基于博弈論的LTE基站自優(yōu)化節(jié)能方法研究和試驗(yàn)

李韶英+莊湛海+倪偉彬

【摘 要】利用LTE網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)協(xié)作傳輸（CoMP）技術(shù)，提出了一種基于博弈論的基站自優(yōu)化節(jié)能方法，應(yīng)用該方法可在基站的控制單元增加1個(gè)節(jié)能模塊，此模塊可以通過(guò)X2接口交互小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)信道信息，使得各小區(qū)同頻子載波上的發(fā)射功率相互博弈，以減少干擾最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，提高網(wǎng)絡(luò)容量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試表明，該技術(shù)能夠在保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)降低系統(tǒng)的能耗，為運(yùn)營(yíng)商構(gòu)建綠色節(jié)能的LTE網(wǎng)絡(luò)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信 LTE基站 博弈論 CoMP技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-20-0092-05

Research and Test of Self-Optimizing Energy-Saving Method of LTE Base Station Based on Game Theory

LI Shao-ying1， ZHUANG Zhan-hai1， NI Wei-bin2

（1. Guangdong Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China；

2. Guangzhou YINFU Network Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract] According to coordinated multiple points transmission （CoMP） technology of LTE network， a self-optimizing energy-saving method of base station based on game theory is proposed. The control unit of base station can be added one energy-saving module by using the proposed method. This module can interact channel information with the cells within the cell cluster by X2 interface， which makes the transmit power of the pilot sub-carrier game in order to reduce interference， ultimately to achieve dynamic balance and increase network capacity. The simulation results show that this technology can reduce system power consumption with network throughput guarantee， which provides a reference for operators to build green energy-saving LTE networks.

[Key words]wireless communication LTE base station game theory CoMP technology

1 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有“潮汐效應(yīng)”，話務(wù)的遷徙導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量波峰和波谷差異很大。然而，由于目前的網(wǎng)絡(luò)是按照用戶的最大需求來(lái)設(shè)計(jì)的，因此在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中通常為了達(dá)到更大的容量和更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)會(huì)盡可能地以最大功率發(fā)射，而這樣會(huì)產(chǎn)生較高的能耗，并造成密集基站間的干擾，抬升了整體底噪的同時(shí)降低系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，目前業(yè)界尚無(wú)有效的技術(shù)解決方案，尤其是對(duì)于現(xiàn)階段正在大規(guī)模建設(shè)的LTE網(wǎng)絡(luò)，該問(wèn)題將會(huì)更加突出。

本文利用LTE網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)協(xié)作傳輸（CoMP）技術(shù)，提出了網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)以及小區(qū)發(fā)射功率自我檢測(cè)優(yōu)化的能耗博弈節(jié)能方法，在提升小區(qū)平均吞吐量的同時(shí)降低系統(tǒng)的總體發(fā)射功率。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證了該方法確實(shí)可以在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下降低基站小區(qū)的發(fā)射功率，使LTE網(wǎng)絡(luò)的能耗達(dá)到最優(yōu)。

2 基站自優(yōu)化系統(tǒng)模型研究

LTE基站間協(xié)作一直都是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，在LTE-A中引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)傳輸?shù)腃oMP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LTE基站小區(qū)間的協(xié)作，為博弈論應(yīng)用在通信節(jié)能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

本文提出了一種基于CoMP技術(shù)的LTE基站自優(yōu)化節(jié)能方案，通過(guò)建立基站自優(yōu)化博弈模型，交互小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)的信道信息，協(xié)調(diào)相鄰小區(qū)發(fā)射功率，提高系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)降低系統(tǒng)的整體發(fā)射功率。在此方案中，小區(qū)的服務(wù)質(zhì)量和發(fā)射功率是典型的博弈優(yōu)化問(wèn)題，一方面是保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，另一方面是降低系統(tǒng)的能量消耗。通過(guò)該方案，小區(qū)可以動(dòng)態(tài)地增加、降低在每個(gè)子信道上的發(fā)射功率，最終目標(biāo)是找到每個(gè)子信道上在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下的最低發(fā)射功率。

2.1 博弈理論

博弈論又稱為對(duì)策論，包括參與者（player）、策略（strategies）、收益（payoff）等要素，目標(biāo)是找到各參與者間最優(yōu)的策略選擇以及選擇策略時(shí)的博弈結(jié)果、分析這些結(jié)果的數(shù)學(xué)理論和方法。

本文采用了協(xié)作博弈的思想，博弈的要素包括：博弈參與者是各小區(qū)，策略是子信道上的發(fā)射功率集合，收益是吞吐量。首先引用了凈函數(shù)的概念，凈函數(shù)包括效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)。其中，效用函數(shù)代表一個(gè)小區(qū)的容量，代價(jià)函數(shù)代表需要基站付出的“代價(jià)”。然后模擬最大化多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的總?cè)萘?，最?yōu)化基站能耗的博弈過(guò)程。在該博弈過(guò)程中，每個(gè)小區(qū)的基站獨(dú)立控制本小區(qū)的子信道分配，獨(dú)立地進(jìn)行功率分配，從而最大化本小區(qū)的容量。endprint

2.2 效用函數(shù)

效用函數(shù)是一個(gè)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念，用來(lái)表示消費(fèi)者所獲得的收益與消費(fèi)的商品之間數(shù)量關(guān)系。效用函數(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信的功率控制問(wèn)題中，通常選取用戶的信干比γ和發(fā)射功率P作為參數(shù)。當(dāng)發(fā)射功率P固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是信干比γ的單調(diào)增函數(shù)；當(dāng)信干比γ固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是發(fā)射功率P的單調(diào)減函數(shù)；當(dāng)發(fā)射功率趨于無(wú)窮大時(shí)，效用函數(shù)值為零；當(dāng)發(fā)射功率趨于零時(shí)，效用函數(shù)值為零。因此，能耗博弈的效用函數(shù)表達(dá)式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道的發(fā)送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數(shù)，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價(jià)函數(shù)

小區(qū)簇內(nèi)每個(gè)小區(qū)都試圖最大化自己的效用函數(shù)，從而會(huì)對(duì)小區(qū)簇內(nèi)其他小區(qū)造成影響，因此在博弈過(guò)程中引入了代價(jià)函數(shù)。

代價(jià)函數(shù)是指博弈過(guò)程中每個(gè)小區(qū)在提高自身發(fā)射功率的同時(shí)，需要付出相應(yīng)的“代價(jià)”。引入代價(jià)函數(shù)可對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行限制，以達(dá)到降低系統(tǒng)干擾、增加系統(tǒng)整體收益的目的。代價(jià)函數(shù)定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數(shù)，稱為代價(jià)因子，該代價(jià)與用戶的功率pi，k，m成線性關(guān)系，用戶的發(fā)射功率越高對(duì)其的“懲罰”就越嚴(yán)厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數(shù)為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)各子信道的發(fā)射功率，即把各小區(qū)的發(fā)射功率平均發(fā)給各個(gè)子信道，此時(shí)的子信道發(fā)射功率為P（0）。定義一個(gè)計(jì)算精度t，設(shè)置為0.1，設(shè)置一個(gè)更新次數(shù)n。

（2）各個(gè)小區(qū)的子信道更新自身的發(fā)射功率。對(duì)于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數(shù)Ui，并令其偏導(dǎo)數(shù)為0，從而求出功率值P（n）和凈函數(shù)U（n）。

（3）當(dāng)|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數(shù)Umax（n），認(rèn)為此時(shí)的功率為最優(yōu)功率，否則返回步驟（2）繼續(xù)執(zhí)行。

（4）累加每個(gè)小區(qū)各信道的發(fā)射功率，得出每個(gè)小區(qū)的發(fā)射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節(jié)能模塊實(shí)現(xiàn)方案

基于上文提出的LTE網(wǎng)絡(luò)基站自優(yōu)化的節(jié)能方法，可在基站增加節(jié)能模塊裝置，實(shí)現(xiàn)基站的自優(yōu)化節(jié)能。節(jié)能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時(shí)器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過(guò)定時(shí)器在設(shè)置時(shí)間周期內(nèi)對(duì)網(wǎng)管下達(dá)指令，要求發(fā)送本小區(qū)和小區(qū)簇內(nèi)鄰小區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)包。

（2）信息采集模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)包采集本小區(qū)和相鄰小區(qū)的發(fā)射功率以及路徑損耗等數(shù)據(jù)信息。

（3）SNR處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算小區(qū)的信干比。

（4）功率處理模塊根據(jù)信干比、數(shù)據(jù)信息等數(shù)據(jù)代入凈函數(shù)，循環(huán)進(jìn)行能耗博弈運(yùn)算，最終得到函數(shù)收斂時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，并根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整該基站小區(qū)的發(fā)射功率。

4 實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試

針對(duì)基于博弈論的LTE基站自優(yōu)化節(jié)能方法，筆者在實(shí)驗(yàn)室開展了詳細(xì)的測(cè)試研究工作，主要驗(yàn)證技術(shù)可行性及節(jié)能效果。本文采用的仿真模型：系統(tǒng)帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數(shù)為600個(gè)，假設(shè)每25個(gè)子載波組成1個(gè)子信道，則系統(tǒng)共有24個(gè)子信道，小區(qū)簇內(nèi)每基站3小區(qū)，每小區(qū)均勻分布5個(gè)用戶。仿真參數(shù)具體如表1所示。

圖3為系統(tǒng)模型在不同定價(jià)因子下獲得的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，則代價(jià)函數(shù)為0，此時(shí)系統(tǒng)的凈函數(shù)即為效用函數(shù)，系統(tǒng)的吞吐量為滿功率發(fā)射時(shí)的吞吐量；定價(jià)因子越小，系統(tǒng)干擾就越大，系統(tǒng)吞吐量也越低；反之亦然。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)，該算法與傳統(tǒng)的系統(tǒng)最大功率發(fā)射相比，系統(tǒng)總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價(jià)因子下的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果

在不同定價(jià)因子的情況下，系統(tǒng)的能耗也有差別。圖4為在不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果。當(dāng)定價(jià)因子取值較小時(shí)，系統(tǒng)收斂到一個(gè)較大的功率值；當(dāng)定價(jià)因子取值較大時(shí)，則功率較??；當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，小區(qū)平均功率最大。

圖4 不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果

綜合以上結(jié)果可得到最佳的定價(jià)因子，使得系統(tǒng)的吞吐量和發(fā)射功率達(dá)到博弈的最優(yōu)配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優(yōu)功耗對(duì)比中，最優(yōu)功耗的功率比最高功耗低30%，系統(tǒng)吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時(shí)保證系統(tǒng)的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優(yōu)功耗的系統(tǒng)吞吐量對(duì)比

圖6 最高功耗與最優(yōu)功耗的功率對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用LTE網(wǎng)絡(luò)的CoMP技術(shù)，提出了基于博弈論的自優(yōu)化節(jié)能方案優(yōu)化LTE系統(tǒng)的能耗，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和基站能耗達(dá)到最優(yōu)配置，為運(yùn)營(yíng)商的節(jié)能減排工作提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 喻的雄，蔡躍名，鐘衛(wèi). CDMA系統(tǒng)中一種新的分布式博弈功率控制算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2008，30（2）： 443-446.

[2] 鐘衛(wèi)，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統(tǒng)中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2007，29（8）： 1929-1933.

[3] Boyd S， Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

[4] Fudenberg D， Tirole J. Game Theory[M]. Cambridge， MA： MIT Press， 1991.

[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡(jiǎn)介

李韶英：學(xué)士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)及節(jié)能減排技術(shù)。

莊湛海：學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、接入及節(jié)能減排技術(shù)。

倪偉彬：學(xué)士畢業(yè)于廣東技術(shù)師范學(xué)院，現(xiàn)任職于廣州因孚網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排研究工作。

2.2 效用函數(shù)

效用函數(shù)是一個(gè)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念，用來(lái)表示消費(fèi)者所獲得的收益與消費(fèi)的商品之間數(shù)量關(guān)系。效用函數(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信的功率控制問(wèn)題中，通常選取用戶的信干比γ和發(fā)射功率P作為參數(shù)。當(dāng)發(fā)射功率P固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是信干比γ的單調(diào)增函數(shù)；當(dāng)信干比γ固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是發(fā)射功率P的單調(diào)減函數(shù)；當(dāng)發(fā)射功率趨于無(wú)窮大時(shí)，效用函數(shù)值為零；當(dāng)發(fā)射功率趨于零時(shí)，效用函數(shù)值為零。因此，能耗博弈的效用函數(shù)表達(dá)式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道的發(fā)送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數(shù)，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價(jià)函數(shù)

小區(qū)簇內(nèi)每個(gè)小區(qū)都試圖最大化自己的效用函數(shù)，從而會(huì)對(duì)小區(qū)簇內(nèi)其他小區(qū)造成影響，因此在博弈過(guò)程中引入了代價(jià)函數(shù)。

代價(jià)函數(shù)是指博弈過(guò)程中每個(gè)小區(qū)在提高自身發(fā)射功率的同時(shí)，需要付出相應(yīng)的“代價(jià)”。引入代價(jià)函數(shù)可對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行限制，以達(dá)到降低系統(tǒng)干擾、增加系統(tǒng)整體收益的目的。代價(jià)函數(shù)定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數(shù)，稱為代價(jià)因子，該代價(jià)與用戶的功率pi，k，m成線性關(guān)系，用戶的發(fā)射功率越高對(duì)其的“懲罰”就越嚴(yán)厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數(shù)為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)各子信道的發(fā)射功率，即把各小區(qū)的發(fā)射功率平均發(fā)給各個(gè)子信道，此時(shí)的子信道發(fā)射功率為P（0）。定義一個(gè)計(jì)算精度t，設(shè)置為0.1，設(shè)置一個(gè)更新次數(shù)n。

（2）各個(gè)小區(qū)的子信道更新自身的發(fā)射功率。對(duì)于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數(shù)Ui，并令其偏導(dǎo)數(shù)為0，從而求出功率值P（n）和凈函數(shù)U（n）。

（3）當(dāng)|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數(shù)Umax（n），認(rèn)為此時(shí)的功率為最優(yōu)功率，否則返回步驟（2）繼續(xù)執(zhí)行。

（4）累加每個(gè)小區(qū)各信道的發(fā)射功率，得出每個(gè)小區(qū)的發(fā)射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節(jié)能模塊實(shí)現(xiàn)方案

基于上文提出的LTE網(wǎng)絡(luò)基站自優(yōu)化的節(jié)能方法，可在基站增加節(jié)能模塊裝置，實(shí)現(xiàn)基站的自優(yōu)化節(jié)能。節(jié)能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時(shí)器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過(guò)定時(shí)器在設(shè)置時(shí)間周期內(nèi)對(duì)網(wǎng)管下達(dá)指令，要求發(fā)送本小區(qū)和小區(qū)簇內(nèi)鄰小區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)包。

（2）信息采集模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)包采集本小區(qū)和相鄰小區(qū)的發(fā)射功率以及路徑損耗等數(shù)據(jù)信息。

（3）SNR處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算小區(qū)的信干比。

（4）功率處理模塊根據(jù)信干比、數(shù)據(jù)信息等數(shù)據(jù)代入凈函數(shù)，循環(huán)進(jìn)行能耗博弈運(yùn)算，最終得到函數(shù)收斂時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，并根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整該基站小區(qū)的發(fā)射功率。

4 實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試

針對(duì)基于博弈論的LTE基站自優(yōu)化節(jié)能方法，筆者在實(shí)驗(yàn)室開展了詳細(xì)的測(cè)試研究工作，主要驗(yàn)證技術(shù)可行性及節(jié)能效果。本文采用的仿真模型：系統(tǒng)帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數(shù)為600個(gè)，假設(shè)每25個(gè)子載波組成1個(gè)子信道，則系統(tǒng)共有24個(gè)子信道，小區(qū)簇內(nèi)每基站3小區(qū)，每小區(qū)均勻分布5個(gè)用戶。仿真參數(shù)具體如表1所示。

圖3為系統(tǒng)模型在不同定價(jià)因子下獲得的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，則代價(jià)函數(shù)為0，此時(shí)系統(tǒng)的凈函數(shù)即為效用函數(shù)，系統(tǒng)的吞吐量為滿功率發(fā)射時(shí)的吞吐量；定價(jià)因子越小，系統(tǒng)干擾就越大，系統(tǒng)吞吐量也越低；反之亦然。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)，該算法與傳統(tǒng)的系統(tǒng)最大功率發(fā)射相比，系統(tǒng)總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價(jià)因子下的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果

在不同定價(jià)因子的情況下，系統(tǒng)的能耗也有差別。圖4為在不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果。當(dāng)定價(jià)因子取值較小時(shí)，系統(tǒng)收斂到一個(gè)較大的功率值；當(dāng)定價(jià)因子取值較大時(shí)，則功率較??；當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，小區(qū)平均功率最大。

圖4 不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果

綜合以上結(jié)果可得到最佳的定價(jià)因子，使得系統(tǒng)的吞吐量和發(fā)射功率達(dá)到博弈的最優(yōu)配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優(yōu)功耗對(duì)比中，最優(yōu)功耗的功率比最高功耗低30%，系統(tǒng)吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時(shí)保證系統(tǒng)的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優(yōu)功耗的系統(tǒng)吞吐量對(duì)比

圖6 最高功耗與最優(yōu)功耗的功率對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用LTE網(wǎng)絡(luò)的CoMP技術(shù)，提出了基于博弈論的自優(yōu)化節(jié)能方案優(yōu)化LTE系統(tǒng)的能耗，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和基站能耗達(dá)到最優(yōu)配置，為運(yùn)營(yíng)商的節(jié)能減排工作提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 喻的雄，蔡躍名，鐘衛(wèi). CDMA系統(tǒng)中一種新的分布式博弈功率控制算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2008，30（2）： 443-446.

[2] 鐘衛(wèi)，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統(tǒng)中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2007，29（8）： 1929-1933.

[3] Boyd S， Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

[4] Fudenberg D， Tirole J. Game Theory[M]. Cambridge， MA： MIT Press， 1991.

[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡(jiǎn)介

李韶英：學(xué)士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)及節(jié)能減排技術(shù)。

莊湛海：學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、接入及節(jié)能減排技術(shù)。

倪偉彬：學(xué)士畢業(yè)于廣東技術(shù)師范學(xué)院，現(xiàn)任職于廣州因孚網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排研究工作。

2.2 效用函數(shù)

效用函數(shù)是一個(gè)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念，用來(lái)表示消費(fèi)者所獲得的收益與消費(fèi)的商品之間數(shù)量關(guān)系。效用函數(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信的功率控制問(wèn)題中，通常選取用戶的信干比γ和發(fā)射功率P作為參數(shù)。當(dāng)發(fā)射功率P固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是信干比γ的單調(diào)增函數(shù)；當(dāng)信干比γ固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是發(fā)射功率P的單調(diào)減函數(shù)；當(dāng)發(fā)射功率趨于無(wú)窮大時(shí)，效用函數(shù)值為零；當(dāng)發(fā)射功率趨于零時(shí)，效用函數(shù)值為零。因此，能耗博弈的效用函數(shù)表達(dá)式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個(gè)用戶在第m個(gè)子信道的發(fā)送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數(shù)，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價(jià)函數(shù)

小區(qū)簇內(nèi)每個(gè)小區(qū)都試圖最大化自己的效用函數(shù)，從而會(huì)對(duì)小區(qū)簇內(nèi)其他小區(qū)造成影響，因此在博弈過(guò)程中引入了代價(jià)函數(shù)。

代價(jià)函數(shù)是指博弈過(guò)程中每個(gè)小區(qū)在提高自身發(fā)射功率的同時(shí)，需要付出相應(yīng)的“代價(jià)”。引入代價(jià)函數(shù)可對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行限制，以達(dá)到降低系統(tǒng)干擾、增加系統(tǒng)整體收益的目的。代價(jià)函數(shù)定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數(shù)，稱為代價(jià)因子，該代價(jià)與用戶的功率pi，k，m成線性關(guān)系，用戶的發(fā)射功率越高對(duì)其的“懲罰”就越嚴(yán)厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數(shù)為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)各子信道的發(fā)射功率，即把各小區(qū)的發(fā)射功率平均發(fā)給各個(gè)子信道，此時(shí)的子信道發(fā)射功率為P（0）。定義一個(gè)計(jì)算精度t，設(shè)置為0.1，設(shè)置一個(gè)更新次數(shù)n。

（2）各個(gè)小區(qū)的子信道更新自身的發(fā)射功率。對(duì)于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數(shù)Ui，并令其偏導(dǎo)數(shù)為0，從而求出功率值P（n）和凈函數(shù)U（n）。

（3）當(dāng)|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數(shù)Umax（n），認(rèn)為此時(shí)的功率為最優(yōu)功率，否則返回步驟（2）繼續(xù)執(zhí)行。

（4）累加每個(gè)小區(qū)各信道的發(fā)射功率，得出每個(gè)小區(qū)的發(fā)射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節(jié)能模塊實(shí)現(xiàn)方案

基于上文提出的LTE網(wǎng)絡(luò)基站自優(yōu)化的節(jié)能方法，可在基站增加節(jié)能模塊裝置，實(shí)現(xiàn)基站的自優(yōu)化節(jié)能。節(jié)能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時(shí)器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過(guò)定時(shí)器在設(shè)置時(shí)間周期內(nèi)對(duì)網(wǎng)管下達(dá)指令，要求發(fā)送本小區(qū)和小區(qū)簇內(nèi)鄰小區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)包。

（2）信息采集模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)包采集本小區(qū)和相鄰小區(qū)的發(fā)射功率以及路徑損耗等數(shù)據(jù)信息。

（3）SNR處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算小區(qū)的信干比。

（4）功率處理模塊根據(jù)信干比、數(shù)據(jù)信息等數(shù)據(jù)代入凈函數(shù)，循環(huán)進(jìn)行能耗博弈運(yùn)算，最終得到函數(shù)收斂時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，并根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整該基站小區(qū)的發(fā)射功率。

4 實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試

針對(duì)基于博弈論的LTE基站自優(yōu)化節(jié)能方法，筆者在實(shí)驗(yàn)室開展了詳細(xì)的測(cè)試研究工作，主要驗(yàn)證技術(shù)可行性及節(jié)能效果。本文采用的仿真模型：系統(tǒng)帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數(shù)為600個(gè)，假設(shè)每25個(gè)子載波組成1個(gè)子信道，則系統(tǒng)共有24個(gè)子信道，小區(qū)簇內(nèi)每基站3小區(qū)，每小區(qū)均勻分布5個(gè)用戶。仿真參數(shù)具體如表1所示。

圖3為系統(tǒng)模型在不同定價(jià)因子下獲得的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，則代價(jià)函數(shù)為0，此時(shí)系統(tǒng)的凈函數(shù)即為效用函數(shù)，系統(tǒng)的吞吐量為滿功率發(fā)射時(shí)的吞吐量；定價(jià)因子越小，系統(tǒng)干擾就越大，系統(tǒng)吞吐量也越低；反之亦然。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)，該算法與傳統(tǒng)的系統(tǒng)最大功率發(fā)射相比，系統(tǒng)總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價(jià)因子下的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果

在不同定價(jià)因子的情況下，系統(tǒng)的能耗也有差別。圖4為在不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果。當(dāng)定價(jià)因子取值較小時(shí)，系統(tǒng)收斂到一個(gè)較大的功率值；當(dāng)定價(jià)因子取值較大時(shí)，則功率較小；當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，小區(qū)平均功率最大。

圖4 不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果

綜合以上結(jié)果可得到最佳的定價(jià)因子，使得系統(tǒng)的吞吐量和發(fā)射功率達(dá)到博弈的最優(yōu)配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優(yōu)功耗對(duì)比中，最優(yōu)功耗的功率比最高功耗低30%，系統(tǒng)吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時(shí)保證系統(tǒng)的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優(yōu)功耗的系統(tǒng)吞吐量對(duì)比

圖6 最高功耗與最優(yōu)功耗的功率對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用LTE網(wǎng)絡(luò)的CoMP技術(shù)，提出了基于博弈論的自優(yōu)化節(jié)能方案優(yōu)化LTE系統(tǒng)的能耗，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和基站能耗達(dá)到最優(yōu)配置，為運(yùn)營(yíng)商的節(jié)能減排工作提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 鐘衛(wèi)，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統(tǒng)中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2007，29（8）： 1929-1933.

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[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡(jiǎn)介

李韶英：學(xué)士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)及節(jié)能減排技術(shù)。

莊湛海：學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、接入及節(jié)能減排技術(shù)。

倪偉彬：學(xué)士畢業(yè)于廣東技術(shù)師范學(xué)院，現(xiàn)任職于廣州因孚網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排研究工作。