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：針對無定形小區(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。通過對小區(qū)內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)關(guān)閉或開啟的機(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)中各個指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，對節(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的情況下，對無定形小區(qū)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，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：無定形小區(qū)；干擾管理；能效優(yōu)化

　　中圖分類號：TN91文獻(xiàn)標(biāo)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(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)對時(shí)間及頻率的復(fù)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(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)，滿足用戶對服務(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開啟部分無定形節(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，是目前的一個研究熱點(diǎn)。

　　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(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，用戶監(jiān)聽周圍節(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］提出了用戶監(jiān)聽鏈路持續(xù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)信號，由用戶設(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)各個區(qū)域?qū)ω?fù)載的要求，不恰當(dāng)?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(xué)模型，研究其中無定形節(jié)點(diǎn)的智能狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略。

1無定形小區(qū)數(shù)學(xué)模型

　　假設(shè)宏小區(qū)下有N個基站(evolved Node Base，eNB)，每個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)被劃分為多個區(qū)域，且在基站覆蓋范圍內(nèi)，每個AN與一個eNB通過回傳鏈路連接。設(shè)每個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，則每個用戶需要流量為：

　　該式從側(cè)面反映了用戶對服務(wù)質(zhì)量的需求。

　　假設(shè)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(jì)算：

　　其中，j=0時(shí)，用戶選擇Bi，j≠0時(shí)，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:

　　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連接到用戶終端耗時(shí)的比例。則該節(jié)點(diǎn)j在與用戶設(shè)備通信的過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：

　　對無定形節(jié)點(diǎn)部署的優(yōu)化評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(dǎo)致用戶無法通信。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(shè)節(jié)點(diǎn)和用戶選擇的最優(yōu)接入節(jié)點(diǎn)為XAN、XUE，則有：

　　將選擇接入節(jié)點(diǎn)y的用戶設(shè)為ΔψANy，接入未關(guān)閉基站X的用戶設(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

　　無定形小區(qū)節(jié)點(diǎn)的部署目的是降低周圍基站負(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)的開啟不可避免會引起相鄰節(jié)點(diǎn)與基站之間的干擾問題。此時(shí)需要衡量節(jié)點(diǎn)開啟后提升的業(yè)務(wù)量是否足夠抵消產(chǎn)生的干擾問題。

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

　　且接入后基站功率滿足：

　　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，子節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行鄰近基站負(fù)載評估，評估完成后，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，向用戶端UE和無定形節(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)開啟策略

　　無定形小區(qū)具有業(yè)務(wù)量一天內(nèi)起伏波動的特性。如果給節(jié)點(diǎn)設(shè)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(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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(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)波動時(shí)，不會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)激活。余量的要求如下：

　　基站判斷為開啟時(shí)，對余量的要求如下：

4仿真與性能分析

　　對算法結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，需要得知一個小區(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)目中的說明，一天中業(yè)務(wù)量的變化可以由一天中激活的用戶數(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。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)過算法優(yōu)化前后，小區(qū)節(jié)點(diǎn)和基站的開啟狀態(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)閉基站周圍部分節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)對業(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)消耗能量對應(yīng)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶激活數(shù)量整體較低時(shí)，經(jīng)過優(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

　　本文研究了一種無定形小區(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、用戶接入、區(qū)間干擾、業(yè)務(wù)負(fù)載量、系統(tǒng)能耗5個角度對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)建立模型，并對轉(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。

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