一種小區(qū)節(jié)點的部署優(yōu)化機制

趙天呈

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

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一種小區(qū)節(jié)點的部署優(yōu)化機制

趙天呈

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

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(shù)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。

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)對時間及頻率的復用效率較低，已經(jīng)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(wǎng)。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?shù)募せ顚ο到y(tǒng)容量提升有限。本文將搭建無定形小區(qū)數(shù)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(shù)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。

圖1 無定形小區(qū)系統(tǒng)模型

在現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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：

γk=λk+μk

(1)

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：

(2)

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(chǎn)生的信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為:

(3)

令系統(tǒng)帶寬為BW，該MUE接入時信道容量為：

(4)

AUE接入鏈路時，有信噪比及信道容量：

(5)

(6)

回傳鏈路時，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量有關，可以表示為：

(10)

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：

(11)

連接時射頻端能耗：

(12)

當節(jié)點休眠時，所有能耗為0，即：

(13)

對無定形節(jié)點部署的優(yōu)化評估可以用吞吐量代表：

(14)

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

(15)

(16)

(17)

(18)

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：

(19)

(20)

每次關閉基站前，參考此負載衡量條件。

2.2 AN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(chǎn)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：

(21)

且接入后基站功率滿足：

(22)

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。

圖2 節(jié)點關閉流程

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(shù)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：

(23)

基站判斷為開啟時，對余量的要求如下：

PX≥PM+KBPM

(24)

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(jù)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(shù)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(jīng)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3 優(yōu)化前的無定形小區(qū)節(jié)點部署

圖4 優(yōu)化后的無定形小區(qū)節(jié)點部署

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(shù)量整體較低時，經(jīng)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。

圖5 優(yōu)化前后能耗對比圖

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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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)點的部署優(yōu)化機制[J].微型機與應用，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。