基于多點協(xié)作傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多點協(xié)作傳輸技術的蜂窩網(wǎng)絡節(jié)能方法，主要解決現(xiàn)有技術節(jié)能少、不能保障用戶服務質(zhì)量的問題，其實現(xiàn)步驟是：1)中心控制單元開啟所有基站，初始化待判決基站集合Λ，收集基站信息；2)利用收集的信息，從待判決基站集合Λ中確定預判決基站i*，并對待判決基站集合進行更新；3)判斷預判決基站i*能否關閉，若不能關閉，則該基站開啟，否則，該基站為待關閉基站，為其確定協(xié)作簇，并更新待判決基站集合Λ；4)判斷待判決基站集合Λ是否為空，若不為空，返回步驟2)，否則，關閉待關閉基站，協(xié)調(diào)待關閉基站的協(xié)作簇使用CoMP技術為該待關閉基站內(nèi)用戶服務。本發(fā)明能節(jié)約大量能量，可用于多個宏小區(qū)共存的無線接入網(wǎng)絡。
【專利說明】基于多點協(xié)作傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術領域】，特別涉及一種蜂窩網(wǎng)絡的節(jié)能方法，可用于多個宏小區(qū)共存的無線網(wǎng)絡中。

【背景技術】
[0002]近年來，無線網(wǎng)絡正得到迅猛的發(fā)展，用戶數(shù)目和網(wǎng)絡終端接入設備正以驚人的速度增長著，由此帶來的爆炸式的數(shù)據(jù)業(yè)務和無處不在的接入需求刺激著網(wǎng)絡基礎設施的急速擴張。然而，在網(wǎng)絡設施急劇擴張的同時，無線網(wǎng)絡的耗能也正以驚人的速度增長著，不少無線網(wǎng)絡的運營商已經(jīng)成為高額電費的主要負擔者。對于無線網(wǎng)絡的運營商而言，在維持網(wǎng)絡容量持續(xù)增長，保證用戶服務質(zhì)量的同時，減小其電費的開銷是其迫切關心的問題。
[0003]無線網(wǎng)絡中，基站為用戶傳輸公共控制信息和數(shù)據(jù)信息，在網(wǎng)絡規(guī)劃時，小區(qū)的尺寸和容量往往是依據(jù)基站負荷的最高峰值決定的。然而，由于網(wǎng)絡中用戶的移動性和數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性，網(wǎng)絡的負荷并不常常處于峰值狀態(tài)，而是在空間和時間上有極大的波動。例如，對于城市小區(qū)而言，白天，辦公地點的負荷很重，而居民生活區(qū)的負荷很輕，晚上則截然相反。若在網(wǎng)絡規(guī)劃時以峰值負荷量為依據(jù)，那么在不同時段，同一小區(qū)時而處于重負荷狀態(tài)，時而處于輕負荷狀態(tài)；而在同一時段下，一些小區(qū)處于重負荷狀態(tài)時，另一些小區(qū)處于輕負荷狀態(tài)。而不幸的是，實際網(wǎng)絡負荷的波動性并沒有為其耗能帶來同樣巨大的波動，以典型的UMTS系統(tǒng)為例，基站消耗800-1500W能量，射頻發(fā)射模塊大約只消耗40-80W的能量。即，在實際網(wǎng)絡中，即使基站在沒有業(yè)務的條件下，其消耗的能量也要大于其業(yè)務最繁忙時候的百分之九十，這是對能量而言，無疑是一種極大浪費。
[0004]蜂窩網(wǎng)絡是無線網(wǎng)絡的重要組成部分，對于蜂窩網(wǎng)絡而言，其接入部分的耗能是蜂窩網(wǎng)絡耗能的主要貢獻者，對于很多運營商來說，這部分的消費要大于其總電費的70%，而接入部分的耗能主要集中在基站耗能上，因此對于無線網(wǎng)絡運營商而言，如何減少基站的耗能是其關注的主要方面。
[0005]Diehm F 等在 Global Communicat1ns Conference2012 ((Power control andscheduling for joint detect1n cooperative cellular systems))一文中利用功率控制的方法，結(jié)合信道狀態(tài)信息，為不同信道分配不同的發(fā)射功率，減小單位bit上的發(fā)射功率，進而減少基站射頻發(fā)射模塊的耗能來實現(xiàn)節(jié)能的，但是由于基站射頻發(fā)射模塊的耗能在整個基站耗能中占據(jù)的比例很小，所以該方法節(jié)約的能量較少。
[0006]Han F 等在 IEEE Internat1nal Conference on Communicat1ns2012((Energy-efficient cellular network operat1n via base stat1n cooperat1n)) 一文中提出了關閉基站，通過鄰近的開啟基站利用多點協(xié)作傳輸(CoMP)技術服務關閉基站下用戶的節(jié)能方法。該方法中，基站的關閉為整個網(wǎng)絡節(jié)約了大量的能量，而關閉基站下用戶的服務質(zhì)量則通過鄰近基站使用CoMP (Coordinated multipoint transmiss1n)技術來保證，CoMP技術是3GPP的ReleaSe8標準中提出的關鍵技術，利用地理位置上分離的鄰近基站協(xié)作為關閉基站下的用戶傳輸信息，可以在不增大鄰近基站發(fā)射功率的條件下，增大鄰近基站發(fā)射信號的覆蓋范圍，保證了關閉基站下的信號覆蓋。由于沒有增大發(fā)射功率，該方法能避免對網(wǎng)絡引入額外的干擾。然而該方法中協(xié)作基站的位置固定，且假設網(wǎng)絡中所有基站的負荷都比較低，關閉基站的鄰近基站一直有足夠的頻譜資源為關閉基站下的用戶服務，當網(wǎng)絡中基站處于高負荷狀態(tài)時，該方法的可行性不強。
[0007]Liu Z等在Wireless Communicat1ns and Networking Conference2013《Energyefficiency of CoMP-based cellular networks with guaranteed coverage》一文中提出了使用CoMP技術改變網(wǎng)絡結(jié)構來實現(xiàn)節(jié)能的方法，該方法中，相鄰基站利用CoMP技術增加基站的覆蓋范圍，在保證用戶服務質(zhì)量的前提下，減少了單位面積上的基站個數(shù)，從而減少了單位面積上的耗能。但是這種方法需要改變基站的間距，對現(xiàn)有網(wǎng)絡結(jié)構的改動較大，不便于實際應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于多點傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法，以在不改變網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，確保滿足網(wǎng)絡中用戶基本通信需求且不對網(wǎng)絡引入額外干擾的條件下，減少無線接入網(wǎng)絡的耗能。
[0009]本發(fā)明技術方案是:在不改變網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的條件下，結(jié)合基站耗能與業(yè)務量的關系，對在網(wǎng)絡負荷動態(tài)變化條件下，選擇性關閉基站，并利用CoMP技術為關閉基站下的用戶服務，以最小化網(wǎng)絡耗能為目標，建立數(shù)學模型。依據(jù)模型中約束條件，優(yōu)先判斷系統(tǒng)中業(yè)務量最小的基站是否存在協(xié)作簇；根據(jù)判斷結(jié)果，確定基站的開關狀態(tài)及協(xié)作簇的選擇方法；重復操作，直至確定所有基站的開關狀態(tài)，以減少無線接入網(wǎng)絡的耗能。具體的實現(xiàn)步驟包括如下:
[0010]I)初始化中心控制單元中基站集合H = {1，2，…，K},待判決基站集合Λ ={1，2，…，K}，待關閉基站集合.τ = 0,基站i e H的備選協(xié)作簇集合Ω, =0，協(xié)作簇
Φ? =0，其中，0代表空集；
[0011]2)基站i收集其用戶的信道狀態(tài)信息、白噪聲信息，統(tǒng)計其已使用資源塊個數(shù)RA、空閑資源塊個數(shù)RSi及其鄰近基站信息，并將這些信息傳輸給中心控制單元；
[0012]3)中心控制單元將待判決基站集合Λ中已使用資源塊個數(shù)RUi的最小值所對應的基站標號賦給預判決基站i%同時將該基站標號從待判決基站集合Λ中移出；
[0013]4)中心控制單元為預判決基站I'確定備選協(xié)作簇集合:
[0014]4a)中心控制單元遍歷預判決基站i*的鄰近基站i*a的信息，其中a = 1，2，...，6,如果鄰近基站處于開啟狀態(tài)，且其空閑資源塊個數(shù)大于預判決基站I'的已使用資源塊個數(shù)AT,.，則將鄰近基站的標號放入備選協(xié)作基站集合I'>中；
[0015]4b)將備選協(xié)作基站集合I'>中包含的元素個數(shù)記為待，則備選協(xié)作基站集合共包含2~ 4個真子集，定義11,...為I'>的第j個真子集，/ =-1，初始化真子集下標 j = I ;
[0016]4c)對于基站I'中的用戶=...，￡/,.，計算真子集Π|ν中所有基站的聯(lián)合傳輸速率<#，若所有用戶Uf,I濉12,….U1.的聯(lián)合傳輸速率尺I都不小于用戶基本通信所需的速率Rfflln,則取子集nG為備選協(xié)作簇，將子集移入備選協(xié)作簇集合O1., =DrUlVy，否則，舍棄子集
[0017]4d)判斷真子集下標j與真子集總數(shù)-1的大小關系:若j小于真子集總數(shù)2°*-1，將j加I后重新賦值給j，返回步驟4c);若j等于真子集總數(shù)-1，則此時備選協(xié)作基站集合k的所有真子集都判決完畢，執(zhí)行步驟5 ；
[0018]5)中心控制單元依據(jù)備選協(xié)作簇集合Ω,-確定預判決基站I'的開關狀態(tài):若備選協(xié)作簇集合Ω,.為空，則預判決基站I'處于開啟狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到步驟7 ;否則，確定預判決基站i*為待關閉基站，將該基站的標號放入待關閉基站集合T中，執(zhí)行步驟6:
[0019]6)中心控制單元為預判決基站I'確定其協(xié)作簇#,*，并更新待判決基站集合Λ與協(xié)作簇為.中的協(xié)作基站的空閑資源塊個數(shù)，協(xié)作簇中的基站為協(xié)作基站，基站終(?)是協(xié)作簇中的第η個基站，《 = 1，2%..%妗卜其中，為協(xié)作族#中基站總數(shù):
[0020]6a)中心控制單元將備選協(xié)作簇集合Of*中的所有備選協(xié)作簇依據(jù)其包含的基站個數(shù)進行升序排列，ω..={^Λ=4,2?'.*Φ--*其中，終,/代表備選協(xié)作簇集合iV中基站個數(shù)第j’小的備選協(xié)作簇，4表示備選協(xié)作簇集合Ω,.中包含的備選協(xié)作簇的個數(shù)，Φ,.Λ為包含基站個數(shù)最少的備選協(xié)作簇；
[0021]6b)中心控制單元將備選協(xié)作簇4.,作為預判決基站i*的協(xié)作簇終，即終=4.1 ；
[0022]6c)中心控制單元將協(xié)作簇為.中的協(xié)作基站#(?)的標號從待判決基站集合Λ中移出，并用協(xié)作基站的空閑資源塊個數(shù)^、.⑷減去預判決基站I'的已使用資源塊個數(shù)服^ ,得到協(xié)作基站務(η)的空閑資源塊個數(shù)，其中，Λ = 1,2,:
[0023]7)判斷待判決基站集合Λ是否為空，若不為空，重復執(zhí)行步驟3)-6)，直至該集合為空，此時待判決基站集合Λ中所有基站的開關狀態(tài)都判決完畢，待關閉基站集合T及待關閉基站集合T中的待關閉基站T (g)對應的協(xié)作族Φ T (g)均構建完畢，待關閉基站T (g)為待關閉基站集合T中的第g個基站，g = 1，2，…，I T I，I T I為待關閉基站集合T中基站總數(shù)；
[0024]8)中心控制單兀對待關閉基站集合T中的待關閉基站T (g) , g = 1，2，…，I T I進行統(tǒng)一關閉，同時協(xié)調(diào)待關閉基站T (g)所對應協(xié)作簇Φ T(g)中的協(xié)作基站使用CoMP技術為該待關閉基站T (g)內(nèi)的所有用戶傳輸數(shù)據(jù)。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
[0026](I)本發(fā)明通過直接關閉一些基站的方法來實現(xiàn)節(jié)能，與現(xiàn)有使用功率控制實現(xiàn)節(jié)能的方法相比，可以節(jié)約大量能量。
[0027](2)本發(fā)明依據(jù)網(wǎng)絡的負荷情況和網(wǎng)絡中基站的頻譜資源使用情況來選擇哪些基站作為待關閉基站及協(xié)作基站，在網(wǎng)絡負荷動態(tài)變化的情況，能夠確保協(xié)作基站有足夠的頻譜資源為待關閉基站內(nèi)的用戶服務。
[0028](3)本發(fā)明利用協(xié)作基站使用CoMP技術對關閉基站內(nèi)的用戶服務，協(xié)作基站在服務關閉基站內(nèi)的用戶時，不增大自身天線的發(fā)射功率，不會對網(wǎng)絡引入額外干擾。
[0029]仿真結(jié)果表明，在負荷為峰值的0.1時，本發(fā)明的最高節(jié)能比例可達35%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的應用場景圖；
[0031]圖2是本發(fā)明的實施流程圖；
[0032]圖3為本發(fā)明采用固定3個基站為一個協(xié)作簇的方式對關閉基站進行覆蓋的仿真圖。
[0033]圖4為本發(fā)明在基站負載從峰值的0.1變化至峰值負荷條件下對應的總耗能曲線.-^4 ，
[0034]圖5為本發(fā)明隨基站負荷和布局變化，計算邊緣基站耗能條件下的節(jié)能比例圖；
[0035]圖6為本發(fā)明隨基站負荷和布局變化，不計算邊緣基站耗能條件下的節(jié)能比例圖。

【具體實施方式】
[0036]以下參照附圖，對本發(fā)明的技術方案和效果做進一步描述:
[0037]參照圖1，本發(fā)明的實現(xiàn)場景為多個宏小區(qū)共存的蜂窩網(wǎng)絡，該蜂窩網(wǎng)絡中共有K個宏小區(qū)，宏小區(qū)半徑為R，eNB為演進型基站，基站位于小區(qū)的中心，基站集合H ={1，2，...，!(}，K個基站由中心控制單元統(tǒng)一管理，每個基站配置M根發(fā)射天線，用戶端配置N
根接收天線，基站i e H到其用戶Ui的信道矩陣為fif ]，信道衰落包含大尺度衰落和


L JNxM
小尺度衰落。該蜂窩網(wǎng)絡中，所有基站使用相同的帶寬。本實例中，基站總數(shù)目K >4，基站發(fā)射天線M ^ 2，用戶端天線個數(shù)N > 2。
[0038]網(wǎng)絡中基站間通過X2接口相互連接，交互彼此的信息，基站通過SI接口與中心控制單元相連接，中心控制單元對網(wǎng)絡中基站進行統(tǒng)一管理，即控制基站的開啟和關閉、調(diào)度基站進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0039]參照圖2，本發(fā)明在圖1所示場景中的實現(xiàn)步驟如下:
[0040]步驟I，中心控制單兀初始化待關閉基站集合Λ和待關閉基站集合Τ。
[0041]Ia)中心控制單元開啟網(wǎng)絡中K個基站，定義待判決基站集合Λ用于存放開關狀態(tài)未知的基站標號，待關閉基站集合T用于存放待關閉基站的標號，令待判決基站集合Λ={1，2，…，K},待關閉基站集合Τ = 0 ;
[0042]lb)基站i的備選協(xié)作簇集合=0，協(xié)作簇片=0> i = 1，2，".，Κ，其中，0代表空集。
[0043]步驟2，基站收集信息并傳遞給中心控制單元。
[0044]2a)基站i通過網(wǎng)絡中基站間的X2接口獲取其6個鄰近基站的標號，記為鄰近基站集合 U1, i2, i3, I4.15.16}；
[0045]2b)基站i通過發(fā)送導頻序列獲取用戶Uii信道狀態(tài)信息及白噪聲信息σ4 ,
[0046]其中:M丨表示基站i下的第I個用戶，I = 1，2，…，Ui,Ui為基站i內(nèi)的用戶總數(shù)；
[0047]該信道狀態(tài)信息，包括基站i到用戶《?的信道狀態(tài)信息

【權利要求】
1.一種基于多點協(xié)作傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法，包括如下步驟: 1)初始化中心控制單元中基站集合H= {1,2,...!(},待判決基站集合A = {1,2,...,K}，待關閉基站集合1 = 0,基站i e H的備選協(xié)作簇集合= 0 ?協(xié)作簇^ = 0，其中，0代表空集； 2)基站i收集其用戶的信道狀態(tài)信息、白噪聲信息，統(tǒng)計其已使用資源塊個數(shù)RA、空閑資源塊個數(shù)RSi及其鄰近基站信息，并將這些信息傳輸給中心控制單元； 3)中心控制單元將待判決基站集合Λ中已使用資源塊個數(shù)RUi的最小值所對應的基站標號賦給預判決基站1%同時將該基站標號從待判決基站集合Λ中移出； 4)中心控制單元為預判決基站 確定備選協(xié)作簇集合 4a)中心控制單元遍歷預判決基站i*的鄰近基站的信息，其中a = 1，2，...，6,如果鄰近基站處于開啟狀態(tài)，且其空閑資源塊個數(shù)^.;大于預判決基站 的已使用資源塊個數(shù)W./,,,則將鄰近基站的標號放入備選協(xié)作基站集合 >中； 4b)將備選協(xié)作基站集合Q中包含的元素個數(shù)記為Μ**則備選協(xié)作基站集合1>共包含ft 個真子集，定義為 >的第j個真子集，j = l2-f; -1?初始化真子集下標j=I ; 4c)對于基站 中的用戶UfJ = H-Uf ,計算真子集中所有基站的聯(lián)合傳輸速率.14 ,若所有用戶》/ | = ls2...￡^的聯(lián)合傳輸速率$1都不小于用戶基本通信所需的速率 Rfflin,則取子集為備選協(xié)作簇，將子集11,.』移入備選協(xié)作簇集合, Ω, =Ω, unf_.,否則，舍棄子集^-./; 4d)判斷真子集下標j與真子集總數(shù)-1的大小關系:若j小于真子集總數(shù)2力-1?將j加I后重新賦值給j，返回步驟4c);若j等于真子集總數(shù)2，-1，則此時備選協(xié)作基站集合^的所有真子集都判決完畢，執(zhí)行步驟5 ； 5)中心控制單元依據(jù)備選協(xié)作簇集合Ω,*確定預判決基站i*的開關狀態(tài):若備選協(xié)作簇集合為空，則預判決基站處于開啟狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到步驟7 ;否則，確定預判決基站i*為待關閉基站，將該基站的標號放入待關閉基站集合T中，執(zhí)行步驟6: 6)中心控制單元為預判決基站 確定其協(xié)作簇#，并更新待判決基站集合Λ與協(xié)作簇辦中的協(xié)作基站.#,.(?)的空閑資源塊個數(shù)，協(xié)作簇中的基站為協(xié)作基站，基站終(《)是協(xié)作簇終中的第η個協(xié)作基站，η = 1,2…j終卜其中，j#, j為協(xié)作簇#,中基站總數(shù): 6a)中心控制單元將備選協(xié)作簇集合中的所有備選協(xié)作簇依據(jù)其包含的基站個數(shù)進行升序排列
其中，終，代表備選協(xié)作簇集合％中基站個數(shù)第j’小的備選協(xié)作簇，<?表示備選協(xié)作簇集合Ω,.中包含的備選協(xié)作簇的個數(shù)，4,t為包含基站個數(shù)最少的備選協(xié)作簇； 6b)中心控制單元將備選協(xié)作簇秦4作為預判決基站i*的協(xié)作簇為*,即#,.I6c)中心控制單元將協(xié)作簇?中的協(xié)作基站終(《)的標號從待判決基站集合Λ中移出，并用協(xié)作基站.(《)的空閑資源塊個數(shù)*^.^減去預判決基站的已使用資源塊個數(shù)/?(/,.,得到協(xié)作基站?(?)的空閑資源塊個數(shù)其中，ιι = 1,2...|—.|; 7)判斷待判決基站集合Λ是否為空，若不為空，重復執(zhí)行步驟3)-6)，直至該集合為空，此時待判決基站集合Λ中所有基站的開關狀態(tài)都判決完畢，待關閉基站集合T及待關閉基站集合T中的待關閉基站T (g)對應的協(xié)作族Φ I.(g)均構建完畢，待關閉基站T (g)為待關閉基站集合T中的第g個基站，g = 1，2…，I T I，I T I為待關閉基站集合T中基站總數(shù)； 8)中心控制單元對待關閉基站集合T中的待關閉基站T(g)，g= 1,2-, T進行統(tǒng)一關閉，同時協(xié)調(diào)待關閉基站T (g)所對應協(xié)作簇Φτω中的協(xié)作基站使用CoMP技術為該待關閉基站T (g)內(nèi)的所有用戶傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于多點協(xié)作傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法，其中所述步驟2)中基站i的空閑資源塊個數(shù)RSi,是指基站i中沒有被使用的資源塊的個數(shù)，每個資源塊是由頻域上的12個子載波和時域上的7個OFDM符號構成，其中每個子載波的帶寬為15kHz，7個OFDM符號構成一個長度為0.5ms的時隙。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于多點協(xié)作傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡節(jié)能方法，其中步驟4c)中真子集Π&中所有基站的聯(lián)合傳輸速率，其計算公式為:
其中，
為集合中所有基站對用戶uf的聯(lián)合信道矩陣，Hijmi代表真子集η(.ν中第m個基站n&(W)到用戶U；的信道狀態(tài)信息,P代表天線的發(fā)射功率，為用戶《<受到的高斯白噪聲，I為單位矩陣。
【文檔編號】H04W28/16GK104080126SQ201410317422
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】趙林靖, 鄭琳, 張崗山, 張順, 李釗, 馮天一, 韓瑩 申請人:西安電子科技大學