小小區(qū)基站網(wǎng)絡中能量有效的分布式動態(tài)開關策略

駱 喆，丁 銘，羅漢文

(1．上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240;2．中國夏普研究所，上海201203)

0 引言

由于小小區(qū)技術能有效的增加系統(tǒng)傳輸速率，它被引入了最近的LTE Release 12標準的討論中［1］．小小區(qū)相關技術的研究在最近也吸引了學術界的關注，例如文獻［2－3］．在3GPP(3rd Generation Partnership Project)定義的小小區(qū)場景2a中，小小區(qū)基站使用相同的頻率資源，并且被密集布置在一個區(qū)域．為了減少小小區(qū)間的干擾和節(jié)約能量消耗，動態(tài)開關技術被3GPP所采用，其開關的間隔為1～40 ms．

以前關于小區(qū)開關技術的研究，例如文獻［4－5］，基本上集中在流量均衡方面．這種適用于半靜態(tài)場景的開關技術并不適合3GPP提出的動態(tài)開關場景．本文作者設計了一種新的能量有效的分布式動態(tài)開關策略來優(yōu)化數(shù)據(jù)包速率．數(shù)據(jù)包速率被定義為數(shù)據(jù)包的大小比上傳輸一個數(shù)據(jù)包所需的時間，包括數(shù)據(jù)包在隊列的等待時間．這個指標被廣泛地在ftp傳輸模型中使用［1］．由于小區(qū)開關技術具有節(jié)約能量消耗的特點，本開關策略也考慮了能量有效性．能量有效性反映了系統(tǒng)在單位能耗下的性能指標，文獻［2，4，6］在不同的場景中研究了能量有效性．

1 系統(tǒng)模型

在小小區(qū)網(wǎng)絡中，小小區(qū)基站在熱點區(qū)域被密集地布置，從而形成簇結構．考慮一個下行傳輸?shù)男⌒^(qū)簇，其有M個小小區(qū)基站Bi和N個用戶設備Uj．一個小小區(qū)基站同時只能選擇一個用戶服務，或者處于關閉狀態(tài)．當小小區(qū)基站Bi服務用戶Uj時，其信噪比為:其中γi，j表示Bi到Uj的信道衰落，P是小小區(qū)基站的發(fā)射功率，xk=0或xk=1表示小小區(qū)基站Bk的狀態(tài)為關或開，σj表示用戶Uj的白噪聲與收到的來自其他簇小小區(qū)基站的干擾能量．

在動態(tài)開關策略中，每個小小區(qū)基站Bi在每個開關周期里需要決定其開關狀態(tài)xi和其要服務的用戶Uvi．每個小小區(qū)基站Bi有一個候選用戶集合Ui．由于后臺的時延限制，小小區(qū)基站只知道其候選用戶集合中用戶的瞬時信息．當小小區(qū)基站Bi處于關閉狀態(tài)，則其不消耗能量．不考慮多個小小區(qū)基站之間的協(xié)作．如果一個用戶同時被多個小小區(qū)基站服務，用戶將單獨解碼每個小小區(qū)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)．

2 能量有效的分布式動態(tài)開關策略

本文作者提出了一種在小小區(qū)網(wǎng)絡中能量有效的分布式動態(tài)開關策略，其目標是在兼顧能量消耗下優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包速率．定義小小區(qū)基站Bi的效用函數(shù)為:

其中SINRi，vi如(1)所定義，bj表示在用戶Uj的隊列中所有未傳完的數(shù)據(jù)包的總等待時間，x=［x1，x2，…，xM］表示所有小小區(qū)基站的開關狀態(tài)．在本分布式動態(tài)開關策略中，小小區(qū)基站的目標是通過選取服務用戶vi，使得效用函數(shù)Ri(x，vi)最大化．如果最大的Ri(x，vi)無法達到一個閾值α，則關閉此小小區(qū)基站．然而，由于小小區(qū)基站并不知道其他小小區(qū)基站的信息與最終決策，其效用函數(shù)Ri(x，vi)為一個隨機變量．因此，小小區(qū)基站只能使用Ri(x，vi)的期望作為優(yōu)化目標．優(yōu)化的開關決策x*i與優(yōu)化的服務用戶序號v*i為:的下界，為:

其中Ex表示其他的小小區(qū)基站處于開狀態(tài)的概率．通過替換公式(3)和(4)中的Eγk，j，σj，bj)為這個下界V(xi=1，vi)，得到了一個分布式的低復雜度的動態(tài)開關策略，即解下述問題(6)和(7)．

需要注意的是在此策略中，閾值α的取值會影響小小區(qū)基站的開關概率．大的α導致小小區(qū)基站傾向于關閉，反之小小區(qū)基站傾向于開啟．大的開關概率Ex可以提高數(shù)據(jù)包速率，但會消耗更多的能量．當開關概率Ex(或者閾值α)給定時，對應的閾值α(或者開關概率Ex)可以通過離線仿真或者實際測量得到．通過上層實體配置Ex(或者α)給小小區(qū)基站，小小區(qū)基站得到對應的α(或者Ex)，然后使用(6)和(7)得到分布式?jīng)Q策．

3 仿真對比

為了評估作者提出的能量有效的分布式動態(tài)開關策略，使用了系統(tǒng)級仿真平臺進行驗證．對比了兩個基線方案，包括隨機開關策略和用戶與數(shù)據(jù)包接入策略．在隨機開關策略中，小小區(qū)基站根據(jù)給定概率隨機決定開關狀態(tài)．在用戶與數(shù)據(jù)包接入策略中，如果小小區(qū)基站的候選用戶的隊列非空，則小小區(qū)基站開啟．在這兩個基線策略中，如果小小區(qū)基站開啟，則從候選的隊列非空的用戶中選取傳輸速率最大的用戶進行服務．

系統(tǒng)級仿真場景遵從［1］中的場景2a，仿真系統(tǒng)共有21個小區(qū)，每個小區(qū)有10個小小區(qū)基站與50個用戶．每個用戶的包到達率為0．075包/s(泊松到達)，每個包為0．5 M字節(jié)，傳輸帶寬為1 MHz，小小區(qū)基站發(fā)射功率1 W，開關周期為40 ms，bj的單位為開關周期．對于一個用戶來說，如果一個小小區(qū)基站的信號強度相比其收到最大的小小區(qū)基站信號強度大于－10 dB，則此用戶是那個小小區(qū)基站的候選用戶．上層實體配置的小小區(qū)基站開啟概率為50%，對應的閾值α為12．

圖1 性能對比:數(shù)據(jù)包速率的累積分布函數(shù)

圖2 性能對比:數(shù)據(jù)包速率每單位能量的累積分布函數(shù)

圖1展示了數(shù)據(jù)包速率的累積分布函數(shù)的對比圖，圖2展示了數(shù)據(jù)包速率每單位能量的累積分布函數(shù)的對比圖．從圖1和圖2中可以看出，提出的分布式動態(tài)開關策略相比隨機開關策略和用戶與數(shù)據(jù)包接入策略具有更好的數(shù)據(jù)包速率與數(shù)據(jù)包速率每單位能量．相比隨機開關策略，用戶與數(shù)據(jù)包接入策略具有較好的數(shù)據(jù)包速率，但其需要消耗更多的能量．在能量有效性上隨機開關策略和用戶與數(shù)據(jù)包接入策略具有相似的性能．而提出的分布式動態(tài)開關策略相比用戶與數(shù)據(jù)包接入策略，不僅在數(shù)據(jù)包速率上有輕微的增益，而且只需要消耗很少的能量．仿真結果驗證了提出的策略具有能量有效性，并且可以使數(shù)據(jù)包速率提升．

4 結論

本文作者提出了一種在小小區(qū)基站網(wǎng)絡中新穎的能量有效的分布式動態(tài)開關策略．通過系統(tǒng)級仿真，本算法相比兩種基本算法，在數(shù)據(jù)包速率和單位能量消耗的數(shù)據(jù)包速率上，具有可觀的性能優(yōu)勢．

［1］3GPP．TR 36．872:Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical layer aspects V12．1．0［R/OL］．(2013-12-19)［2014-05-15］．http://www．3gpp．org/ftp/Specs/archive/36_series/36．872/36872-c10．zip．

［2］WILDEMEERSCH M，QUEK T，SLUMP，et al．Cognitive small cell networks:energy efficiency and trade-offs［J］．IEEE Trans on Communications，2013，61(9):4016 －4029．

［3］PANTISANO F，BENNISM，SAAD W，et al．Matching with externalities for context-aware user-cell association in small cell networks:IEEE Proceedings of GLOBECOM［C］．Atlanta:IEEE，2013．

［4］BOUSIA A，KARTSAKLI E，ALONSO L，et al．Dynamic energy efficient distance-aware base station switch on/off scheme for LTE-advanced:IEEE Proceedings of GLOBECOM［C］．California:IEEE，2012:1532 －1537．

［5］SAKER L，ELAYOUBI S，COMBESR，et al．Optimal control of wake up mechanisms of femtocells in heterogeneous networks［J］．IEEE J．Sel．Areas Commun．，2012，30(3):664 － 672．

［6］FENG D，JIANG C，LIM G，et al．A survey of energy-efficient wireless communications［J］．IEEE Communications Surveys＆ Tutorials，2013，15(1):167 －178．