本发明涉及无线通信技术领域，具体来讲是一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统。
背景技术：
5g(第五代移动通信技术)将网络信息的应用范围从目前的“人-网”通信拓展至“人-网-物”协同通信、超密集连接物联网、车联网以及工业互联网等更为广泛的领域。未来5～10年，网络与通信技术的长远发展方向是万物互联，连接数量从百亿级发展到千亿级。因此，面向低功耗、超大链接应用的窄带物联网有望成为一种大范围覆盖的网络基础设施。
在5g时代，无线通信行业的资源可以有很多，大多可以通过其他方式进行优化、补充和完善。但是，不可再生的无线稀缺资源仅有时间(时域)、频谱(频域)和能源(功率域)，它们是通信行业的阳光、空气和水。在4g网络向5g网络演进的过程中，千差万别的海量小数据业务(比如：传感器、穿戴设备、表类设备等)的需求与濒临匮乏的无线资源已形成异常严峻的矛盾，比如：6ghz频段以下已经很难找到300mhz以上的连续频谱资源作为支持，流量热点的峰值和均值随时间、地域变化不可知，以及网络系统和射频链路硬件的功耗越来越大，极易出现负载不均衡等问题。因此，“云化”无线网络中的各种资源是解决这些问题的关键。
目前，大规模天线阵列(massivemimo)增加了天线孔径，通过相干合并可以降低上下行链路所需的发射功率，符合未来“绿色通信”的要求。业内已经证明基站发射功率与基站的天线数成反比，而当信道状态不理想时，则与天线数的平方根成反比。同时，信道反馈开销仅与每个小区的用户数相关，与基站天线数无关。因此在理论上，未来5g网络中的大规模天线阵列的天线数目将会趋于无穷，因此规划这些天线的资源池，对其进行优化选择显得尤为必要。根据资源的空闲状态选择其中几根天线进行数据传输，同时也应该将一个区域内的所有大规模天线阵列的基站设备进行资源池化。目前，这种无线资源池化技术(包括天线、基站等)应用广泛。然而，资源池化技术资源选择的算法并没有考虑到设备能量和功率的要求，无法充分利用单个资源有限的功率负荷，最大化的平衡资源的系统容量和所需的能量效率。
因此，如何提出一种优化的基于大规模天线阵列的无线功率云化方案，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统，实现了无线网络功率域云化，能充分利用单个资源有限的功率负荷，有效解决了各种业务数量日益增长与网络中不可再生资源匮乏之间的矛盾。
为达到以上目的，本发明提供一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，该方法包括以下步骤：
s1、创设一个空闲能量因子eidle，用于表示在单位频率中包含剩余功率的因素；并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式为：
s2、大规模天线阵列中的每个天线将自己的状态信息发送至基站控制器，基站控制器通过网关将状态信息上传至云服务器；
s3、云服务器根据每个天线的状态信息，按照定义的空闲能量因子的计算公式，计算出每个天线的空闲能量因子；并按照空闲能量因子由大至小的顺序，挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；
s4、云服务器按照基于空闲能量因子的调度算法，从当前天线资源池中动态地选取出可被占用天线，并广播该选取结果；
s5、成为可被占用天线后，该天线将当前的状态信息上传至云服务器进行登记；云服务器根据使用需要为登记后的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。
在上述技术方案的基础上，步骤s2中，每个天线发送的状态信息包括：最大有效发射功率、已分配的功率、信噪比、信号强度、频谱带宽、用户数。
在上述技术方案的基础上，步骤s4具体包括以下流程：
s41、当前天线资源池中的天线将自己的状态信息通过各自的基站控制器和网关上传至云服务器，并在该状态信息中携带可使用选取轮数、未收到通告次数的信息；
s42、云服务器每当收到天线上传的状态信息，根据状态信息判断该天线的可使用选取轮数是否为第一轮或者未收到通告次数是否等于预设的最大次数，若是，转入步骤s43；否则，转入步骤s44；
s43、将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤s45；
s44、将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤s45；
s45、若该天线被选取为可被占用天线后，云服务器通过网关向该天线所在的基站发送控制消息，指定该天线成为可被占用天线；同时，该天线所在的基站将该天线的状态信息以通告形式广播给大规模天线阵列中的其他天线；所述其他天线若未收到通告，则将自己的未收到通告次数自增1。
在上述技术方案的基础上，步骤s43中，将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线，具体包括以下操作：将该天线的空闲能量因子与当前天线资源池中其余未被选中的天线的空闲能量因子进行比较，若该天线的空闲能量因子为最大，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。
在上述技术方案的基础上，步骤s44中，将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线，具体包括以下操作：
1)利用改进后的退火算法计算出阈值t(n)，该改进后的退火算法为：
其中，p为天线成为可被占用天线的百分数；r为当前选取轮数；g为在最近的1/p轮中未当选可被占用天线的天线集合；n表示第n个天线；e’idle表示第n个天线的空闲能量因子；
2)根据信号强度、频谱带宽、用户数的加权运算随机生成一个0～1之间的随机数；将生成的随机数与阈值t(n)做比较，如果小于该阈值t(n)，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。
在上述技术方案的基础上，该方法还包括天线资源池动态更新操作：1)、未加入到天线资源池中的天线收到通告后，根据通告中携带的状态信息获取到当前被选取为可被占用天线的信号强度；若未加入到天线资源池中的天线的信号强度大于获取到的信号强度，则通过其所在的基站控制器及网关，向云服务器发送加入请求，并在该加入请求中携带其自身的状态信息和空闲能量因子；2)、云服务器根据加入请求中的空闲能量因子，判断发出加入请求的天线的空占比是否在预设的空闲阈值以内，若是，则将该天线加入到天线资源池中。
在上述技术方案的基础上，若当前天线资源池中可被占用天线的占比小于50％，则当前天线资源池不再接收其他天线的加入。
在上述技术方案的基础上，步骤s3中，所述指定个数为一个预设值，该预设值根据云服务器的实际性能进行设置。
本发明还提供一种应用上述方法的基于大规模天线阵列的无线功率云化的系统，该系统包括云服务器、大规模天线阵列、若干基站控制器和若干网关；大规模天线阵列中的每个天线对应一个基站控制器，每个基站控制器对应一个网关；
所述大规模天线阵列中的每个天线通过对应的基站控制器、网关向云服务器发送状态信息；所述云服务器用于：创设空闲能量因子，并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式；当大规模天线阵列中的每个天线上传状态信息后，根据每个天线的状态信息计算出每个天线的空闲能量因子，按照空闲能量因子由大至小的顺序挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；并按照基于空闲能量因子的调度算法，从天线资源池中动态地选取出可被占用天线；选出可被占用天线后，根据使用需要为选出的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。
在上述技术方案的基础上，所述指定个数为一个预设值，该预设值根据云服务器的实际性能进行设置。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对无线通信网络中不可再生的功率资源提出了一个资源云化共享的方案。通过设计的一个广泛适用的空闲能量因子eidle，将该空闲能量因子eidle与云化算法相结合提出了一个基于空闲能量因子的天线选择调度算法，能够充分共享网络硬件的剩余功率资源，从而充分利用单个资源有限的功率负荷，有效解决了各种业务数量日益增长与网络中不可再生资源匮乏之间的矛盾。无线网络设备利用上述云化技术，能够充分发挥5g网络的广覆盖、大链接和低成本特性，同时最大化地降低了对主流无线网络设备的干扰，高效率利用有限且稀缺的网络资源，为未来5g网络发展奠定了坚实的基础。
(2)本发明的无线功率云化方法和系统具有很强的灵活性和适应性，不仅适用于大规模天线设备，同样也适用于其他无线网络设备，适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例中基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法的流程图；
图2为本发明实施例中步骤s4的具体流程图；
图3为本发明实施例中基于大规模天线阵列的无线功率云化的系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，该方法包括以下步骤：
步骤s1、创设一个空闲能量因子eidle，用于表示在单位频率中包含剩余功率的因素；当空闲能量因子eidle应用到大规模天线阵列中时，定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式为：
步骤s2、大规模天线阵列中的每个天线将自己的状态信息发送至基站控制器，基站控制器通过网关将状态信息上传至云服务器。
实际操作时，每个天线发送的状态信息包括：最大有效发射功率、已分配的功率、信噪比、信号强度、频谱带宽、用户数等信息。
步骤s3、云服务器根据每个天线的状态信息，按照步骤s1中定义的空闲能量因子的计算公式，计算出每个天线的空闲能量因子eidle；并按照空闲能量因子eidle由大至小的顺序，挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中。可以理解的是，所述指定个数为一个预设值，可根据云服务器的实际性能进行合理设置。
步骤s4、云服务器按照基于空闲能量因子的调度算法，从当前天线资源池中动态地选取出可被占用天线，并广播该选取结果。
实际操作时，步骤s4具体包括以下流程：
步骤s41、当前天线资源池中的天线将自己的状态信息通过各自的基站控制器和网关上传至云服务器，天线上传的状态信息中还包括可使用选取轮数、未收到通告次数(如no_round)的信息。
步骤s42、云服务器每当收到天线上传的状态信息后，根据状态信息判断该天线的可使用选取轮数是否为第一轮或者未收到通告次数(如no_round)是否等于预设的最大次数(如max_round)，若是，转入步骤s43；否则，转入步骤s44。
步骤s43、将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤s45。具体来说，其确定过程为：将该天线的空闲能量因子与当前天线资源池中其余未被选中的天线的空闲能量因子进行比较，若该天线的空闲能量因子为最大，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。
步骤s44、将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤s45。具体来说，其确定过程为：
1)利用改进后的退火算法计算出阈值t(n)，该改进后的退火算法为：
其中，p为天线成为可被占用天线的百分数(例如，天线资源池中有100个天线，p为10％，则表明天线资源池中有10个天线可成为可被占用天线)；r为当前选取轮数；g为在最近的1/p轮中未当选可被占用天线的天线集合；n为天线的编号，表示第n个天线；e’idle表示第n个天线的空闲能量因子；
2)根据信号强度、频谱带宽、用户数的加权运算随机生成一个0～1之间的随机数；将该随机数与阈值t(n)做比较，如果小于该阈值t(n)，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。
步骤s45、若该天线被选取为可被占用天线后，云服务器通过网关向该天线所在的基站发送控制消息，指定该天线成为可被占用天线；同时，该天线所在的基站将该天线的状态信息以通告形式广播给大规模天线阵列中的其他天线(即包括不在当前天线资源池中的天线)；所述其他天线若未收到通告，则将自己的未收到通告次数(如no_round)自增1。
步骤s5、成为可被占用天线后，该天线将当前的状态信息上传至该天线所在的基站，并通过该基站将当前的状态信息上传至云服务器进行登记；云服务器根据使用需要为登记后的天线分配功率资源(即使用该天线)，处理该天线设备的海量数据，直至该天线使用完毕后释放功率资源。
进一步地，为了提高天线资源池的可扩展性及包容性，使得天线资源调度合理有效，在一种实施方式中，该方法还包括天线资源池动态更新操作：
1)、未加入到天线资源池中的天线收到通告后，根据通告中携带的状态信息获取到当前被选取为可被占用天线的信号强度；若未加入到天线资源池中的天线的信号强度大于获取到的信号强度，则通过其所在的基站控制器及网关，向云服务器发送加入请求，并在该加入请求中携带其自身的状态信息(包括最大有效发射功率、已分配的功率、信噪比、信号强度、频谱带宽、用户数等信息)和空闲能量因子。
2)、云服务器根据加入请求中的空闲能量因子，判断发出加入请求的天线的空占比(该空占比通过空闲能量因子计算得到)是否在预设的空闲阈值以内(即小于等于空闲阈值)，若是，则记录该天线的编号，并将其加入到天线资源池中。可以理解的是，该空闲阈值可根据实际需要进行自定义设置。
更进一步地，在上述天线资源池动态更新操作的基础上，为了有效的对加入资源池的天线数量进行合理控制，使得天线资源调度更加合理有效。上述天线资源池动态更新操作还包括以下处理流程：若当前天线资源池中被占用天线数的占比小于50％，则当前天线资源池不再接收其他天线的加入。
本发明实施例采用一种光纤连接根据不同故障类型实时变为不同颜色的方式，快速直观的将光线路侧故障采用图形化方式直接呈现在用户眼前。在传输网络日常开通和维护的过程中，光线路侧发生错连或物理层、逻辑层故障时，可以在拓扑图上快速直观的通过光纤连接的颜色变化直接呈现给用户，便于用户快速发现和定位故障。
参见图3所示，本发明实施例还提供一种应用上述方法的基于大规模天线阵列的无线功率云化的系统，该系统包括云服务器、大规模天线阵列、若干基站控制器和若干网关。
其中，大规模天线阵列中的每个天线对应一个基站控制器，每个基站控制器对应一个网关；所述大规模天线阵列中的每个天线通过对应的基站控制器、网关向云服务器发送状态信息；所述云服务器用于：创设空闲能量因子，并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式；当大规模天线阵列中的每个天线上传状态信息后，根据每个天线的状态信息计算出每个天线的空闲能量因子，按照空闲能量因子由大至小的顺序挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；并按照基于空闲能量因子的调度算法，从天线资源池中动态地选取出可被占用天线；选出可被占用天线后，根据使用需要为选出的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。