一種小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署優(yōu)化機(jī)制

趙天呈

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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一種小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署優(yōu)化機(jī)制

趙天呈

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

針對(duì)無定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)可控制特性及基站的抗干擾及能效優(yōu)化的需求，提出一種新的節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)部署機(jī)制。通過對(duì)小區(qū)內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)關(guān)閉或開啟的機(jī)制設(shè)置，系統(tǒng)可以在減少干擾的同時(shí)，增大業(yè)務(wù)吞吐量，提升能效。文章建立了宏小區(qū)中各個(gè)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)節(jié)點(diǎn)的激活、休眠狀態(tài)的切換提出一種優(yōu)化部署策略。在已知每日業(yè)務(wù)流量變化近似正弦曲線的情況下，對(duì)無定形小區(qū)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方法降低了系統(tǒng)干擾，提升了系統(tǒng)吞吐量，且更加節(jié)能。

無定形小區(qū)；干擾管理；能效優(yōu)化

0 引言

傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)對(duì)時(shí)間及頻率的復(fù)用效率較低，已經(jīng)無法滿足飛速增長(zhǎng)的通信需求，而無定形小區(qū)(Amorphous Cell，AC)由于動(dòng)態(tài)分配通信資源的特性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可跟隨業(yè)務(wù)特點(diǎn)靈活變化，在提升節(jié)能效益的同時(shí)，滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求[1-3]。當(dāng)業(yè)務(wù)量增大時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載量增大，AC開啟部分無定形節(jié)點(diǎn)(Amorphous Node，AN)分擔(dān)業(yè)務(wù)量；當(dāng)業(yè)務(wù)量較小時(shí)，系統(tǒng)處于低負(fù)載狀態(tài)，關(guān)閉部分無定形節(jié)點(diǎn)可以減少層間干擾，同時(shí)降低系統(tǒng)耗能[4-6]。無定形節(jié)點(diǎn)的組織分布及智能的狀態(tài)切換，是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前針對(duì)AN狀態(tài)切換的研究目的在于系統(tǒng)資源利用效率的提高。節(jié)點(diǎn)切換為休眠狀態(tài)時(shí)，需要考慮部署基站關(guān)閉的區(qū)域與關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；節(jié)點(diǎn)切換為激活狀態(tài)時(shí)，需要考慮切換時(shí)的耗能、引起的干擾，以及對(duì)小區(qū)業(yè)務(wù)吞吐量增強(qiáng)的效果。文獻(xiàn)[7]提出了狀態(tài)切換機(jī)制，由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控業(yè)務(wù)量，用戶監(jiān)聽周圍節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，以及設(shè)定到達(dá)一定激活量時(shí)全體激活的機(jī)制，該機(jī)制適用于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)。文獻(xiàn)[8]提出了用戶監(jiān)聽鏈路持續(xù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)信號(hào)，由用戶設(shè)備(User Equipment,UE)選擇節(jié)點(diǎn)激活的機(jī)制。該機(jī)制提高了資源利用效率，代價(jià)是其有較高的算法復(fù)雜度，且頻繁的信令交互過程占用較多通信資源。

傳統(tǒng)小區(qū)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的切換部署機(jī)制并不適用于無定形小區(qū)。首先，AN狀態(tài)切換時(shí)占用了系統(tǒng)通信資源，對(duì)業(yè)務(wù)流量有一定影響；其次，AN是否需要激活主要取決于系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域?qū)ω?fù)載的要求，不恰當(dāng)?shù)募せ顚?duì)系統(tǒng)容量提升有限。本文將搭建無定形小區(qū)數(shù)學(xué)模型，研究其中無定形節(jié)點(diǎn)的智能狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略。

1 無定形小區(qū)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)宏小區(qū)下有N個(gè)基站(evolved Node Base，eNB)，每個(gè)eNB負(fù)責(zé)一塊區(qū)域，該eNB用Bi表示，且所有eNB的集合為B。區(qū)域Bi下有Di個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括eNB和AN，且有AN節(jié)點(diǎn)集合D=D1∪D2∪…∪DN。宏小區(qū)內(nèi)所有的AN節(jié)點(diǎn)被劃分為多個(gè)區(qū)域，且在基站覆蓋范圍內(nèi)，每個(gè)AN與一個(gè)eNB通過回傳鏈路連接。設(shè)每個(gè)AN節(jié)點(diǎn)的功率為PA，eNB的功率為PM。小區(qū)模型如圖1所示。

圖1 無定形小區(qū)系統(tǒng)模型

在現(xiàn)實(shí)情況中，小區(qū)中業(yè)務(wù)需求的熱點(diǎn)區(qū)域，隨時(shí)間的推移及小區(qū)中各個(gè)區(qū)域的人流分布，往往呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，本文將以業(yè)務(wù)流量為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。根據(jù)業(yè)務(wù)分布的泊松，假設(shè)λk為平均業(yè)務(wù)到達(dá)率，服務(wù)需求期望為1/μk，則每個(gè)用戶需要流量為：

γk=λk+μk

(1)

該式從側(cè)面反映了用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求。

假設(shè)Ak,i,j代表用戶k選擇的小區(qū)區(qū)域，區(qū)域的選擇由式(2)計(jì)算：

(2)

其中，j=0時(shí)，用戶選擇Bi，j≠0時(shí)，用戶選擇Bi下的一個(gè)AN，hk,i,j表示用戶k與eNBi之間的信道增益。令MUEK代表與eNB連接的用戶K，AUEk代表與AN連接的用戶K。因此MUEK連接產(chǎn)生的信號(hào)與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為:

(3)

令系統(tǒng)帶寬為BW，該MUE接入時(shí)信道容量為：

(4)

AUE接入鏈路時(shí)，有信噪比及信道容量：

(5)

(6)

回傳鏈路時(shí)，有信噪比及信道容量：

(7)

(8)

可以得出ANj下鏈路總傳輸速率為：

(9)

基站i的能耗與接收到的任務(wù)量有關(guān)，可以表示為：

(10)

用τ代表某節(jié)點(diǎn)j接入基站i所需的時(shí)間占基站i連接到用戶終端耗時(shí)的比例。則該節(jié)點(diǎn)j在與用戶設(shè)備通信的過程中的能耗可以表示為：

(11)

連接時(shí)射頻端能耗：

(12)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)，所有能耗為0，即：

(13)

對(duì)無定形節(jié)點(diǎn)部署的優(yōu)化評(píng)估可以用吞吐量代表：

(14)

2 小區(qū)中節(jié)點(diǎn)分層休眠策略

由于無定形小區(qū)中宏基站(Donor eNB,DeNB)覆蓋范圍廣，用戶可以自動(dòng)接入附近的基站，選擇性地休眠基站不會(huì)導(dǎo)致用戶無法通信。同時(shí)，宏基站引起的干擾較普通節(jié)點(diǎn)更大，選擇性休眠宏基站利于系統(tǒng)抗干擾，且更加節(jié)能。所以系統(tǒng)采取優(yōu)先關(guān)閉宏基站的策略。在基站關(guān)閉影響通信的情況下，系統(tǒng)選擇關(guān)閉基站部分節(jié)點(diǎn)。

2.1 宏基站關(guān)閉策略

(15)

(16)

(17)

(18)

為防止同時(shí)關(guān)閉多個(gè)相鄰基站的策略漏洞，引入影響因子Fb，衡量關(guān)閉基站后其他eNB的負(fù)載：

(19)

(20)

每次關(guān)閉基站前，參考此負(fù)載衡量條件。

2.2 AN關(guān)閉策略

無定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署目的是降低周圍基站負(fù)載，擴(kuò)大業(yè)務(wù)吞吐量，消除系統(tǒng)盲點(diǎn)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的開啟不可避免會(huì)引起相鄰節(jié)點(diǎn)與基站之間的干擾問題。此時(shí)需要衡量節(jié)點(diǎn)開啟后提升的業(yè)務(wù)量是否足夠抵消產(chǎn)生的干擾問題。

是否開啟節(jié)點(diǎn)，需要考慮開啟后基站能否處理增加的業(yè)務(wù)量，即節(jié)點(diǎn)y達(dá)到滿足傳輸速率：

(21)

且接入后基站功率滿足：

(22)

2.3 節(jié)點(diǎn)關(guān)閉流程

圖2表示了關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的信令流程。如圖所示，宏基站向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)閉申請(qǐng)，子節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行鄰近基站負(fù)載評(píng)估，評(píng)估完成后，決定是否關(guān)閉宏基站。節(jié)點(diǎn)關(guān)閉的步驟描述如下：

(1)宏基站DeNB提出休眠申請(qǐng)，向用戶端UE和無定形節(jié)點(diǎn)AN發(fā)送次優(yōu)基站；

(2)UE和AN收到轉(zhuǎn)移指令后，計(jì)算轉(zhuǎn)移后的基站和節(jié)點(diǎn)的負(fù)載；

(3)所有目標(biāo)eNB計(jì)算負(fù)載，分別決定是否同意DeNB休眠；

(4)DeNB收到所有相鄰的eNB同意休眠的指令后，控制中心發(fā)送休眠申請(qǐng)及影響因子Fb；

(5)控制中心同意后，DeNB進(jìn)入休眠狀態(tài)，且UE和AN切換接入。

圖2 節(jié)點(diǎn)關(guān)閉流程

3 小區(qū)中節(jié)點(diǎn)開啟策略

無定形小區(qū)具有業(yè)務(wù)量一天內(nèi)起伏波動(dòng)的特性。如果給節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)不變的開啟門限，在系統(tǒng)狀態(tài)不斷波動(dòng)的過程中，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)切換過于頻繁。所以，本文提出閾值的余量系數(shù)KB，將其設(shè)置在0～1之間。即節(jié)點(diǎn)推算出系統(tǒng)負(fù)載在閾值余量范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)激活。余量的要求如下：

(23)

基站判斷為開啟時(shí)，對(duì)余量的要求如下：

PX≥PM+KBPM

(24)

4 仿真與性能分析

對(duì)算法結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，需要得知一個(gè)小區(qū)一天中業(yè)務(wù)量持續(xù)變化的模型，并在此模型的基礎(chǔ)上試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)與基站的狀態(tài)轉(zhuǎn)換對(duì)業(yè)務(wù)的消化量和系統(tǒng)耗能的影響。根據(jù)EARTH項(xiàng)目中的說明，一天中業(yè)務(wù)量的變化可以由一天中激活的用戶數(shù)反應(yīng)[9]。為了方便仿真，將一天中的業(yè)務(wù)量變化近似為一條正弦曲線。在8點(diǎn)左右業(yè)務(wù)量到達(dá)谷底，20點(diǎn)左右業(yè)務(wù)量到達(dá)峰值。

圖3和圖4分別為一天內(nèi)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，小區(qū)經(jīng)過算法優(yōu)化前后，小區(qū)節(jié)點(diǎn)和基站的開啟狀態(tài)情況。令PM=PAN=0.85，KB=0.2。在業(yè)務(wù)量較大時(shí)，選擇關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)。圖中可以看出，算法選擇關(guān)閉基站周圍部分節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)量承擔(dān)有限，同時(shí)引發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的干擾，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，所以對(duì)這些節(jié)點(diǎn)選擇關(guān)閉。

圖3 優(yōu)化前的無定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)部署

圖4 優(yōu)化后的無定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)部署

圖5描述了優(yōu)化前后，單位面積處理的業(yè)務(wù)量與系統(tǒng)消耗能量對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶激活數(shù)量整體較低時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化，系統(tǒng)耗能最高能達(dá)到優(yōu)化前的一半左右。小區(qū)業(yè)務(wù)量上升，系統(tǒng)能耗隨之增加，但仍然低于優(yōu)化前水平。仿真證明了該機(jī)制利于宏小區(qū)系統(tǒng)節(jié)能。

圖5 優(yōu)化前后能耗對(duì)比圖

5 結(jié)束語

本文研究了一種無定形小區(qū)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)切換的優(yōu)化策略。該策略從系統(tǒng)負(fù)載、用戶接入、區(qū)間干擾、業(yè)務(wù)負(fù)載量、系統(tǒng)能耗5個(gè)角度對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)建立模型，并對(duì)轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目的是節(jié)約系統(tǒng)資源。該機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)和基站分情況開啟或關(guān)閉，并提出了相應(yīng)的執(zhí)行條件。仿真證明了該機(jī)制在滿足業(yè)務(wù)需求的同時(shí)達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)耗能的目的。

[1] PENG M G, LIANG D, WEI Y, et al.Self-configuration and self-optimization in LTE-advanced heterogeneous networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(5): 36-45.

[2] GONG J, THOMPSON J S, ZHOU S, et al.Base station sleeping and resource allocation in renewable energy powered cellular networks[J]. IEEE Transaction on Wireless Communications, 2013, 12(8): 1-30.

[3] OH E, SON K, KRISHNAMACHARI B. Dynamic base station switching-on/off strategies for green cellular networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 31(5):2126-2136.

[4] WU J, ZHOU S, NIU Z S. Traffic-aware base station sleeping control and power matching for energy-delay tradeoffs in green cellular networks[J].IEEE Trans. Wirel. Commun.,2013, 12(8):4196-4209.

[5] SHAN L, LIU F, YANG F. Performance analysis of group handover scheme for IEEE 802[J]. 16j-Enabled Vehicular Networks, 2009, 2(1):653-658.

[6] 李娟, 田霖, 周一青,等. 面向高速鐵路的LTE 通信系統(tǒng)中的切換方法及系統(tǒng):中國(guó)，1022413520 A[P]. 2012-04-11.

[7] 郭冬梅. 無線通信中分集合并技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[8] SOH Y S, MEMBER S, QUEK Y Q S, et al.Energy efficient heterogeneous cellular networks[J]. IEEE J. Sel. Areas Commun., 2013,31(5):840-850.

[9] GUO W, O’FARRELLl T.Dynamic cell expansion with self-organizing cooperation[J].IEEE J.Sel.Areas Commun., 2013,31(5): 851-860.

An optimised deployment mechanism of cell nodes

Zhao Tiancheng

(College of Communication & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Due to the requirements of interference suppression and energy efficiency optimization of the controllable nodes and base stations,a new adaptive node deployment mechanism is proposed.Through designing the mechanism of inner cell communication nodes to be in open or close condition,the system can reduce interference while increasing traffic throughput,and improving system efficiency.Paper establishes the mathematical model of macro cell between each index, and proposes an optimized deployment strategy about the nodes state switchover between dormant and activation.In the case of traffic flow approximating a sinusoidal curve,the simulation results which are before the optimization are compared with the one which is after the optimization,and it proves the new mechanism can reduce system interference,improve the throughput and be more efficient.

amorphous cell;interference management;energy efficiency optimization

TN91

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.019

趙天呈. 一種小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署優(yōu)化機(jī)制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(23)：65-68,72.

2016-07-14)

趙天呈(1992-)，女，碩士，主要研究方向：寬帶無線通信。