CN111866915A

CN111866915A - 基于波束传输的非授权频谱共存系统中ed阈值设计方法

Info

Publication number: CN111866915A
Application number: CN202010709570.3A
Authority: CN
Inventors: 曾鸣; 王文欣; 费泽松
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111866915B

Abstract

本发明涉及基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，属于频谱共存技术领域。包括：1)求出每个MT与每个BS间的路径损耗，再求信号功率；2)计算所有“BS‑MT对”的可达数据速率；3)建立异构网络吞吐量优化模型，基于二进制接入决策变量优化吞吐量求出最大的异构网络吞吐量；4)将异构网络吞吐量优化模型转化为等价凸优化模型，并优化至模型收敛，得到收敛解；5)将收敛解连续值映射到二进制值；6)遍历映射的二进制值，求出所有MT处的信号能量强度，获得最佳接收机ED阈值。本方法基于异构网络部署密度设计最佳接收机ED阈值，使得异构网络吞吐量最大化，且异构网络部署的越密集，吞吐量提升效果越明显。

Description

基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法

技术领域

本发明涉及基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，属于频谱共存技术领域。

背景技术

近年来，智能终端数量的快速增长，使得频谱资源的竞争更加激烈。为了满足通信量爆炸式增长的需求，利用非授权频谱是提高通信系统容量的一个很有前途的解决方案，已成为蜂窝网络研究领域的一个热点问题。主要的非授权频段约为2.4GHz、5GHz和60GHz。在2.4GHz左右，非授权频段带宽为90MHz；在5GHz左右，非授权频段带宽为900MHz；在60GHz左右，由于大部分频谱尚未分配，带宽巨大。然而，已经有一些通信系统在这些频带中工作，例如802.11b/g/n工作在2.4GHz，802.11n/ac工作在5GHz，802.11ad/ay(也称为WiGig)工作在60GHz。因此，为了使蜂窝网络利用这些非授权频带，学界提出了占空比机制和LBT(Listen-Before-Talk)机制来解决共存问题。

然而，5G网络使用的是非授权频谱NR-U(New Radio-Unlicensed)，无法基于所提出的LBT技术工作，这是因为用于传输的定向波束引入了更严重的隐藏节点问题，可能无法检测到附近正在进行的传输，隐藏的节点可能会造成干扰。全向LBT是为了解决NR-U系统中的隐藏节点问题而提出的。然而，全向LBT会引起另一个问题，即暴露节点问题，即使从可能不会对预期传输造成有害干扰的方向检测到信号时，也会阻止节点传输。

前述可知，在基于波束的传输情况下，发射机处监听信道可能无法检测到接收机附近的活动，载波感知也就无法再检测到干扰情况。因此，接收机辅助LBT被认为是更好地评估现有干扰的潜在机制。

在现有的接收机辅助LBT机制设计中，通常将接收机侧ED(Energy Detection)阈值设定为固定值。然而，这是不合适的，因为如果阈值设置得太低，频谱复用将受到抑制，异构网络吞吐量也无法显著提高。另一方面，如果阈值设置得太高，不同通信系统间的干扰会增强，同样无法显著提高异构网络吞吐量。因此，寻找一个非授权频谱共存系统中最优的接收机ED阈值，以提高频谱复用效率和异构网络吞吐量，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的接收机辅助LBT机制中将接收机侧ED阈值设定为固定值，无法实现最优异构网络吞吐量的问题，提出了基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，提高频谱复用效率，从而实现异构网络最优吞吐量。

本发明所述的方案如下：

所述非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，依托的异构通信网络基于5G NR和WiGig共存场景，位于60GHz毫米波非授权频段，该网络中的K个“BS-MT对”在非授权频段接入通信，其中，每个“BS-MT对”中的发射基站BS只与对应的接收终端MT通信。

其中，发射基站BS，即Base Station，接收终端MT，即Mobile Terminals；

基于非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，包括以下步骤：

步骤1：遍历BS和MT，先求出每个MT与每个BS之间的路径损耗，再基于该路径损耗求信号功率；

步骤1.1遍历k,j通过公式(1)计算第k个MT与第j个BS间的路径损耗L_k,j：

其中，d_k,j代表第k个MT到第j个BS的距离，单位为米；k,j的取值范围为1到K，α是路径损耗指数，f_c表示载波频率，c为光速；

步骤1.2遍历k,j通过公式(2)计算第k个MT从第j个BS接收到的平均信号功率P_k,j：

其中，L_k,j为步骤1.1中所求路径损耗，P_j表示第j个BS的发射功率，G_r,k表示第k个MT的接收天线主瓣增益，G_t,j表示第j个BS相对于第k个MT方向的发射天线增益，如果第j个BS的发射波束对准第k个MT的接收波束，则G_t,j为主瓣增益，否则G_t,j为旁瓣增益；

步骤2：遍历k，通过公式(3)计算所有“BS-MT对”的可达数据速率：

其中，R_k为“BS-MT对”的可达数据速率，W为带宽，N₀表示噪声功率谱密度；x_k,k为第k个MT和与其对应的第k个BS之间的二进制接入决策变量，x_j,j为第j个MT和与其对应的第j个BS之间的二进制接入决策变量，P_k,k为第k个MT从其对应的第k个BS接收到的平均信号功率，P_k,j为第k个MT从第j个BS接收到的平均信号功率；

其中，

其中，P_th表示MT处的ED阈值，I_k表示第k个MT处接收到的干扰；

步骤3：通过公式(5)建立异构网络吞吐量优化模型，并基于二进制接入决策变优化吞吐量，求出最大的异构网络吞吐量：

步骤4：将步骤3建立的异构网络吞吐量优化模型，基于内逼近框架的单层迭代转化为等价凸优化模型，并进行优化至模型收敛，得到收敛解，具体为：

步骤4.1将二元变量x_k,k松弛为连续决策变量0≤x_k,k≤1；

步骤4.2基于内逼近框架的单层迭代将优化模型(5)转化为公式(6)的等价凸优化模型：

z_k≥N₀W+∑_j≠kx_j,jP_k,j (6e)

其中，t是新引入的吞吐量变量、

是新引入的一阶导变量、

是新引入的第k个MT处接收到的干扰信号变量、

是新引入的第k个MT处接收到的有用信号变量；上标n代表第n次迭代，其初始值为1；

步骤4.3求解凸优化模型(6)，第n次迭代后的解作为第n+1次迭代的初始点进行求解，更新模型(6)的期望值和其他相关变量，直到收敛，得到收敛解；

其中，收敛解，记为x^*，该x^*为一连续值；

步骤5：将步骤4得到的收敛解x^*映射为二进制值，具体为：如果x^* _k≤0.5，则x^* _k＝0；如果x^* _k＞0.5，则x^* _k＝1；

步骤6：遍历步骤5映射的二进制值，求出所有MT处的信号能量强度，获得最佳接收机ED阈值P_th；

其中，MT处的信号能量强度计算公式如下(7)：

P_th,k＝x^* _k(N₀W+I_k) (6)

其中，P_th,k表示第k个MT处的信号能量强度，根据二进制接入决策变量的定义(4)，取所有允许接入的“BS-MT对”中MT处最大的信号能量强度为最佳接收机ED阈值，即取P_th,k中的最大值为最佳接收机ED阈值P_th。

有益效果

本发明提出一种基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

所述方法与现有的接收机辅助LBT机制中将接收机侧ED阈值设定为固定值不同，本方法根据异构网络不同的部署密度，设计不同的最佳接收机ED阈值，使得异构网络吞吐量最大化，并且异构网络部署的越密集，本方法的提升效果越明显。

附图说明

图1为本发明基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法依托的异构网络部署仿真场景；

图2为本发明基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法的流程图；

图3为本发明基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法实现的异构网络吞吐量与基线方式的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法进行详细说明。

实施例1

设定实施例的场景为一个密集的室内网络部署，其中K个BS随机部署在10×10m²的区域内，K取值范围为十几个到几十个，相应的MT随机部署在距离BS4m的圆周上，即

网络部署仿真场景如图1所示。考虑不同BS-MT对之间的路径损耗，BS中心频率f_c＝60Ghz、带宽W＝1Ghz，发射功率

评估了下行传输的性能。对于式(1)中的路径损耗模型，取α＝2，该模型相似于IEEE 802.11ad的路径损耗模型。噪声功率谱密度为N₀＝-174dBm/Hz。每个BS都有一个对准其MT的传输波束，每个MT都有一个对准其BS的接收波束。

基于波束传输的非授权频谱共存系统中接收机ED阈值采用本发明的设计方法，流程图如图2所示，具体操作流程如下：

步骤A：遍历BS和MT，依据式(1),(2)求出每个MT与每个BS之间的路径损耗和每个MT可能从每个BS处接收到的信号功率；

步骤B：根据式(3),(4)计算每个“BS-MT对”的可达数据速率，并定义二进制接入决策变量；

步骤C：根据式(5)得到异构网络吞吐量优化模型；

步骤D：将二元变量x_k,k松弛为连续决策变量0≤x_k,k≤1，通过一种基于内逼近框架的单层迭代转化为等价凸优化模型(6)，并进行优化至模型收敛；

步骤E：将得到的收敛解连续值x^*映射到二进制值；

步骤F：遍历x^*，根据式(7)求出所有MT处的信号能量强度，取最大值即为最佳接收机ED阈值P_th。

从步骤A到步骤F，完成了本实施例一种基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法。

对实施例1基于图2本发明的流程图进行仿真，作为对比的基线方法，任何异构网络部署密度下接收机ED阈值固定为-74dBm，得到不同部署密度的异构网络在信道接入期间的吞吐量，对应图3本发明基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法实现的异构网络吞吐量与基线方式的对比图。

从图3中可以看出，无论异构网络部署稀疏或者密集，基于波束传输的非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法均能提高系统吞吐量，这证明了本发明设计方法的有效性。此外很容易看出，“BS-MT对”数量越多，提升越大，增幅在57.5％-160.5％左右。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入发明保护的范围。

Claims

1.基于非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，其特征在于：包括：

步骤2：计算所有“BS-MT对”的可达数据速率；

其中，W为带宽，N₀表示噪声功率谱密度；x_k,k为第k个MT和与其对应的第k个BS之间的二进制接入决策变量，x_j,j为第j个MT和与其对应的第j个BS之间的二进制接入决策变量，P_k,k为第k个MT从其对应的第k个BS接收到的平均信号功率，P_k,j为第k个MT从第j个BS接收到的平均信号功率；

且

步骤4.1将二元变量x_k,k松弛为连续决策变量0≤x_k,k≤1；

z_k≥N₀W+∑_j≠kx_j,jP_k,j (3e)

其中，t是新引入的吞吐量变量、

是新引入的一阶导变量、

是新引入的第k个MT处接收到的干扰信号变量、

其中，收敛解，记为x^*，该x^*为一连续值；

步骤5：将步骤4得到的收敛解x^*映射为二进制值；

步骤6：遍历映射的二进制值，求出所有MT处的信号能量强度，获得最佳接收机ED阈值P_th；

其中，MT处的信号能量强度计算公式如下(7)：

P_th,k＝x^* _k(N₀W+I_k) (3)

2.根据权利要求1所述的基于非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，其特征在于：步骤1，具体为：步骤1.1遍历k,j通过公式(1)计算第k个MT与第j个BS间的路径损耗L_k,j：

P_k,j＝L_k,jP_jG_r,kG_t,j (5)

其中，L_k,j为步骤1.1中所求路径损耗，P_j表示第j个BS的发射功率，G_r,k表示第k个MT的接收天线主瓣增益，G_t,j表示第j个BS相对于第k个MT方向的发射天线增益，如果第j个BS的发射波束对准第k个MT的接收波束，则G_t,j为主瓣增益，否则G_t,j为旁瓣增益。

3.根据权利要求1所述的基于非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，其特征在于：步骤2，具体为：遍历k，通过公式(3)实现：

其中，R_k为“BS-MT对”的可达数据速率，W为带宽，N₀表示噪声功率谱密度；x_k,k为第k个MT和与其对应的第k个BS之间的二进制接入决策变量，x_j,j为第j个MT和与其对应的第j个BS之间的二进制接入决策变量，P_k,k为第k个MT从其对应的第k个BS接收到的平均信号功率，P_k,j为第k个MT从第j个BS接收到的平均信号功率。

4.根据权利要求1所述的基于非授权频谱共存系统中ED阈值设计方法，其特征在于：步骤5，具体为：如果x^* _k≤0.5，则x^* _k＝0；如果x^* _k＞0.5，则x^* _k＝1。