本發(fā)明涉及無線通信中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入領(lǐng)域，特別涉及一種基于最大接收功率的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入方法。

背景技術(shù)：

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)作為下一代無線系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)，其接入選擇問題自然是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。最早關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法的研究可追溯到Wei Song等在2006年至2007年發(fā)表的文獻(xiàn)，其第一次將無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks,WLAN)的融合場(chǎng)景作為系統(tǒng)模型，解決在此場(chǎng)景下的終端接入問題。具體是將終端按照業(yè)務(wù)類型分為語音部分和數(shù)據(jù)部分，針對(duì)小區(qū)重疊區(qū)域，語音部分終端首選蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入，數(shù)據(jù)部分終端首選WLAN接入。同時(shí)，為保證用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)兩種業(yè)務(wù)設(shè)置不一樣的接入門限。該方法可以提高系統(tǒng)吞吐量并減小業(yè)務(wù)時(shí)延。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法的研究已經(jīng)不少，對(duì)比分析可知按照接入選擇參考因素的不同，可分為基于信號(hào)強(qiáng)度、終端移動(dòng)速度、負(fù)載均衡、效用函數(shù)、策略驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)類型(網(wǎng)絡(luò)類型)等。

例如，基于信號(hào)強(qiáng)度的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方法主要是終端得到系統(tǒng)中各候選子網(wǎng)的信號(hào)強(qiáng)度，比較大小后，選擇接入到信號(hào)最強(qiáng)的子網(wǎng)。該法是一種提高傳輸可靠性的簡(jiǎn)便算法，能夠有效的降低耗電量與誤碼率。信號(hào)強(qiáng)度大，通常表明信道條件不錯(cuò)，噪聲干擾較低，通信傳輸錯(cuò)誤率較低，終端自然會(huì)接入該網(wǎng)絡(luò)?；诮K端移動(dòng)速度的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方法主要是通過建立符合終端移動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)該模型對(duì)終端運(yùn)動(dòng)的位置及路線進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，最后根據(jù)預(yù)測(cè)值完成終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)的選擇。基于負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方法主要是對(duì)系統(tǒng)中各候選子網(wǎng)的資源進(jìn)行共同管理。在每次接入之前，系統(tǒng)先分析各子網(wǎng)的負(fù)載狀況，再將終端接入負(fù)載較輕的子網(wǎng)絡(luò)?；谛в煤瘮?shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方法主要是將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用概念引入到網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法中。經(jīng)濟(jì)學(xué)中效用函數(shù)是用來度量顧客從消費(fèi)特定商品組合中所獲取的滿意度。它可以表明顧客在消費(fèi)過程中所獲取的效用和所花費(fèi)的商品組合之間數(shù)量的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入而構(gòu)造的效用函數(shù)，與業(yè)務(wù)的QoS正相關(guān)，與業(yè)務(wù)的通信花銷反相關(guān)。

因此，現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入選擇方法雖然能實(shí)現(xiàn)終端接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，但還有許多需要討論或優(yōu)化的環(huán)節(jié)。比如大多數(shù)接入選擇方法都是考慮單基站接入，如何利用多個(gè)基站共同完成終端的網(wǎng)絡(luò)接入，這是一個(gè)改進(jìn)方向?，F(xiàn)有的接入選擇方法大多沒有考慮到終端等級(jí)或業(yè)務(wù)等級(jí)，但實(shí)際生活中會(huì)存在優(yōu)先級(jí)不同的終端或業(yè)務(wù)，如何建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以解決不同等級(jí)終端的接入問題，這又一個(gè)改進(jìn)方向。此外，還存在一些因素，對(duì)接入后終端的通信性能有比較重要的影響，如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行篩選，減少后續(xù)不必要的切換，保證一定的通信質(zhì)量，這也是一個(gè)改進(jìn)方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于最大接收功率的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入方法，能提升系統(tǒng)吞吐量，對(duì)系統(tǒng)資源的使用更加充分。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于最大接收功率的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入方法，具體為：

將協(xié)作接入添加到傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)中，所述傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)為：傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面對(duì)終端業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，基站與終端之間的通信鏈路存在兩種：分別為宏基站和Small Cell傳輸，終端接入方式有兩種：基站型和Small Cell型，系統(tǒng)會(huì)按照相應(yīng)的選網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來決定終端是接入宏基站還是Small Cell來完成通信；

在協(xié)作接入添加到傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)后，部分終端在接入時(shí)能夠同時(shí)選擇兩種制式，即基站與Small Cell協(xié)作接入，此時(shí)基站和終端通信劃分成三種：直接基站傳輸，直接Small Cell傳輸，Small Cell與基站協(xié)作傳輸；

假定第i個(gè)Small Cell的發(fā)送功率為P_si，其值遠(yuǎn)低于宏基站的發(fā)送功率P_b，終端u從第j個(gè)Small Cell中檢測(cè)到的信號(hào)功率表示成P_sj|h_u,j|²，從宏基站檢測(cè)的到信號(hào)功率表示成P_b|h_u,0|²，其中終端u與第j個(gè)Small Cell之間的信道增益用h_u,j來表示，終端u與宏基站之間的信道增益用h_u,0來表示；

則具體步驟為：

步驟1：判定終端是否為基站型；若發(fā)送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²成立，終端是基站型，終端直接接入宏基站，若發(fā)送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²不成立，終端進(jìn)入第二步判斷；

步驟2：終端根據(jù){j^*}＝argmax{P_sj|h_u,j|²}找到編號(hào)為j^*的最佳Small Cell節(jié)點(diǎn)；

步驟3：終端需要依據(jù)宏基站的剩余帶寬B₀、編號(hào)為j的Small Cell的剩余帶寬和信號(hào)與干擾噪聲比SINR繼續(xù)做抉擇；若成立(α為SINR的閥值，可根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求選定)，判定終端u為Small Cell型，終端直接接入Small Cell，；若不成立(α為SINR的閥值，可根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求選定)，判定終端u為協(xié)作型，終端就直接選擇基站與編號(hào)為j^*的Small Cell協(xié)作接入；

當(dāng)不成立，則是兩種情況，其一：若P_b|hu_,0|²＜P_sk|h_u,k|²成立，編號(hào)為j的SmallCell的剩余帶寬和編號(hào)為k的Small Cell的剩余帶寬B_k充足，終端就直接選擇編號(hào)為j*和k的Small Cell協(xié)作接入；若P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|²不成立，編號(hào)為j的Small Cell的剩余帶寬和宏基站的剩余帶寬B₀充足，終端就直接選擇宏基站與編號(hào)為j的Small Cell協(xié)作接入；

當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)Small Cell協(xié)作進(jìn)行通信時(shí)，終端u對(duì)應(yīng)的SINR和速率分別是：

其中，

終端等級(jí)用λ表示，λ∈{1,2}，λ＝1表示該終端為高級(jí)用戶，λ＝2表示該終端為普通用戶；

宏基站的剩余帶寬為B₀，Small Cell的剩余帶寬為B_i，1≤i≤N_s，i表示Small Cell的編號(hào)；

假定該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)總的系統(tǒng)帶寬為B，加性高斯白噪聲滿足n～CN(0,δ²)，采用衰落極為平緩的信道，即慢頻率選擇性衰落，使其能夠在一個(gè)發(fā)送時(shí)隙內(nèi)維持各子載波信道增益h穩(wěn)定為常數(shù)，則信號(hào)與干擾噪聲比SINR表達(dá)式分別為：

式中u＝1,2,…,N_u；j＝1,2,…,N_s；σ²為噪聲功率，SINR_u,0即是基站型的信號(hào)與干擾噪聲比，SINR_u,j則是Small Cell型的信號(hào)與干擾噪聲比，SINR_u,0,j則是協(xié)作型的信號(hào)與干擾噪聲比；

基站型、Small Cell型、協(xié)作型終端下行通信的信道容量計(jì)算公式分別為：

R_u,0＝log(1+SINR_u,0)，R_u,_j＝log(1+SINR_u,j)，R_u,0,j＝log(1+SINR_u,0,j)；

考慮終端發(fā)起接入的時(shí)間、用戶等級(jí)和數(shù)據(jù)速率，建立相應(yīng)的接入優(yōu)先級(jí)模型D_j，

D_j＝{r_a,r_b,…,r_l}

式中，r_a表示終端a的數(shù)據(jù)速率，a表示終端序號(hào)，j表示候選網(wǎng)絡(luò)序號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1)通過加入?yún)f(xié)作，部分終端的SINR增大，相應(yīng)的通信質(zhì)量也得到了提高。2)通過對(duì)終端優(yōu)先級(jí)的考慮，使其有序完成接入，避免沖突，盡量公平的實(shí)現(xiàn)接入。3)算法執(zhí)行復(fù)雜度比較低，操作簡(jiǎn)單，并且綜合考慮了用戶和網(wǎng)絡(luò)端兩方面因素，較為全面。4)有利于提升系統(tǒng)吞吐量，對(duì)系統(tǒng)資源利用方面也存在一定的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1是LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

圖2是協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)傳輸策略。

圖3是CRE小區(qū)擴(kuò)展機(jī)制效果示意圖。

圖4是傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇流程圖。

圖5是LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的三種接入方式。

圖6是LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作接入選擇流程圖。

圖7是LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)吞吐量與終端數(shù)目之間的關(guān)系。

圖8是系統(tǒng)吞吐量與Small Cell數(shù)量的關(guān)系。

圖9是單小區(qū)終端和Small Cell分布圖。

圖10是系統(tǒng)吞吐量與Small Cell位置的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。狹義上講，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)宏基站覆蓋范圍下設(shè)置低功率發(fā)射結(jié)點(diǎn)，包含有Femtocell、Picocell、Microcell和Metrocell等。這些低功率發(fā)射節(jié)點(diǎn)形成Small Cell。Small Cell可以幫宏小區(qū)分擔(dān)一些業(yè)務(wù)流，減輕部分負(fù)載。這樣有效解決了熱點(diǎn)、盲點(diǎn)地區(qū)的覆蓋問題，增加了網(wǎng)絡(luò)容量，也滿足了終端對(duì)帶寬的要求。

LTE-A系統(tǒng)通過引入載波聚合技術(shù)(Carrier Aggregation,CA)、多點(diǎn)協(xié)作傳輸(Coordinated Multiple Points Transmission/Reception,CoMP)、多天線增強(qiáng)技術(shù)以及中繼(Relay)傳輸?shù)龋源藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬更大，峰值速率和頻譜利用效率更高的目標(biāo)，同時(shí)使用扁平化網(wǎng)絡(luò)提升了整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)效率。其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)又通過用戶移動(dòng)性管理、用戶調(diào)度、Small Cell范圍擴(kuò)展、干擾管理機(jī)制、無線資源管理以及自組織網(wǎng)絡(luò)等六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，不斷完善系統(tǒng)性能。

(1)多點(diǎn)協(xié)作傳輸

CoMP是LTE-A系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，主要是為了擴(kuò)充空域。簡(jiǎn)單來說，CoMP是指在地理位置上離散的多個(gè)傳送點(diǎn)，它們可以相互配合完成對(duì)單個(gè)終端的信息傳輸，也能夠聯(lián)合處理單個(gè)終端發(fā)送過來的信息，是一種有效提升邊緣終端通信性能的技術(shù)。它主要利用信道快速衰落的變化，信息通過多天線陣元來發(fā)送與接收，從而使系統(tǒng)整體的吞吐量增加。CoMP的協(xié)作模式主要分為聯(lián)合處理與協(xié)作調(diào)度/波束賦形兩種。它們適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，且它們之間是不能夠完全代替的。在基站擁有4天線配置的前提下，CoMP是唯一能夠滿足不同環(huán)境要求的技術(shù)，并且能夠顯著改善系統(tǒng)性能。圖2就展示了這兩種協(xié)作模式。

(2)中繼傳輸

Relay是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的一條傳輸通路。對(duì)于無法直接通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)就需要Relay節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息的交互。Relay為L(zhǎng)TE-A系統(tǒng)的低功耗基站，它通過縮短終端和基礎(chǔ)設(shè)施之間的距離，使數(shù)據(jù)速率得到優(yōu)化。此外，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的薄弱區(qū)域，系統(tǒng)增設(shè)Relay節(jié)點(diǎn)能大幅度的增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量。Relay根據(jù)頻譜的占用狀況可以劃分成帶內(nèi)和帶外兩大類。帶內(nèi)Relay共享頻譜，其接入和回程使用同一個(gè)無線端口。這樣會(huì)產(chǎn)生頻域干擾現(xiàn)象，必須通過特定的方法才能避免。帶外Relay的不同之處在于接入和回程通路工作在不同頻譜范圍，它在頻域內(nèi)加入固定的頻帶間隔，避免兩者之間的頻域干擾。

(3)小區(qū)擴(kuò)展機(jī)制

Small Cell范圍擴(kuò)展技術(shù)主要是為了合理分流宏基站下的終端。這是因?yàn)長(zhǎng)TE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu)，宏基站與Small Cell的發(fā)射功率有不小的差距，如果采用傳統(tǒng)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的接入技術(shù)，會(huì)使宏基站下的終端過多，達(dá)不到理想負(fù)載均衡的效果。針對(duì)這一現(xiàn)象，依據(jù)相應(yīng)擴(kuò)展原則發(fā)展而來的范圍擴(kuò)展技術(shù)可以增大Small Cell覆蓋，使其能接入更多的終端。常用的就是小區(qū)擴(kuò)展技術(shù)(Cell Range Extension，CRE)。

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基站有多種類型，不同類型基站的發(fā)射功率差別比較大。為了讓更多的終端可以選擇低功率的Small Cell通信，減緩小區(qū)內(nèi)負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，系統(tǒng)引入了CRE小區(qū)擴(kuò)展機(jī)制。這里以Picocell和宏蜂窩為例，其公式表示為(1)。

式中，當(dāng)終端接收到宏蜂窩基站發(fā)射過來的信號(hào)時(shí)，bias_i＝0；當(dāng)終端接收到Picocell基站發(fā)射過來的信號(hào)時(shí)，bias_i＞0。該方法能夠降低接入Small Cell的門檻，使得Small Cell覆蓋范圍變大，將其周邊更多終端納入到自己的覆蓋范圍之內(nèi)，如圖3所示。

圖3中Small Cell虛線與實(shí)線之間的區(qū)域就是添加bias而擴(kuò)大的覆蓋區(qū)域，即CRE區(qū)域。此機(jī)制再與增強(qiáng)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(Inter Cell Interference Coordination,ICIC)技術(shù)相配合，就可以達(dá)到降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)性能的目的。

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多載波通信系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有M個(gè)獨(dú)立且相互平行的高斯信道，系統(tǒng)噪聲功率依次是由香農(nóng)信道容量公式可以求得M個(gè)信道的總?cè)萘坑霉?2)表示：

式中，p_i表示第i個(gè)信道的信號(hào)功率。

如果系統(tǒng)總的發(fā)射信號(hào)功率受限，即使用拉格朗日乘子法使系統(tǒng)容量可以得到最大值，由此得出：

p_i＝(λ-N_i)⁺ (3)

式中λ為不定乘子，要滿足：

由此得到M個(gè)信道的總?cè)萘坑霉?5)表示：

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多用戶通信系統(tǒng)，為使其明確具體是哪一個(gè)終端發(fā)送的信號(hào)，該系統(tǒng)采用的多址技術(shù)是正交頻分多址(Orthogonal Frequency Multiple Access,OFDMA)技術(shù)。該技術(shù)將正交頻分復(fù)用和頻分多址兩種技術(shù)相結(jié)合，把傳輸帶寬劃分成為相互之間沒有疊加并且正交的一系列子載波集，給各終端分配不一樣的子載波集，以此實(shí)現(xiàn)終端多址。終端通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)共享頻帶資源，達(dá)到優(yōu)化使用無線資源的目的。

在LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)中心宏蜂窩小區(qū)，覆蓋范圍是半徑為r的圓形小區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)布置有N_s個(gè)同信道的Small Cell和N_u個(gè)用戶。U_n代表第n個(gè)小區(qū)的用戶集合，其中0≤n≤N_s。系統(tǒng)總帶寬B可以分為M個(gè)子信道。該系統(tǒng)總的發(fā)射功率可以表示成由N_s+1個(gè)小區(qū)域構(gòu)成。第n個(gè)小區(qū)的發(fā)射功率可以表示成式中表示子信道m(xù)的發(fā)送功率。

如果該系統(tǒng)總的發(fā)射功率受限，在第n個(gè)小區(qū)的用戶k占用第m個(gè)子信道時(shí)接收SINR表示為：

式中，σ²為噪聲功率，是在第n個(gè)小區(qū)中用戶k在第m個(gè)子信道上的信道增益。

那么，在第n個(gè)小區(qū)中用戶k在第m個(gè)子信道上的速率可以表示為：

式中，Γ＝-ln(5BER)/1.5是滿足特定BER之下的折算比例。

子信道的分配情況可以用矩陣Aⁿ表示，式中表示為用戶k分配了第m個(gè)子信道，表示沒有為用戶k分配子信道。已知子載波功率分配和信道分配情況，可以利用公式(8)求得第k用戶的總的數(shù)據(jù)速率。

如果以單因素作為判決準(zhǔn)則的話，經(jīng)典的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法有最小路徑損耗與最大接收功率兩種。前一種方法就是終端從所有候選方法里挑選出路徑損耗最小的基站接入。后一種方法則是終端從兩個(gè)或兩個(gè)以上地位相等的候選方法中挑選出接收功率最高的基站。本發(fā)明選擇終端接收信號(hào)功率作為網(wǎng)絡(luò)接入的判決屬性。

原則上來說，系統(tǒng)中Relay只是起中轉(zhuǎn)交換的作用，它需要通過特定無線接口接入到網(wǎng)絡(luò)中。雖然其本質(zhì)還是基站，但在實(shí)現(xiàn)上與真正的還是不太一樣。本發(fā)明將Relay通過無線寬帶接入技術(shù)與核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，使其能夠獨(dú)立為終端提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)。所以，Relay在這里也是Small Cell中一個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明中的Small Cell均采用開放模式，且僅含有一個(gè)低功率基站。小區(qū)也不再進(jìn)行扇區(qū)的劃分，所以小區(qū)與基站的概念是允許替換的。

本發(fā)明主要是對(duì)下行鏈路單小區(qū)多Small Cell多終端的LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)展開的。假定N_u個(gè)終端散落在小區(qū)內(nèi)，在區(qū)域盲點(diǎn)處添加N_s個(gè)Small Cell。

假定第i個(gè)Small Cell的發(fā)送功率為P_si，其值遠(yuǎn)低于宏基站的P_b。終端u從第j個(gè)Small Cell中檢測(cè)到信號(hào)功率可以表示成P_sj|h_u,j|²，從宏基站檢測(cè)到信號(hào)功率表示成P_b|h_u,0|²。其中終端u與第j個(gè)Small Cell之間的信道增益用h_u,j來表示，終端u與宏基站之間的信道增益用h_u,0來表示。

(1)兩種接入選擇方式

傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面對(duì)終端業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，基站與終端之間的通信鏈路通常只存在兩種，分別為宏基站和Small Cell傳輸，因此終端接入方式也只有兩種：基站型和Small Cell型。系統(tǒng)會(huì)按照相應(yīng)的選網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來決定終端是接入宏基站還是Small Cell來完成通信。

(2)傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇過程

傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇的判定步驟如圖4所示。

第一步，判定是否為基站型終端。此時(shí)需要遍歷區(qū)域內(nèi)全部基站，比較終端從各基站接收信號(hào)功率值的大小。若對(duì)于每一個(gè)編號(hào)為j的Small Cell，都存在不等式(9)。此時(shí)，終端u只會(huì)接入宏基站完成通信業(yè)務(wù)，不會(huì)接入Small Cell。

P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|² (9)

式(9)表示終端u從宏基站接收到信號(hào)功率高于從任何一個(gè)Small Cell中得到的。

第二步，如果在遍歷基站的過程中，出現(xiàn)不等式(9)不成立，這說明該區(qū)域內(nèi)部至少存在一個(gè)Small Cell節(jié)點(diǎn)滿足不等式(10)。此時(shí)，仍要比較剩余Small Cell，找到滿足等式(11)，編號(hào)為j^*的Small Cell。

P_b|h_u,0|²＜P_sj|h_u,j|² (10)

{j^*}＝argmax{P_sj|h_u,j|²} (11)

第三步，終端u會(huì)接入編號(hào)為j^*的Small Cell。此時(shí)，終端被歸為Small Cell型。

(3)傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法的不足

第一，該方法容易造成系統(tǒng)資源使用不充分。例如，終端根據(jù)式(10)判定為Small Cell型，但此時(shí)Small Cell不能夠?yàn)榻K端提供足夠的資源保證，而宏基站資源豐富。按照該方法，終端無法選擇資源充足的宏基站協(xié)作完成接入，造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

第二，該方法對(duì)用戶或是業(yè)務(wù)沒有區(qū)分。例如，高級(jí)用戶發(fā)起接入或是區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)緊急業(yè)務(wù)，該方法都沒有應(yīng)對(duì)措施。

第三，針對(duì)LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來說，系統(tǒng)采用的是OFDMA多址接入技術(shù)，可以將小區(qū)內(nèi)終端的業(yè)務(wù)分配給互相正交的子載波。這樣做雖然抑制了小區(qū)內(nèi)終端的多址干擾，但限制了某些用戶的SINR，通信質(zhì)量不能保證。

針對(duì)傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的三點(diǎn)不足，本發(fā)明提出一種加入?yún)f(xié)作的改進(jìn)方法。

(1)三種接入選擇方式

本發(fā)明將協(xié)作接入添加到系統(tǒng)中，部分終端在接入時(shí)能夠同時(shí)選擇兩種制式，即基站與Small Cell協(xié)作接入。此時(shí)基站和終端通信劃分成三種：直接基站傳輸，直接Small Cell傳輸，Small Cell與基站協(xié)作傳輸，如圖5所示。協(xié)作傳輸可能更多發(fā)生在Small Cell擴(kuò)展范圍內(nèi)，因終端從Small Cell中得到的SINR不夠大，未能達(dá)到終端要求的速率甚至基本呼叫標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)就需要兩種制式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作完成接入。這一改進(jìn)不僅可以將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)變成有用信號(hào)，還有利于保證終端通信質(zhì)量，提升系統(tǒng)性能。為了滿足相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)相應(yīng)的判決準(zhǔn)則為終端選擇最佳的方式接入。

(2)協(xié)作接入方法中涉及到的參數(shù)

1)終端等級(jí)

終端等級(jí)用λ表示，λ∈{1,2}，λ＝1表示該終端為高級(jí)用戶，λ＝2表示該終端為普通用戶。

2)剩余帶寬

宏基站的剩余帶寬用B₀，Small Cell的剩余帶寬為B_i，1≤i≤N_s。其中i表示Small Cell的編號(hào)。

3)SINR

LTE-A系統(tǒng)可以采用一系列抗干擾技術(shù)，將系統(tǒng)內(nèi)的噪聲處理為白噪聲，如干擾隨機(jī)化技術(shù)。假定該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)總的系統(tǒng)帶寬為B，加性高斯白噪聲滿足n～CN(0,δ²)。系統(tǒng)中采用的是衰落極為平緩的信道，即慢頻率選擇性衰落，使其能夠在一個(gè)發(fā)送時(shí)隙(Transmission Time Interval,TTI)內(nèi)維持各子載波信道增益h穩(wěn)定為常數(shù)。在此情況下，下行鏈路中基站型會(huì)受到跨層干擾，而Small Cell型以及協(xié)作型終端都會(huì)受到同層干擾和跨層干擾，由此得到SINR表達(dá)式分別為(12)、(13)和(14)。

式中u＝1,2,…,N_u；j＝1,2,…,N_s。σ²為噪聲功率，SINR_u,0即是基站型的信號(hào)與干擾噪聲比，SINR_u,j則是Small Cell型的信號(hào)與干擾噪聲比，SINR_u,0,j則是協(xié)作型的信號(hào)與干擾噪聲比。

為滿足終端基本通信的需求，在這里設(shè)定SINR的閥值大小為α，α可以根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求選定，不宜過大或過小。如果該值取得過大，那么更多的用戶由Small Cell型變成協(xié)作型。協(xié)作傳輸帶來的增益小于基站和Small Cell同時(shí)工作所需的能耗和帶來的干擾，系統(tǒng)吞吐量因此會(huì)降低。如果該值取得過小，即使用戶SINR比較小，也不會(huì)選擇協(xié)作，這時(shí)為了保障低SINR的用戶體驗(yàn)，需要消耗額外的Small Cell的無線資源，此時(shí)系統(tǒng)吞吐量也會(huì)減小。

4)下行通信的信道容量

為了與傳統(tǒng)LTE-A系統(tǒng)的容量相區(qū)分，將終端容量依照三種選擇類型單獨(dú)計(jì)算，結(jié)合已經(jīng)計(jì)算出的SINR值，利用香農(nóng)容量公式就可以得到各終端在單位帶寬上能實(shí)現(xiàn)的速率?；拘汀mall Cell型、協(xié)作型終端下行通信的信道容量計(jì)算公式分別為(15)、(16)和(17)。

R_u,0＝log(1+SINR_u,0) (15)

R_u,j＝log(1+SINR_u,j) (16)

R_u,0,j＝log(1+SINR_u,0,j) (17)

5)接入優(yōu)先級(jí)模型

對(duì)于總帶寬受限的系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)終端數(shù)目過多或是在一定區(qū)域內(nèi)終端較為密集，此時(shí)各終端發(fā)起請(qǐng)求時(shí)不可能一次性全部且同步接入。因此，需要考慮終端發(fā)起接入的時(shí)間、用戶等級(jí)和數(shù)據(jù)速率，建立相應(yīng)的接入優(yōu)先級(jí)模型D_j。

D_j＝{r_a,r_b,…,r_l} (18)

式中，r_a表示終端a的數(shù)據(jù)速率，a表示終端序號(hào)，j表示候選網(wǎng)絡(luò)序號(hào)。

D_j的長(zhǎng)度由τ來決定。τ要小于信道相干時(shí)間。每個(gè)終端在進(jìn)入D_j后就會(huì)開啟相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，用t_i表示第i個(gè)終端在D_j中的等待時(shí)間。若t_i＞τ，該候選網(wǎng)絡(luò)會(huì)拒絕第i個(gè)終端的接入請(qǐng)求。若t_i≤τ，該終端會(huì)繼續(xù)等待。因?yàn)棣耍?表示該終端為高級(jí)用戶，λ＝2表示該終端為普通用戶，D_j采用先進(jìn)先出的隊(duì)列模式，對(duì)于同一時(shí)間發(fā)起接入請(qǐng)求的終端先按照λ的級(jí)別判斷，再按照r_i的大小先后進(jìn)入D_j。在系統(tǒng)總的發(fā)射功率受到限制的情況下，這樣也可以提高系統(tǒng)的吞吐量。所以第j個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇D_j中的隊(duì)首元素進(jìn)行接入，直到隊(duì)列為空或是該網(wǎng)絡(luò)資源分配完畢。

(3)協(xié)作接入方法的判決過程

單個(gè)終端發(fā)起接入請(qǐng)求時(shí)，協(xié)作接入方法的判決過程，如圖6所示。

第一步，終端需要判定是否為基站型。若式(9)成立，終端是基站型，終端直接接入宏基站。若公式(9)不成立，終端進(jìn)入第二步判斷。

第二步，終端需要根據(jù)公式(11)找到編號(hào)為j^*的最佳Small Cell節(jié)點(diǎn)。

第三步，終端需要依據(jù)B₀、和SINR繼續(xù)做抉擇。若式(19)成立。此時(shí)判定終端u為Small Cell型，終端直接接入Small Cell。若式(19)不成立。此時(shí)判定終端u為協(xié)作型，終端就直接選擇基站與編號(hào)為j^*的Small Cell協(xié)作接入。

當(dāng)然，各個(gè)終端實(shí)際接收到的功率只有滿足最低接收功率值，才能真正接入到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)有效的通信，完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)。

當(dāng)引入多個(gè)Small Cell相互協(xié)作為終端接入服務(wù)時(shí)，這種場(chǎng)景主要出現(xiàn)在Small Cell較為密集的小區(qū)。單個(gè)終端發(fā)起接入請(qǐng)求時(shí)，具體步驟如下。

第一步，終端需要判定是否為基站型。

第二步，終端需要根據(jù)公式(10)判定是否為Small Cell型，再使用公式(11)找到編號(hào)為j^*的最佳Small Cell節(jié)點(diǎn)，在此過程中建立以接收功率大小排序的隊(duì)列

第三步，終端需要依據(jù)依據(jù)B₀、B_k和SINR繼續(xù)做抉擇。若式(19)成立。

此時(shí)判定終端u為Small Cell型，終端直接接入Small Cell。若式(19)不成立，會(huì)出現(xiàn)兩種情況。

P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|² (20)

若式(20)成立，和B_k充足，終端就直接選擇編號(hào)為j*和k的Small Cell協(xié)作接入。若式(20)不成立，和B₀充足，終端就直接選擇基站與Small Cell協(xié)作接入。

當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)Small Cell協(xié)作進(jìn)行通信時(shí)，終端u對(duì)應(yīng)的SINR和速率分別是

R_u,j,k＝log(1+SINR_u,j,k) (22)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明效果，本發(fā)明通過MATLAB軟件對(duì)改進(jìn)方法進(jìn)行相關(guān)性能的仿真和分析。

改進(jìn)方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在各基站之間協(xié)作完成終端的接入。這里僅考慮基站和Small Cell協(xié)作接入這一種情況。仿真場(chǎng)景為單小區(qū)多Small Cell多終端的下行鏈路，其中每個(gè)Small Cell中只包含一個(gè)Microcell。LTE-A異構(gòu)通信系統(tǒng)采用TD-LTE模式，宏基站位于半徑為r＝2000m圓形小區(qū)的圓心，工作在F頻段(1880M—1920M)，發(fā)射功率為46dBm。假定每個(gè)低功率Microcell工作的載波頻率和發(fā)射功率都相同，它們分別為2.4GHz和30dBm，且全部分布在小區(qū)信號(hào)覆蓋薄弱的邊緣區(qū)域。宏基站陰影衰落是8dB，Small Cell陰影衰落是6dB。終端與宏基站之間的大尺度衰落模型為128.1+37.6log10(x)，終端與Small Cell對(duì)應(yīng)的大尺度衰落模型為140.7+36.7log10(x)，表達(dá)式中x代表終端與對(duì)應(yīng)基站的距離長(zhǎng)短，單位為km。系統(tǒng)帶寬為10MHz，子載波共有600個(gè)，它們的間隔為15KHz，平均分配給各個(gè)終端。高斯白噪聲功率為σ²＝-174dBm/Hz，接收機(jī)的靈敏度為-100dBm。通信系統(tǒng)總功率受到限制，采用最佳的功率分配方式。

假定10個(gè)Small Cell均勻散落在以宏基站為圓心半徑為0.75r的圓周上，終端隨機(jī)且均勻散落在圓形區(qū)域內(nèi)，λ＝2。不斷增加終端數(shù)目，得到改進(jìn)方法和傳統(tǒng)無協(xié)作方法的仿真圖3-7。

由圖7可知，改進(jìn)方法的系統(tǒng)吞吐量高于傳統(tǒng)無協(xié)作方法，特別是在終端數(shù)目不斷增多的情況下，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。這主要是因?yàn)樵赟mall Cell中受到干擾較為嚴(yán)重的終端，它們可以通過和宏基站的協(xié)作完成接入，增加了有效的終端數(shù)目，所以改進(jìn)方法優(yōu)于傳統(tǒng)。Small Cell的出現(xiàn)使得處于原小區(qū)盲點(diǎn)范圍內(nèi)的終端可以接入，隨著終端數(shù)目不斷增多，其有效終端也在增多，兩種方法的系統(tǒng)吞吐量曲線都是單調(diào)遞增的。當(dāng)終端數(shù)目小于10時(shí)，終端數(shù)目不多，所以兩種方法的系統(tǒng)吞吐量都不是很大。但隨著終端數(shù)目不斷增加，兩種方法系統(tǒng)吞吐量都開始急劇增長(zhǎng)。但當(dāng)終端數(shù)目大約超過100之后，兩曲線的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)都趨于緩慢。這主要是因?yàn)樾^(qū)內(nèi)系統(tǒng)資源有限，而過多的終端占用了大部分資源，又或是這一時(shí)刻請(qǐng)求接入的終端數(shù)目較多，使得部分終端進(jìn)入排隊(duì)模型D_j，處于等待狀態(tài)，不能一次性將它們?nèi)拷尤氲较鄳?yīng)的網(wǎng)絡(luò)中。改進(jìn)方法有利于增強(qiáng)小區(qū)邊緣盲點(diǎn)終端或是受到干擾較為嚴(yán)重終端的接入，這主要是通過提升接收信號(hào)功率實(shí)現(xiàn)的。

假定終端數(shù)目固定，值為100，λ＝2。Small Cell仍均勻散落在以宏基站為圓心且半徑0.75r的圓周上，不斷改變其數(shù)目，得到改進(jìn)方法和傳統(tǒng)無協(xié)作方法的仿真圖3-8。

由圖8可知，改進(jìn)方法的系統(tǒng)吞吐量高于傳統(tǒng)無協(xié)作方法，特別是在Small Cell數(shù)目不斷增多的情況下，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。兩種方法的增長(zhǎng)均屬于階梯型增長(zhǎng)。在Small Cell數(shù)目較少的時(shí)候，兩者系統(tǒng)吞吐量的差別不大且值都很小。這主要是因?yàn)镾mall Cell沒有將小區(qū)信號(hào)較弱的區(qū)域全部覆蓋，導(dǎo)致很多處于邊緣的終端因其信號(hào)接收功率都比較低，被系統(tǒng)拒絕接入，所以其值小。另外，大多數(shù)終端在此時(shí)會(huì)選擇直接接入宏基站，或是直接接入Small Cell中，因此協(xié)作終端較少，故兩者曲線的差別不大。但隨著Small Cell數(shù)目不斷增多，處于邊緣的終端獲得了足夠的接收功率，協(xié)作終端也在不斷增多，因此有效的終端通信跟著增多，兩者的吞吐量就會(huì)增長(zhǎng)且改進(jìn)方法優(yōu)于傳統(tǒng)無協(xié)作方法。所以不考慮小區(qū)自身干擾、小區(qū)之間干擾、基站建設(shè)費(fèi)用的前提下，增加區(qū)域內(nèi)Small Cell的數(shù)目，就有利于系統(tǒng)性能的提升和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的增長(zhǎng)。

假定小區(qū)內(nèi)終端隨機(jī)且均勻散落，數(shù)目固定為100，λ＝2。Small Cell的數(shù)目固定為10，不斷改變其位置，將其均勻置于以宏基站為圓心，半徑分別為0.75r、0.80r、0.85r和0.90r的圓周上，其位置分布圖如圖9所示。依次改變Small Cell的位置，仿真改進(jìn)方法和傳統(tǒng)無協(xié)作的方法得到圖10。

由圖10可知，Small Cell在同一位置時(shí)，改進(jìn)方法的系統(tǒng)吞吐量略大于傳統(tǒng)無協(xié)作的方法，這主要是因?yàn)閰f(xié)作接入的出現(xiàn)，增加了部分終端的有效接入。Small Cell位于0.75r的圓周時(shí)，系統(tǒng)吞吐量最大，因?yàn)榇藭r(shí)各基站內(nèi)有效終端數(shù)目較多。隨著Small Cell的位置不斷向小區(qū)邊際移動(dòng)，系統(tǒng)的吞吐量出現(xiàn)了先減少再增加又減少的情況。這主要是與終端的分布有關(guān)，使得Small Cell區(qū)域內(nèi)接入的Small Cell型終端和協(xié)作型終端的數(shù)目不同，會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)吞吐量。就當(dāng)前的終端分布來說，Small Cell布置在以宏基站為圓心，半徑0.75r的圓周上更加合適。

因此，單小區(qū)內(nèi)的終端數(shù)目、Small Cell數(shù)目及它們各自的位置都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，在實(shí)際場(chǎng)景中只有明確該小區(qū)內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)和其他環(huán)境信息之后，才能夠分配適當(dāng)數(shù)目的基站，并合理布置基站的位置，實(shí)現(xiàn)最大化利用小區(qū)內(nèi)部系統(tǒng)資源的目標(biāo)。