基于Benders分解的無線網絡協作節能機制

鄭 飛 李文璟 喻 鵬 豐 雷 孟洛明

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基于Benders分解的無線網絡協作節能機制

鄭 飛 李文璟*喻 鵬 豐 雷 孟洛明

(北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室 北京 100876)

該文為降低無線接入網的能耗，提出一種基于Benders分解的協作節能機制，通過協作基站選擇和基站狀態控制以解決基站休眠帶來的弱覆蓋問題。結合業務量分布和SINR空間變化建立協作基站的選擇模型，用以找到合適的協作基站以及相應的休眠基站。并提出一個基于Benders分解的聯合優化策略，控制基站活躍/休眠狀態，實現網絡容量與吞吐量間的平衡。仿真結果表明，該機制可在不增加發射功率的條件下實現覆蓋補償，并在至多42.6%的基站休眠時，仍能滿足網絡的基本性能要求。

無線網絡；節能；Benders分解；協作基站；聯合優化策略

1 引言

近年綠色通信已成為一個重要的議題[1,2]。雖然傳統補償技術能夠擴大小區覆蓋，但是需要調整基站參數，以及給網絡帶來新的干擾。而多點協作(Coordinated Multiple Points, CoMP)技術[3,4]可以應用在節能機制中并且有效緩解上述兩個問題。無線接入網的節能機制研究可以分為規劃與執行兩個領域。文獻[5]提出一種基于CoMP的能量感知的集中式網絡規劃策略。文獻[6]用圖論的概念來描述基站與用戶間的關聯，把關聯問題抽樣為一個二元整數NP-Hard規劃問題。但研究中缺少補償方法。文獻[7]提出等價基站的分簇方法并用提升發射功率來實現彼此的覆蓋。文獻[8]驗證了CoMP技術能夠擴展基站的覆蓋以及增加休眠基站的數量。文獻[9]采用協作復用技術，進一步增加休眠基站的數量。

本文基于上述工作，提出一個基于Benders分解的協作節能機制(Benders Decomposition based Cooperative Energy-Saving Mechanism, BD- CESM)。其具體工作與創新點如下：

首先，針對密集宏基站場景，從兩方面增強CoMP技術在節能領域中的應用性。一方面采用聯合處理(Joint Processing, JP)和協作復用技術執行CoMP。另一方面通過分簇把CoMP限制在簇內進行，減輕網絡的額外負荷。

其次，構建一個基站選擇模型，以確定協作基站組和待休眠基站。在該模型中考慮業務量的地域分布和SINR的空間變化兩個因素對協作補償的影響，并且定義區域SINR作為選擇協作基站的依據。

然后，提出一個基于Benders分解的聯合優化策略。通過控制基站on-off狀態，取得網絡容量與吞吐量的平衡。并且把該問題抽樣為一個非凸的混合整數線性規劃問題(Mixed Integer Linear Programming, MILP)，用Benders分解算法求解。

最后，用網絡的性能和節能兩個維度的指標來評價該機制的效果。

2 系統模型

2.1 基站分布場景

2.2 JP復用補償技術

當網絡中部分基站休眠時，由CoMP協作集[10]執行JP來補償網絡。因此定義協作集等級系數C，它表示協作集中的基站數目[11]。在規劃CoMP協作集時，讓一個基站參與多個協作集，同時保持各協作集之間的獨立性。因此，定義基站協作的復用系數r，它表示此基站參與協作集的個數[9]。圖2是JP復用技術在規則場景中的應用。深灰色區域中的基站處于休眠狀態，淺灰色中的處于活躍狀態，BS1參與了3個協作集。

處于深灰色區域的用戶因其歸屬基站休眠，所以必須接受協作補償，其SINR計算式為

3 基于Benders分解的協作節能機制

3.1 網絡分簇

引用等價基站的方法[7]來降低JP復用技術的復雜度以及提高其對分布式管理模式的適應性[13]?；榈葍r基站的集合稱為簇，等價基站之間的約束距離稱為分簇半徑(Clustering Radius, CR)。簇內任意基站和都必須滿足式(2)所示不等式：

3.2 劃分用戶

在節能機制觸發后，并非所有的用戶都需要協作服務，所以把用戶分為普通用戶和待補償用戶。計算用戶的參考SINR, 以為閾值[10]，把用戶劃分為普通用戶與待補償用戶。普通用戶的業務量速率設置為一個上限值。在等待切換時，網絡會把待補償用戶的服務等級設置為一個參考水平。

3.3 協作基站的選擇

令基站集覆蓋一片區域，在任意點(,)處的業務量密度為[14]以及SINR為。定義業務量密度加權的平均區域SINR：

圖1 網絡覆蓋????????????圖2 JP復用技術

3.4 基于Benders分解的基站休眠策略

問題1

因為能獲取系統的信道信息，所以定義一個已知的接收功率矩陣,是第個待補償用戶接收到來自第個基站的信號功率。當第個基站服務第個待補償用戶時，SINR為

(9)

將式(8)代入式(9)

(11)

普通用戶的業務速率為定值，而待補償用戶的業務速率為

(12)

整理得

(14)

簡化式(14)為

在問題1的基礎上，網絡吞吐量不是唯一的，因此最大化吞吐量可以如式(16)的定義：

問題2

(17)

采用聯合優化問題1和問題2的方法。

問題3

Traf是普通用戶的業務速率。

3.4.2 MILP問題與Benders分解算法 Benders分解是一種求解MILP的方法。設MILP的表示為

和都是約束不等式中的系數矩陣，是常向量。

問題3的集合約束表示為

進一步簡化集合約束表示，令

由此可見問題3具有與式(19)相同的形式，是一個典型的MILP問題。因此，可以采用Benders分解算法求解問題3[15]。

3.4.3 Benders表示 Benders分解算法是一種基于Benders表示的約束生成算法。若MILP中的整數變量是固定的，則得到線性規劃問題：

(22)

(24)

4 仿真與分析

4.1評價參數

定義性能指標劣化率(PDR)，在非節能網絡中SINR的最小值為

(26)

設定PDR<5%是可接受的網絡性能惡化程度。

休眠基站占比(DCR)是節能指標，指休眠基站數量占基站總數的比例：

4.2 結果分析

仿真所需參數如表1所示。

表1 網絡參數

表2是分簇時，不同的CR對應簇的數量。在CR=1.3 km時，CR限制了分簇能力，使得部分基站不能納入簇中。在CR=1.6 km時，簇內基站增多，又使簇的數量減少。圖3中的柱狀圖表示在不同的CR時BD-CESM的節能效率。深灰柱是休眠基站能夠達到的最大數目，淺灰柱是相應的活躍基站數量。走勢的標記線表明休眠基站的數量和CR之間的關系是非線性正相關的。這張圖反映了在業務量波谷時，CR對機制的節能潛力的影響。

表2 CR與簇數量

圖4和圖5放映了CR對網絡性能的影響。在圖4的曲線中部，出現了執行節能機制時的網絡性能好于非節能網絡的情況。這是由于JP復用技術大量提升邊緣用戶的性能所導致。圖5顯示PDR隨著CR的增加而惡化。黑虛線是非節能網絡中的(-6.72 dB)。在滿足裂化率要求的前提下PDR<5%，節能效果最好的是CR=1.6 km, DCR達到42.6%。因此接下來的實驗將設置CR=1.6 km。

如圖6和圖7所示，采用了另外兩種補償方法與聯合處理(JP)進行比較。一種是最大SINR方法，用戶選擇最大SINR鏈路進行通信。該方法沒有擴大基站的覆蓋范圍，因此它的補償能力是很微弱的。另一種是提高發射功率方法，活躍基站都提高3 dB的發射功率。雖然該方法能擴展基站覆蓋，但也給網絡帶來了額外干擾，因而限制了其補償的能力。

在圖8中看到，JP復用技術對邊緣區域進行了補償覆蓋，加強了邊緣區域內的SINR，特別是簇內基站之間沒有了明顯的邊界。

之后采用最大SINR及貪婪算法接入基站的方案作為BD-CESM的對比方案，分別對網絡中的待補償用戶提供服務。用戶被補償后的平均速率結果如圖9所示，其中黑柱是非節能網絡下的邊緣用戶的平均速率，并將其作為參考速率。從圖中可以看出，BD-CESM的補償效果明顯好于對比方案，CR在1.3 km時，平均速率多出87.3%。從圖中還可看到，由于JP復用技術的使用，BD-CESM在CR較小時，其補償后的速率好于參考速率，但是隨著CR的增加即休眠基站的增加，待補償用戶被補償后的性能不可避免地呈加速下降趨勢。

圖3 不同CR時的節能效果????????圖4 SINR的累積分布????????圖5不同CR時的PDR

圖6不同補償方法的SINR累積分布??????????圖7不同補償方法的PDR

5 結束語

為了降低無線接入網的能耗而提出一個基于本Benders分解的無線網絡協作節能機制(BD- CESM)。采用JP復用技術和網絡分簇等方法，以解決基站休眠帶來的弱覆蓋問題。結果表明在滿足網絡覆蓋要求的同時能夠實現42.6%的基站休眠。驗證了BD-CESM可以在不提高發射功率的情況下實現覆蓋補償，說明是一種有效的節能機制。

圖8 網絡執行BD-CESM時SINR的空間圖樣(CR=1.3 km) ????圖9待補償CR用戶的性能

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Benders Decomposition Based Cooperative Energy-saving Mechanism in Wireless Networks

ZHENG Fei LI Wenjing YU Peng FENG Lei MENG Luoming

(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing100876, China)

To reduce the energy consumption in wireless access networks, a Cooperative Energy-Saving Mechanism based on Benders Decomposition (BD-CESM) is presented to solve inadequate coverage problem caused by BS dormancy by means of cooperative BS selection and BS state control. A cooperative BS selection model is designed to obtain appropriate cooperative BS and corresponding dormant BS according to the traffic load distribution and the spatial varying SINR. Then a Benders decomposition based joint optimizationstrategy is proposed to balance capacity with throughout via controlling on-off state of BS. The simulation results show that up to 42.6% of BS can be dormant while meeting basic network performance requirements. Furthermore, the coverage can be compensated without increasing transmitting power in the proposed mechanism.

Wireless network; Energy consumption; Benders decomposition; Cooperative BS; Joint optimization strategy

TN915.07

A

1009-5896(2017)02-0367-07

10.11999/JEIT160387

2016-04-20；改回日期：2016-07-28；

2016-10-09

李文璟wjli@bupt.edu.cn

國家863計劃項目(2014AA01A701)，國家自然科學基金(61271187)

The National 863 Program of China (2014AA01A701), The National Natural Science Foundation of China (61271187)

鄭 飛： 男，1982年生，博士生，研究方向為網絡節能管理.

李文璟： 女，1973年生，教授，研究方向為網絡管理.

喻 鵬： 男，1986年生，講師，研究方向為網絡管理.

豐 雷： 男，1987年生，博士，研究方向為網絡管理.

孟洛明： 男，1955年生，教授，研究方向為網絡管理.