趙天呈

　　(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

       摘要：針對無定形小區(qū)節(jié)點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)點自適應部署機制。通過對小區(qū)內通信節(jié)點關閉或開啟的機制設置，系統(tǒng)可以在減少干擾的同時，增大業(yè)務吞吐量，提升能效。文章建立了宏小區(qū)中各個指標的數學模型，對節(jié)點的激活、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)務流量變化近似正弦曲線的情況下，對無定形小區(qū)優(yōu)化前后的仿真結果進行對比，結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。

　　關鍵詞：無定形小區(qū)；干擾管理；能效優(yōu)化

　　中圖分類號：TN91文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.019

　　引用格式：趙天呈. 一種小區(qū)節(jié)點的部署優(yōu)化機制［J］.微型機與應用，2016,35（23）：65-68,72.

0引言

　　傳統(tǒng)蜂窩通信網對時間及頻率的復用效率較低，已經無法滿足飛速增長的通信需求，而無定形小區(qū)（Amorphous Cell，AC）由于動態(tài)分配通信資源的特性，網絡節(jié)點可跟隨業(yè)務特點靈活變化，在提升節(jié)能效益的同時，滿足用戶對服務質量的要求［1-3］。當業(yè)務量增大時，系統(tǒng)負載量增大，AC開啟部分無定形節(jié)點（Amorphous Node，AN）分擔業(yè)務量；當業(yè)務量較小時，系統(tǒng)處于低負載狀態(tài)，關閉部分無定形節(jié)點可以減少層間干擾，同時降低系統(tǒng)耗能［4-6］。無定形節(jié)點的組織分布及智能的狀態(tài)切換，是目前的一個研究熱點。

　　目前針對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)點切換為休眠狀態(tài)時，需要考慮部署基站關閉的區(qū)域與關閉的節(jié)點數量；節(jié)點切換為激活狀態(tài)時，需要考慮切換時的耗能、引起的干擾，以及對小區(qū)業(yè)務吞吐量增強的效果。文獻［7］提出了狀態(tài)切換機制，由網絡監(jiān)控業(yè)務量，用戶監(jiān)聽周圍節(jié)點的負載量，以及設定到達一定激活量時全體激活的機制，該機制適用于傳統(tǒng)蜂窩網。文獻［8］提出了用戶監(jiān)聽鏈路持續(xù)發(fā)送的節(jié)點信號，由用戶設備(User Equipment,UE)選擇節(jié)點激活的機制。該機制提高了資源利用效率，代價是其有較高的算法復雜度，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)點狀態(tài)的切換部署機制并不適用于無定形小區(qū)。首先，AN狀態(tài)切換時占用了系統(tǒng)通信資源，對業(yè)務流量有一定影響；其次，AN是否需要激活主要取決于系統(tǒng)各個區(qū)域對負載的要求，不恰當的激活對系統(tǒng)容量提升有限。本文將搭建無定形小區(qū)數學模型，研究其中無定形節(jié)點的智能狀態(tài)轉換策略。

1無定形小區(qū)數學模型

　　假設宏小區(qū)下有N個基站(evolved Node Base，eNB)，每個eNB負責一塊區(qū)域，該eNB用Bi表示，且所有eNB的集合為B。區(qū)域Bi下有Di個節(jié)點，包括eNB和AN，且有AN節(jié)點集合D=D1∪D2∪…∪DN。宏小區(qū)內所有的AN節(jié)點被劃分為多個區(qū)域，且在基站覆蓋范圍內，每個AN與一個eNB通過回傳鏈路連接。設每個AN節(jié)點的功率為PA，eNB的功率為PM。小區(qū)模型如圖1所示。

　　在現實情況中，小區(qū)中業(yè)務需求的熱點區(qū)域，隨時間的推移及小區(qū)中各個區(qū)域的人流分布，往往呈現一定的規(guī)律性，本文將以業(yè)務流量為基礎進行分析。根據業(yè)務分布的泊松，假設λk為平均業(yè)務到達率，服務需求期望為1/μk，則每個用戶需要流量為：

　　該式從側面反映了用戶對服務質量的需求。

　　假設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）計算：

　　其中，j=0時，用戶選擇Bi，j≠0時，用戶選擇Bi下的一個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連接產生的信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為:

　　令系統(tǒng)帶寬為BW，該MUE接入時信道容量為：

　　AUE接入鏈路時，有信噪比及信道容量：

　　回傳鏈路時，有信噪比及信道容量：

　　可以得出ANj下鏈路總傳輸速率為：

　　基站i的能耗與接收到的任務量有關，可以表示為：

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

　　連接時射頻端能耗：

　　當節(jié)點休眠時，所有能耗為0，即：

　　對無定形節(jié)點部署的優(yōu)化評估可以用吞吐量代表：

2小區(qū)中節(jié)點分層休眠策略

　　由于無定形小區(qū)中宏基站(Donor eNB,DeNB)覆蓋范圍廣，用戶可以自動接入附近的基站，選擇性地休眠基站不會導致用戶無法通信。同時，宏基站引起的干擾較普通節(jié)點更大，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)先關閉宏基站的策略。在基站關閉影響通信的情況下，系統(tǒng)選擇關閉基站部分節(jié)點。

　　2.1宏基站關閉策略

　　令被關閉的基站B周圍可接入的基站集合為Nb，該基站下微基站的集合為NbAN，假設節(jié)點和用戶選擇的最優(yōu)接入節(jié)點為XAN、XUE，則有：

　　將選擇接入節(jié)點y的用戶設為ΔψANy，接入未關閉基站X的用戶設為ΔψMUEx,則接入后設備的功率可表示為：

　　為防止同時關閉多個相鄰基站的策略漏洞，引入影響因子Fb，衡量關閉基站后其他eNB的負載：

　　每次關閉基站前，參考此負載衡量條件。

　　2.2AN關閉策略

　　無定形小區(qū)節(jié)點的部署目的是降低周圍基站負載，擴大業(yè)務吞吐量，消除系統(tǒng)盲點。同時，節(jié)點的開啟不可避免會引起相鄰節(jié)點與基站之間的干擾問題。此時需要衡量節(jié)點開啟后提升的業(yè)務量是否足夠抵消產生的干擾問題。

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

　　且接入后基站功率滿足：

　　2.3節(jié)點關閉流程

　　圖2表示了關閉節(jié)點的信令流程。如圖所示，宏基站向子節(jié)點發(fā)送關閉申請，子節(jié)點分別進行鄰近基站負載評估，評估完成后，決定是否關閉宏基站。節(jié)點關閉的步驟描述如下：

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

　　(2)UE和AN收到轉移指令后，計算轉移后的基站和節(jié)點的負載；

　　(3)所有目標eNB計算負載，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)送休眠申請及影響因子Fb；

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

3小區(qū)中節(jié)點開啟策略

　　無定形小區(qū)具有業(yè)務量一天內起伏波動的特性。如果給節(jié)點設置一個不變的開啟門限，在系統(tǒng)狀態(tài)不斷波動的過程中，可能導致節(jié)點的狀態(tài)切換過于頻繁。所以，本文提出閾值的余量系數KB，將其設置在0~1之間。即節(jié)點推算出系統(tǒng)負載在閾值余量范圍內波動時，不會導致節(jié)點激活。余量的要求如下：

　　基站判斷為開啟時，對余量的要求如下：

4仿真與性能分析

　　對算法結果進行仿真驗證，需要得知一個小區(qū)一天中業(yè)務量持續(xù)變化的模型，并在此模型的基礎上試驗節(jié)點與基站的狀態(tài)轉換對業(yè)務的消化量和系統(tǒng)耗能的影響。根據EARTH項目中的說明，一天中業(yè)務量的變化可以由一天中激活的用戶數反應［9］。為了方便仿真，將一天中的業(yè)務量變化近似為一條正弦曲線。在8點左右業(yè)務量到達谷底，20點左右業(yè)務量到達峰值。

　　圖3和圖4分別為一天內業(yè)務量較大時，小區(qū)經過算法優(yōu)化前后，小區(qū)節(jié)點和基站的開啟狀態(tài)情況。令PM=PAN=0.85，KB=0.2。在業(yè)務量較大時，選擇關閉部分節(jié)點。圖中可以看出，算法選擇關閉基站周圍部分節(jié)點。這些節(jié)點對業(yè)務量承擔有限，同時引發(fā)節(jié)點之間的干擾，增加系統(tǒng)負擔，所以對這些節(jié)點選擇關閉。

　　圖5描述了優(yōu)化前后，單位面積處理的業(yè)務量與系統(tǒng)消耗能量對應的變化關系。從圖中可以看出，當小區(qū)內用戶激活數量整體較低時，經過優(yōu)化，系統(tǒng)耗能最高能達到優(yōu)化前的一半左右。小區(qū)業(yè)務量上升，系統(tǒng)能耗隨之增加，但仍然低于優(yōu)化前水平。仿真證明了該機制利于宏小區(qū)系統(tǒng)節(jié)能。

5結束語

　　本文研究了一種無定形小區(qū)中節(jié)點狀態(tài)切換的優(yōu)化策略。該策略從系統(tǒng)負載、用戶接入、區(qū)間干擾、業(yè)務負載量、系統(tǒng)能耗5個角度對節(jié)點狀態(tài)建立模型，并對轉換機制進行設計，主要目的是節(jié)約系統(tǒng)資源。該機制中，節(jié)點和基站分情況開啟或關閉，并提出了相應的執(zhí)行條件。仿真證明了該機制在滿足業(yè)務需求的同時達到節(jié)約系統(tǒng)耗能的目的。

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