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）

       摘要：針對(duì)無(wú)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(guò)對(duì)小區(qū)內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)關(guān)閉或開(kāi)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(xiàn)的情況下，對(duì)無(wú)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。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)定形小區(qū)；干擾管理；能效優(yōu)化

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(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.

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(wú)法滿(mǎn)足飛速增長(zhǎng)的通信需求，而無(wú)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(mǎn)足用戶(hù)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(kāi)啟部分無(wú)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(wú)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(wú)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(hù)監(jiān)聽(tīng)周?chē)?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(hù)監(jiān)聽(tīng)鏈路持續(xù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)信號(hào)，由用戶(hù)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(guò)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(wú)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(wú)定形小區(qū)數(shù)學(xué)模型，研究其中無(wú)定形節(jié)點(diǎn)的智能狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略。

1無(wú)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(guò)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。

　　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(hù)需要流量為：

　　該式從側(cè)面反映了用戶(hù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求。

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

　　其中，j=0時(shí)，用戶(hù)選擇Bi，j≠0時(shí)，用戶(hù)選擇Bi下的一個(gè)AN，hk,i,j表示用戶(hù)k與eNBi之間的信道增益。令MUEK代表與eNB連接的用戶(hù)K，AUEk代表與AN連接的用戶(hù)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:

　　令系統(tǒng)帶寬為BW，該MUE接入時(shí)信道容量為：

　　AUE接入鏈路時(shí)，有信噪比及信道容量：

　　回傳鏈路時(shí)，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(wù)量有關(guān)，可以表示為：

　　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(hù)終端耗時(shí)的比例。則該節(jié)點(diǎn)j在與用戶(hù)設(shè)備通信的過(guò)程中的能耗可以表示為：

　　連接時(shí)射頻端能耗：

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

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

2小區(qū)中節(jié)點(diǎn)分層休眠策略

　　由于無(wú)定形小區(qū)中宏基站(Donor eNB,DeNB)覆蓋范圍廣，用戶(hù)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(hù)無(wú)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

　　令被關(guān)閉的基站B周?chē)山尤氲幕炯蠟镹b，該基站下微基站的集合為NbAN，假設(shè)節(jié)點(diǎn)和用戶(hù)選擇的最優(yōu)接入節(jié)點(diǎn)為XAN、XUE，則有：

　　將選擇接入節(jié)點(diǎn)y的用戶(hù)設(shè)為ΔψANy，接入未關(guān)閉基站X的用戶(hù)設(shè)為ΔψMUEx,則接入后設(shè)備的功率可表示為：

　　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：

　　每次關(guān)閉基站前，參考此負(fù)載衡量條件。

　　2.2AN關(guān)閉策略

　　無(wú)定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署目的是降低周?chē)矩?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(kāi)啟不可避免會(huì)引起相鄰節(jié)點(diǎn)與基站之間的干擾問(wèn)題。此時(shí)需要衡量節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟后提升的業(yè)務(wù)量是否足夠抵消產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。

　　是否開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)，需要考慮開(kāi)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(mǎn)足傳輸速率：

　　且接入后基站功率滿(mǎn)足：

　　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(hù)端UE和無(wú)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。

3小區(qū)中節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟策略

　　無(wú)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(kāi)啟門(mén)限，在系統(tǒng)狀態(tài)不斷波動(dòng)的過(guò)程中，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)切換過(guò)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：

　　基站判斷為開(kāi)啟時(shí)，對(duì)余量的要求如下：

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(shuō)明，一天中業(yè)務(wù)量的變化可以由一天中激活的用戶(hù)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(xiàn)。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(guò)算法優(yōu)化前后，小區(qū)節(jié)點(diǎn)和基站的開(kāi)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?chē)糠止?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(hù)激活數(shù)量整體較低時(shí)，經(jīng)過(guò)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。

5結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究了一種無(wú)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(hù)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(kāi)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(mǎn)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。

       參考文獻(xiàn)

　?。?］ 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.

　?。?］ 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.

　?。?］ 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.

　?。?］ 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(wú)線(xiàn)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.

　?。?］ 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.

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