场景，引入的障碍物的位置如图5所示。在此场景当中同样需要满足两个约束条件：主用户受到的干扰值必须在预定的干扰值之下；次用户通信时可以准确接收到来自次用户基站发来的有用信号。

假设障碍物山体位于距离主用户dh处，坐标为(dh,0)。在正常的通信过程中，信号遇到障碍物绕过障碍物进行传播时信号将存在一定的衰落，障碍物的存在对信号产生了衰减。通过查阅相关的文献资料，信号通过障碍物时产生的损耗的计算方式如图5所示。

图5中t和r分别表示发射天线与接收天线，菲涅尔-基尔霍夫系数可以由下式计算得

在公式(28)中λ为载波波长，d1表示山体障碍物与信号发送设备之间的距离，d2表示为山体障碍物与信号接收设备之间的距离，在图5当中α＝β+γ。因此，由于引入了山体障碍物的绕射损耗可以近似为：

图6中dh为山体障碍物与主用户之间的距离，hl为山体障碍物的高度，h0为主用户天线高度，且图6存在如下关系式

hb,p＝hl-h0(30)

根据公式(29)，引入障碍物后主用户到次用户之间的绕射损耗为：

考虑到山体绕射损耗的影响，主用户受到的干扰主要由全双工带来的自干扰以及次用户基站，可以表示为：

ib′＝ps-plb,p-dlb,p+i(32)

在公式(32)中，ib′为存在障碍物场景下主用户受到的干扰，plb,p和dlb,p的计算方法分别由公式(3)、公式(31)给出，i为残余自干扰。

针对主用户的干扰约束条件为i′b<ith(33)

联合公式(3)、公式(31)、公式(32)、公式(33)可以得到：

将上式简化后可得：

移项可得：

取对数后可得：

最后整理得到：

为了简化公式(38)的表达

令

由于引入了山体障碍物，便存在了山体障碍物产生的阴影区域，次用户是否会受到主用户的干扰主要取决于次用户是否位于山体阴影区域。若位于阴影区域内主用户的干扰信号不会对次用户产生影响。山体的位置为(dh,0)，山体阴影区域为

公式(39)中rh为在障碍物的高度为h0时产生的阴影区域截面所对应的半径大小。

图7中

可以得到主用户到次用户的绕射损耗为：

次用户受到来自主用户的干扰为：

i′p＝pp-plp,s-dlp,s(41)

其中，plp,s和dlp,s分别表示主用户到次用户的路径损耗以及绕射损耗。

因此次用户的信干比可以表示为：

联合公式(4)、公式(5)公式(40)、公式(41)、公式(42)可以得到：

对公式(43)整理取对数可得：

令

令a0表示在障碍物山体产生的阴影区内的次用户位置的集合，由于该区域会关于x轴对称，因此分析y＞0部分，得到

位于阴影区域的覆盖范围可以表示为

公式(45)为次用户位于山体障碍物产生的阴影区域内的覆盖面积集合。当次用户位于阴影区域之外的情况下，次用户的信干比可表示为：

根据次用户需要满足的信干比约束条件：

联合公式(4)、公式(5)、公式(46)、公式(47)，可以得到：

其中

令a1表示位于障碍物山体产生的阴影区域之外的次用户位置的集合，由于该区域关于x轴对称，因此分析y＞0部分，得到

阴影区域之外的覆盖范围可以表示为

因此我们可以得到，在存在障碍物时次用户网络的覆盖区域可以表示为：

g′＝g0+g1(51)

从而最佳的基站位置为：

db′^*＝maxg′(52)

根据上述分析，在存在障碍物场景下，次用户网络的覆盖范围区域可以划分为阴影覆盖区域与非阴影覆盖区域两部分，次用户位于障碍物产生的阴影区域内以及次用户位于阴影区域之外。次用户位于阴影区域之外的情况即为不存在障碍物的系统模型。由此可见，由于障碍物的引入，次用户网络的覆盖范围面积比无障碍物的模型次用户网络覆盖范围面积有所增大。同时随着dh的不断增大，障碍物产生的阴影区域所包含的次用户将越来越少即当距离足够大时，次用户网络的覆盖范围面积将会近似等于与无障碍物场景下的次用户网络覆盖面积。

具体的应用实例如下：

存在障碍物时仿真参数设置如表3

表3存在障碍物仿真参数设置

图10描述了存在障碍物场景下次用户基站位置与次用户网络最大覆盖范围的关系。从图中可以发现，次用户基站db选择固定值的时候随着dh的不断增加，次用户网络的覆盖范围在不断的减小，且从图中可以发现当障碍物dh≥1.5km时，图中的曲线开始变得很密集，说明了障碍物对于次用户基站位置选取的影响正在逐渐减小，同时随着dh的不断增大，最优次用户基站的位置将趋近于8.1km处，即不存在障碍物的情况。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。