固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度算法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010443733.8 (22)申请日 2020.05.22 (71)申请人 海南大学 地址 570228 海南省海口市人民大道58号 (72)发明人 李晖张弛王力杰程杰 (74)专利代理机构 成都东恒知盛知识产权代理 事 务 所( 特 殊 普 通 合 伙 ) 51304 代理人 何健雄廖祥文 (51)Int.Cl. H04W 24/02(2009.01) H04W 72/12(2009.01) (54)发明名称 一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存 时的协作调度算法 (。

2、57)摘要 本发明公开了一种固定卫星服务系统与5G 蜂窝网络共存时的协作调度算法， 本发明5G移动 通信网将为用户提供更高的数据速率， 但是5G系 统的大带宽所在的频段为毫米波频段， 例如17 30GHz频段； 这个频段目前被分配给地面固定卫 星服务(FSS， Fixedsatelliteservice)使用和 蜂窝网络的回程线路。 分析了移动服务和FSS共 存情况下的毫米波情况下， 研究一种基于博弈理 论框架的协作调度算法， 提出的方法满足FSS要 求的干扰功率、 同时具有较好的频谱效率。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 111615127 A 2020.09.01 CN 111。

3、615127 A 1.一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度算法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 第一步： 最大速率， 首先最大化用户UE的速率、 考虑平均频谱效率， 在第一个可用性函 数中考虑到的因素包括： 特定用户的接收功率、 蜂窝间干扰； 定义参与者i采用策略si的可 用性函数为 其中j为基站i采用策略si时被调度的用户， pji为参与者i发射给用户j的信号功率； 上 式中右侧有三项： 第一项为用户j接收信号的功率， 第二次项为对j的蜂窝间的干扰， 第三项 为基站i发送给其覆盖范围内的第m(mj)用户的信号， 同时产生的对用户j的干扰； 第二步： 最小干涉， 目的是最小化F。

4、SS的干扰功率； 这一步的可用性函数定义为 其中， (I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数， 它可以定义为 其中， Ib为基站BS对FSS的干扰， N为噪声功率； 定义 (I/N)的目的是惩罚那些对FSS造成 严重干扰的BS， 而当FSS干扰功率低于门限要求时、 为用户提供更加灵活的选择方案， 有 其中， 为了控制FSS的干扰功率， 设定(I/N)0-10dB为一个固定门限值， 第三步： 线性组合， 联合考虑用户和FSS地面站的需求， 将步骤一和二线性组合起来进 行优化； 定义可用性函数为 其中， 为一个调节系数。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111615127 A 2 一种固。

5、定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度算法 技术领域 0001 本发明涉及5G蜂窝网络技术领域， 尤其涉及一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络 共存时的协作调度算法。 背景技术 0002 目前， 卫星通信与5G网络一体化进程的重要一步时毫米波的应用， 毫米波的应用 为大规模天线阵列和对抗路径损耗提供了可能。 1730GHz频段是未来无线网络的一个主 要备选的频段， 目前该频段有些子频段已经被分配给某些地面固定业务和卫星固定业务 (FSS， Fixed satellite service)使用， 如分配给FSS上行链路(从FSS地面站到卫星)的频 段为27.530GHz、 下行链路(从卫星到。

6、FSS地面站)的频段为17.321GHz。 因此分析地面蜂 窝系统和FSS共存时两者之间的相互影响尤为重要， 因为共享的频段会严重影响卫星系统 性能。 0003 研究了不同参数影响下FSS与地面蜂窝系统共存情况下一种资源调度算法， 基站 (BS， Base station)兼顾频谱效率和FSS干扰和噪声功率， 并采用该算法分配和调度频谱资 源。 算法包含三个步骤： 首先最大化系统吞吐量， 然后使FSS干扰最小化， 最后两者联合迭代 优化。 仿真结果显示本算法能够在满足系统干扰功率的前提下获得较大的频谱效率。 发明内容 0004 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种固定卫星服务系统与5G。

7、蜂窝 网络共存时的协作调度算法。 0005 本发明通过以下技术方案来实现上述目的： 0006 本发明包括以下步骤： 0007 第一步： 最大速率， 首先最大化用户UE的速率、 考虑平均频谱效率， 在第一个可用 性函数中考虑到的因素包括： 特定用户的接收功率、 蜂窝间干扰； 定义参与者i采用策略si 的可用性函数为 0008 0009 其中j为基站i采用策略si时被调度的用户， pji为参与者i发射给用户j的信号功 率； 上式中右侧有三项： 第一项为用户j接收信号的功率， 第二次项为对j的蜂窝间的干扰， 第三项为基站i发送给其覆盖范围内的第m(mj)用户的信号， 同时产生的对用户j的干扰； 00。

8、10 第二步： 最小干涉， 目的是最小化FSS的干扰功率； 这一步的可用性函数定义为 0011 0012 其中， (I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数， 它可以定义为 0013 说明书 1/7 页 3 CN 111615127 A 3 0014 其中， Ib为基站BS对FSS的干扰， N为噪声功率； 定义 (I/N)的目的是惩罚那些对 FSS造成严重干扰的BS， 而当FSS干扰功率低于门限要求时、 为用户提供更加灵活的选择方 案， 有 0015 0016 其中， 为了控制FSS的干扰功率， 设定(I/N)0-10dB为一个固定门限值， 0017 第三步： 线性组合， 联合考虑用户和。

9、FSS地面站的需求， 将步骤一和二线性组合起 来进行优化； 定义可用性函数为 0018 0019 其中， 为一个调节系数。 0020 本发明的有益效果在于： 0021 本发明是一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度算法， 与现有技 术相比， 本发明5G移动通信网将为用户提供更高的数据速率， 但是5G系统的大带宽所在的 频段为毫米波频段， 例如1730GHz频段； 这个频段目前被分配给地面固定卫星服务(FSS， Fixed satellite service)使用和蜂窝网络的回程线路。 分析了移动服务和FSS共存情况 下的毫米波情况下， 研究一种基于博弈理论框架的协作调度算法， 提出。

10、的方法满足FSS要求 的干扰功率、 同时具有较好的频谱效率。 附图说明 0022 图1是FSS和BS共存场景(三圈BS基站)； 0023 图2是本发明的算法流程图； 0024 图3是I/N随算法迭代次数变化图； 0025 图4是I/N分布函数CDF变化图； 0026 图5是用户UE的频谱效率CDF变化图。 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明作进一步说明： 0028 系统场景如图1所示， 其中FSS系统下行链路频率18GHz， 蜂窝基站BS分布于FSS地 面站四周， BS直接的距离为di、 BS与地面站之间的保护距离为dgi。 蜂窝用户(UE， User equipment)随机分布于。

11、每一个BS覆盖区内， 在每一个时隙基站选择一个用户进行通信服 务。 假定每个BS和UE包含有Nbs和Nue根天线。 定义主要链路为FSS卫星到地面站之间的链路， 次要链路为BS到蜂窝用户UE之间的链路， 因此存在BS到FSS的干扰链路， 见图1。 0029 基站BS对FSS的干扰可以表示为 0030 IbsPbs+Gbs+Gfss( )-L(d) (1) 0031 其中， Pbs为BS发射功率、 Gbs为BS天线增益、 Gfss( )为 方向上FSS天线增益， 其中 为FSS天线主瓣方向和BS天线主瓣方向之间的夹角、 L(d)为FSS和BS之间的路径损耗。 对于 毫米波设定系统中包含M个三个体。

12、， NbsNue信道响应矩阵H表示为 说明书 2/7 页 4 CN 111615127 A 4 0032 0033其中， m为第m条路径的增益、和为均匀分布变量表示第m条路 径下个对于UE和BS的到达角和分离角。 aue和abs代表UE和BS上的天线阵列， 假定其为均匀线 阵， 有 0034 0035 0036 其中， D为阵列天线中阵元之间的距离。 BS天线增益可表示为 0037 GbsGomni+Gbf (5) 0038 其中， Gomni为全向天线增益(没有波束成型技术)、 Gbf为波束成型天线增益(依赖波 束构型)。 假定BS能够根据预先设定的波束成型码书(码书基数为Nt和Nr)、 选。

13、定合理波束构 型， 能够环绕z轴(本地主瓣方向)方向均匀覆盖整个小区。 发射端和接收端的码书由权重向 量v1,.,vNt和w1,.,wNr决定， 码书大小为Nbs和Nue。 每个向量中的元素可计算为via ( i)和其中， i和为第i个发射端毫米波波束与z方向夹角、 第j个接收端毫米 波波束与z方向夹角。 在本文的 “多入-单出” 场景中， FSS天线波束的最大增益为 0039 0040其中vi为BS波束预编码向量、 Hfss为BS和FSS之间的信道响应矩阵。 设为相对于 FSS发射主瓣方向的、 BS所在位置的方位角， 则BS偏离FSS轴线的角度计算为 0041 0042其中， 为FSS的俯仰。

14、角、其中hbs和hfss为BS和FSS天线高度、 r为 有效地球半径8.5103km。 则 0043 0044 其中Gm a x为FSS天线最大 增益。 FSS地面站允许的 干扰功率一般由 ITU (International telecommunication union)给定： 对于短时的干扰， 要求是每个月FSS 系统误码率(BER， Bit error rate)大于10-4的时间不超过0.03、 或者BER大于10-3的时间 不超过0.005； 这些干扰如果利用普通噪声进行衡量， 即I/N(Interference to noise ratio)一般为-2.40dB。 而对于长时干扰。

15、， 要求BER10-6所对应的干扰值I所在时间段 不能超过总时长的20。 0045 3.协作调度算法 0046 本算法的目的是提升BS-FSS共存能力、 在满足FSS系统要求的前提下降低dgi参数。 算法主要思想是协调BS发射功率、 降低FSS基站所受干扰， 同时优化多个BS的平均频谱效 说明书 3/7 页 5 CN 111615127 A 5 率。 BS之间的功率协调利用博弈论实现， 将本文中的场景建模为一个潜在博弈问题， 该问题 的求解可以依赖纳什均衡实现。 这个潜在博弈问题有一个特性， 就是对于每一个参与者来 说， 任何单方面的可用性函数U(si,s-i)的改变， 都对该潜在博弈的一次差。

16、分运算F(s)。 本文 场景首先建模为一个通用的博弈问题B,(Si)iB,(Ui)iB， 其中B为参与者的集合、 参 与者即为BS， 其大小为基站BS的数量； Si1,2,K为参与者i的可做的决策集合； 考虑 到K个用户UE分布于参与者i所覆盖的范围内， 参与者i所能采取的策略包括选择K个用户中 的某一个用户。 对于中的参与者i来说， 可用性函数Ui是参与者i所选策略si、 以及其他参 与者所选策略(记为s-i)的一个函数。 0047 算法中我们假定每一次迭代过程随机选定一个参与者， 迭代过程结束就达到一个 稳定的调度状态。 假定每个一BS了解整个网络参数设置情况、 并用以优化可用性函数， 各。

17、个 信道的状态在算法运行过程中保持稳定。 根据不同的可用性函数， 我们设计了一个三步骤 的混合方法： 首先最大化用户速率、 然后最小化FSS干扰、 最后将两者线性组合， 以达到前文 所述的干扰功率和频谱效率联合优化目的。 0048 第一步： MaxRate(Maximal rate)， 首先最大化用户UE的速率、 考虑平均频谱效率， 在第一个可用性函数中考虑到的因素包括： 特定用户的接收功率、 蜂窝间干扰。 定义参与者 i采用策略si的可用性函数为 0049 0050 其中j为基站(参与者)i采用策略si时被调度的用户， pji为参与者i发射给用户j的 信号功率。 上式中右侧有三项： 第一项为。

18、用户j接收信号的功率， 第二次项为对j的蜂窝间 (如蜂窝b， bi)的干扰， 第三项为基站i发送给其覆盖范围内的第m(mj)用户的信号， 同 时产生的对用户j的干扰。 0051 第二步： MinInt(Minimal interference)， 目的是最小化FSS的干扰功率。 这一步 的可用性函数定义为 0052 0053 其中， (I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数， 它可以定义为 0054 0055 其中， Ib的定义见公式(1)， N为噪声功率。 定义 (I/N)的目的是惩罚那些对FSS造 成严重干扰的BS， 而当FSS干扰功率低于门限要求时、 为用户提供更加灵活的选择方案。

19、， 有 0056 0057 其中， 为了控制FSS的干扰功率， 设定(I/N)0-10dB为一个固定门限值， 0058 第三步： LinComb(Linear combination)， 联合考虑用户和FSS地面站的需求， 将步 骤一和二线性组合起来进行优化。 定义可用性函数为 0059 0060 其中， 为一个调节系数。 算法流程图如图2所示。 说明书 4/7 页 6 CN 111615127 A 6 0061 4.性能分析 0062 仿真参数中设定下行链路带宽500MHz， BS分配的频谱资源在此范围之内。 系统噪 声温度T300K， 单边噪声功率谱密度kbT-143.82dBW/MHz，。

20、 其中kb为玻尔兹曼常数。 我们 假定FSS周围分布了三层的BS、 如图1所示， 每一个BS覆盖范围内有10个用户， 两个BS之间间 距di500m； 其他参数见表1。 0063 表1参数设置 0064 参数数值 载波频率18GHz 下行链路带宽500MHz 基站发射功率30dBm 基站高度20m 基站全向天线增益6dBi 基站间距500m 基站上天线间距 /2 基站波束码书基数16 基站天线数量16 FSS地面站天线主瓣增益42.1dBi FSS天线直径2.4m FSS天线高度2m 仰角10 路径损耗模型61.39+10*2.47log(d) 散射体数量3 噪声温度300K 每个基站的用户数。

21、10 推荐(I/N)0功率电平-10dB 0065 图3表明随着迭代次数的增加， 干扰功率I/N的变化情况。 从图2总可以看出， 如果 仅仅考虑系统用户UE速率最大化， 干扰功率I/N值将维持在比较高的水平(蓝色线)； 而如果 仅仅考虑用户UE对FSS基站的干扰最小化， 干扰功率I/N值将维持在较低的水平(红色线)； 而二者的线性组合优化将使干扰功率I/N值维持在适中的位置(黑色线)。 同时， 线性组合优 化将使I/N值稳定在-10dB左右， 符合表1中的推荐I/N功率电平值。 0066 图4绘制了FSS基站侧干扰功率I/N分布函数(CDF， Cumulative Distribution F。

22、unction)， 数值是1000次蒙特卡罗仿真平均后的结果。 因为没有任何限制， 第一步MaxRate 将使得干扰功率快速超过限制功率电平； 而第二步MinInt将使干扰电平维持低位； 第三步 LinComb使得在不超过的-10dB的限定干扰功率下， 约56的用户得以接入系统。 0067 图5表明用户频谱效率 的变化情况。 如图4所示， 算法第二步MinInt使得用户频率 效率大幅度下降， 而第三步LinComb使得UE频谱效率基本恢复到第一步MaxRate的水平。 图2 4表明算法能够在用户频谱效率和FSS基站干扰功率之间做一个很好的折中， 参数(I/N)0 和 的设置将能够满足蜂窝网络和。

23、FSS系统的共存需求、 减小保护距离dgi、 增大毫米波网络 的覆盖范围。 说明书 5/7 页 7 CN 111615127 A 7 0068 假定FSS地面站周围有Nt-bs圈蜂窝基站， 每一个基站使用天线数量为Na_bs， 有不同 情形下的用户吞吐量的概率分布函数(CDF， Cumulative distributed function)。 表2给出 了Nt-bs4、 di400m、 dgi500m、 5 。 比较了BS采用全向天线、 以及Na_bs8、 16和32的吞 吐量情况。 仿真中需要设定波束成型码书大小等于BS天线数量， 仿真结果表明BS采用波束 成形天线的性能优于采用全向天线，。

24、 进一步BS天线数量的增加、 意味着每个波束变得更窄， 性能也更优。 0069 表2 CDF随着BS天线数量和用户吞吐量变化 0070 0071 0072 表3表明BS之间距离的增大、 即每一圈BS半径的增大， 这有利于抑制BS对FSS地面 站的干扰。 同时表4表明， 保护距离的增大、 即FSS地面站周围不受BS覆盖区域的增大， 有利 于对FSS地面站的干扰抑制。 但当用户的吞吐量比较大时， CDF都趋近于1。 表5表明， FSS地面 站俯仰角越高， 收到地面站辐射干扰越小。 0073 表3 CDF随着蜂窝基站BS距离和用户吞吐量变化 0074 0075 表4 CDF随着保护距离和用户吞吐量变。

25、化 0076 0077 表5 CDF随着FSS仰角和用户吞吐量变化 0078 0079 5.结论 0080 基于潜在博弈算法迭代运算， 提出了一种兼顾蜂窝网络用户接入数量和频谱效 率， 以及与固定卫星服务兼容的协作调度算法。 采用本算法， 共用毫米波频段的蜂窝基站和 FSS地面站可以共存， 地面站受到的干扰功率能够稳定在限定值以下， 并能获得较好的蜂窝 UE频谱效率。 仿真分析表明本算法下， 保护距离增大和基站间距增大有利于减小对FSS地面 站的干扰， 而地面站波束成形天线数量的增加和地面站天线仰角的增大也有利于干扰的消 除。 说明书 6/7 页 8 CN 111615127 A 8 0081。

26、 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。 本行业的技术 人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。 说明书 7/7 页 9 CN 111615127 A 9 图1 图2 说明书附图 1/3 页 10 CN 111615127 A 10 图3 图4 说明书附图 2/3 页 11 CN 111615127 A 11 图5 说明书附图 3/3 页 12 CN 111615127 A 12 。