一种基于正交频分多址的异构蜂窝网络的无线回程方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于正交频分多址技术的异构蜂窝网络无线回程方法。
背景技术
在新应用和无线通信快速增长的推动下，市场对网络性能的需求不断增加，要求下一代网络应支持比当前一代网络更高的系统容量，于是第五代(5G)通信系统成为了学术界关注的热点。
在5G网络众多技术中，大规模多输入多输出(MIMO)、异构蜂窝网络(HCN)和全双工(FD)被认为是3种极具潜力的关键技术，其中，大规模MIMO是大规模多用户多入多出传输机制，通过在大规模MIMO基站上配备大量天线，大幅提高了系统的自由度，增强了空间复用和波束赋形增益，为传播信道提供更多自由度；异构蜂窝网是超密集小型小区部署于宏小区之上，以减轻宏小区的负载，扩大覆盖范围，降低了信号发射功率，增加了区域吞吐量；使用全双工技术够在同一信道(或频率或时隙)上实现同时收发信号，能够大幅提高系统容量。
正交频分多址技术可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用，由于不同用户占用互不重叠的子载波集，在理想同步情况下，系统无多户间干扰，即无多址干扰。
因此，全双工技术、大规模MIMO技术、异构蜂窝网络和正交频分多址的有效结合能够发挥各自的优势，并极大提高系统性能，然而，随着小型小区网络的大规模部署，大量的回程数据需要反馈到核心网，回程问题变得日趋重要，尽管传统的有线回程链路以高数据比率有高可靠性，但是在所有小基站之间进行有线连接是不切实际且成本较高的。因此，无线回程链路是一个合适的且有成本效益的解决方法，但有时候小基站不能在相同的频带上与宏基站交换回程，于是，无线回程成为亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于正交频分多址的异构蜂窝网络无线回程方法，以此解决异构蜂窝网络的无线回程问题。
为此，本发明采取以下技术方案：
S1、部署由小小区和宏小区组成的双层异构蜂窝网络，所述小小区部署于宏小区之上，与宏小区共享系统频谱和带宽，同时减轻宏小区负载，提高系统资源利用率，所述小小区由小型基站SBS和用户 UE组成，所述宏小区由宏基站MBS、用户UE和小小区构成，所述小小区和宏小区通信链路均受恶意窃听者Eve窃听，所述小小区通过宏基站MBS连接到上层核心网络，宏基站MBS利用无线回程连接到小小区，所述宏基站MBS和小型基站SBS均以全双工模式工作，进一步地，所述宏基站MBS配备有发送天线和接收天线，所述小型基站SBS和用户UE均配备有单天线；
S2、采用随机几何和空间泊松点过程对双层异构蜂窝网络模型的空间拓扑进行建模，所述宏基站MBS、小型基站SBS、用户UE和窃听者Eve的空间拓扑分别建模为独立的泊松点过程，且位置随机的用户 UE只与一个小型基站SBS级联；
S3、仅考虑宏小区下行链路和小小区上行链路，同时采用带内全双工自回程方案、跳频正交频分多址技术及频率复用技术，所述宏基站MBS采用迫零接收和破零发送，对于小小区中的上行传输链路，小型基站SBS将发送回程数据到其对应的宏基站MBS，同时接收距离最近的用户UE发送来的数据；对于宏小区中的下行传输链路，宏基站 MBS将数据传输到其对应的用户UE，同时接收来自与小型基站SBS的回程数据。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明中研究了具有无源窃听者的带内全双工支持大规模多输入多输出的异构蜂窝网络，通过利用带内回程传输作为干扰信号，增强了网络的安全性能，提高了异构蜂窝网络的保密性能；
2)、本发明提出的异构网络中，在宏基站处使用大规模多输入多输出技术，以进一步增强小区吞吐量，随着宏基站MBS天线数的增加，系统覆盖概率增大，并采用了迫零预处理方案，由于受到了巨大波束赋形增益的影响，在典型的宏基站MBS下行传输链路上的任一用户处接收到的信号与干扰加噪声比得到极大提高；
3)本发明提出的异构网络中，采用跳频正交频分多址技术，在小区内部各用户仍然正交，并可利用频域分集增益，在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的危害，简单而有效地抑制小区间干扰；
4)、本发明提出的异构网络中，在小型基站SBS和宏基站MBS都使用全双工技术，基站收发器在相同的频带上同时发送和接收，因此可实现速率加倍，为了在基站上实现全双工通信，宏基站MBS部署大规模多输入多输出天线阵列，小型基站SBS和用户设备UE均具有单天线；
5)、本发明提出的异构网络将宏小区和小小区用户共享的接入频带用于回传以及接入链路，可以较好地提高频谱效率。
附图说明
图1为本发明异构网络无线回程方法的异构网络模型图；
图2为本发明异构网络无线回程方法的信道传输模型图；
图3为本发明正交频分多址系统发送端结构图；
图4为本发明双向大规模MIMO全双工中继通信系统模型；
图5为本发明异构网络无线回程方法的单用户MIMO传输信道图；
图6为本发明所用带内全双工技术与传统带外全双工技术在安全概率上的对比。
具体实施方式
下面结合附图与实施方法对本发明的技术方案进行相关说明。
本发明设计出一种利用带内全双工、大规模MIMO、正交频分多址技术的异构网络的无线回程方法，对宏基站MBS、小基站SBS、用户UE和窃听者Eve组成的异构无线蜂窝网络的小小区上行链路、回程传输及宏小区下行链路进行详细分析。
如图1所示，考虑一个基于带内全双工技术(IB-FD)的大规模 MIMO双层异构蜂窝网络，其由宏基站MBS、小型基站SBS、用户UE 及一些被动的恶意窃听者Eve组成，且密集的小小区部署于宏小区之上，与宏小区共享系统频谱、带宽等资源，同时减轻宏小区负载，提高系统资源利用率。
如图2所示，在本方法的异构网络中，对于小小区上行链路，任意一个小型基站SBS能够发送回程数据到与其对应的宏基站MBS，同时接收距离最近用户UE以发送的数据；对于宏小区下行链路，任意一个宏基站MBS发送数据到其对应的用户UE，同时接收来自于小型基站SBS的回程数据。
小小区通过宏基站MBS连接到上层核心网络，宏基站MBS利用无线回程连接到小小区，宏基站MBS和小型基站SBS均在全双工模式下运行，且宏基站配备MTx个发送天线和MRx个接收天线，而小型基站和所有用户均配备单天线。
假设一个宏基站MBS能够服务的最大用户数为Nm，最大回程数Nb，且满足min(MTx,MRx)＞＞Nb和min(MTx,MRx)＞＞Nm；宏小区下行和小小区上行传输链路被恶意的窃听者Eve所窃听，窃听者Eve只对信号进行拦截和破译并不对其进行篡改，同时蜂窝网络模型采用正交频分多址技术，以更好的消除小区间干扰，正交频分多址系统发送端结构图如图3所示，用户数据经过串并转换以及调制之后，进行了快速傅里叶变换(FFT)，继而又进行串并转换以及循环扩展。
全双工技术用于使用大规模MIMO技术的基站，会受到自干扰，图4给出了双向大规模MIMO全双工中继通信系统模型，该系统模型包括源节点S1、源节点S2和中继节点R，三个节点均配备多天线，源节点S1发射天线数为
宏基站MBS、小型基站SBS和用户UE同时实现接收和发送信息，且宏基站MBS和小型基站SBS处都使用大规模MIMO技术，如图5所示，通过在多个收发器端口对信号进行相干处理来提高信号功率和链路可靠性，以实现分集增益，使用大规模MIMO技术，可以创建分离的链路，用来传输独立的数据流，为传播信道提供更多的自由度，并实现复用宏基站MBS配备了大规模MIMO天线，并采用了迫零预处理方案，由于受到了巨大波束赋形增益的影响，宏基站MBS下行链路中任一用户UE接收到的信号与干扰加噪声比得到极大提高。
宏基站MBS、小型基站SBS、用户UE和窃听者Eve的空间拓扑分别建模为独立的泊松点过程：ΦM，ΦS，ΦUE和ΦEv，其空间强度分别为λM，λS，λUE和λUv，分别用hab和rab表示任意两个网络节点a和b之间的小规模衰落信道功率增益和距离，且对应的路径损耗为
仅考虑宏小区下行和小小区上行链路，同时采用带内全双工自回程方案、跳频正交频分多址技术及频率复用技术，以使宏小区和小小区用户共享相同的带宽、频谱资源。
对于宏小区下行链路而言，宏小区用户位于原点o，宏基站位于点 x，那么，位于z点处的窃听者接收到的信号与干扰噪声比(SINR)表示为:
在被动窃听者场景下，每一条链路都暴露于所有的窃听者Eve，此时考虑最恶意的窃听者，其拥有最强的干扰噪声比SINR，故任一宏小区下行链路的安全概率表示为：
借助随机几何，可得
同样的方法可得出任一小小区上行链路安全概率为：
接下来计算任一宏小区下行链路的SINR覆盖概率为
任一小小区上行链路的SINR覆盖概率为：
最后，图6对带内全双工(In-band FD)和带外全双工(Out-band FD)2种模式下的系统安全概率做了比较，结果表明，随着强度λS增大，系统安全性能(Secrecyprobability)提高，带内全双工与带外全双工的安全概率间隙减小，在带内全双工模式下的性能要优于带外全双工模式，这是由于带内全双工模式充分利用了回程干扰。
