一种优化LTE-U系统能效的方法与流程

本发明涉及无线通信系统领域。本发明设计了一种优化LTE-U系统能效的方法来解决LTE-U系统的能耗问题。
背景技术：
：随着智能个人设备的发展，例如智能手机、平板电脑、笔记本，用户对于数据流量的需求在不断增加，在此，有限的授权频段已经成为了继续提高用户日益增长的流量的瓶颈。大部分已有技术是为了提高授权频段的频谱效率，但受限于授权频段资源有限性，而其使用效率已达上限。因此为了满足不断增加的无线通信用户的需求，业界不得不考虑在LTE系统中使用免授权频段，继而出现了免授权LTE系统(LTE-U系统)。LTE-U，也被第三代合作伙伴计划(3GPP)称为LAA，是LTE标准操作在免授权频段的一种延伸。由于拥有中心式的调度和资源分配算法，在LTE系统上把数据分流到免授权频段上，这样不仅可以减轻在授权频段上的拥堵问题，还可以提高用户体验和能量效率。但是由于Wi-Fi系统一直是免授权频段的主要使用者，因此如果要在LTE系统中使用免授权频段，就要确保Wi-Fi系统性能不会受到影响，这就是LTE系统和Wi-Fi系统上的免授权频段的共存问题。为了解决共存的问题，针对免授权频段LTE-U系统，提出了三种主要的解决方案，前两个是基于时分双工(TDD)，分别叫做先听后发(LBT)的信道访问机制和载波感知自适应传输(CSAT)，由于Wi-Fi系统是采用载波监听多点接入/碰撞检测(CSMA/CA)基于无线网络的信道访问方案，是能够提供公平的共存，属于LBT机制。第三代合作伙伴计划(3GPP)已经标准化了LBT的协议[1]，在LTE免授权频段被称为许可辅助访问(LAA)。LBT是基于自适应信道访问方案[2]，提出了保证和平共存的问题和解决对于小基站的LTE免授权系统的联合频谱的管理问题。相比之下，根据duty-cycle方法，CSAT将进行传输，LTE系统会周期性地通过在免授权频段使用几乎空白的予帧(ABS)来开关信号[3]。根据以上的分析，我们可以发现当前工作的重点是在保证授权频段和免授权频段和谐共处的情况下，提升系统的频谱效率(SE)。然而，除了SE，对于设计和构造5G的LTE-U系统时，EE也是另一个首要关注的问题。事实上，由于每个国家为了确保和谐的共存，在免授权频段上的传输功率都有着严格的规定。因此，在LTE-U系统上的EE比其他的蜂窝系统更值得关注。目前，对于LTE-U系统的研究还比较少。[4]提出了假设授权频段上的EE比免授权频段要高的情况下，对于最大化LTE-U系统EE的研究。本发明是在LTE-U小蜂窝系统下，当小基站(SBS)复用大基站的授权频段和Wi-Fi系统站点(APs)上的免授权频段，提出了一种优化LTE-U系统的能效的方法。基于LTE-U系统的负载情况，对系统分步进行最大化授权频段和免授权频段上的EE，充分考虑了不同频段能效与不同负载之间的关系，以达到优化系统EE的目的。参考文献[1]Release13-3GPP，http：//www.3gpp.org/release-13.[2]R.Yin，G.Yu，A.Maaref，，andG.Li，“LBT-basedadaptivechannelaccessforLTE-Usystems，”IEEETrans.WirelessCommun.，vo.15，no.10，pp.6585-6597，Oct.2016.[3]E.Almedia，A.Cavalante，R.Paiva，F.Chaves，F.Abinader，R.Vieira，S.Choudhury，E.Tuomaala，andK.Doppler，“EnablingLTE/Wi-FicoexistencebyLTEblanksubframeallocation，”IEEECommun.Mag.，vol.52，no.11，pp.54-61，Nov.2014.[4]Q.Chen，G.Yu，R.Yin，A.Maaref，G.Y.Li，andA.Huang，“Energyefficiencyoptimizationinlicensed-assistedaccess，”IEEEJ.onSelectedAreasinCommun.，pp.723-734，vol.34，no.4，April2016.技术实现要素：本发明的目的是提高TLE-U系统的能效问题，提供了一种基于系统负载方法，通过在不同的吞吐量的限制条件下去分别优化授权频段和免授权频段的EE，在保证LTE与Wi-Fi系统共存的情况下提高能效。本发明的方法是基于系统的负载情况，先通过最大化授权频段上能效(EE)，然后通过最大化免授权频段的EE，去补充用户使用了授权频段后所需要的传输速率；或者先通过最大化免授权频段上的EE，再通过最大化授权频段的EE来补充用户在使用免授权频段后所需要的传输速率，以实现优化LTE-U系统的能效。附图说明图1是本发明所采用的系统模型。图2是优化能效算法的流程图。图3是本发明优化方法的仿真图。具体实施方式1、系统吞吐量正如图1所示，本发明假设一个小基站(SBS)复用一个大基站(MBS)的上行链路和K个Wi-Fi站点(APs)的免授权频段去服务M个用户。由于OFDMA在SBS的授权频段中使用，把授权频段信道分成N个子信道。在SBS上实现的传输速率可以分为授权频段和免授权频段两个部分。当SBS使用授权频段上的第n个子信道去服务第i个用户时，其传输速率为：其中，为第i个用户在第n个子信道上的时分因子，满足当则为0；B(L)为子信道的带宽；为分配到第i个用户在第n个子信道上的发送功率；为SBS和第i个用户之间的干扰功率谱密度；N0为噪声功率谱密度。因此，SBS在授权频段上总的吞吐量为：在另一方面，SBS在免授权频段上，第i个用户在第k个APs上的传输速率为：其中，为分配到第i个用户在第k个APs上的发送功率；为SBS和第i个用户之间在第k个APs免授权信道上的干扰功率谱密度；βi，k为第i个用户在第k个APs免授权信道上的时间占有量；为第k个APs免授权信道上的带宽。然后，SBS在免授权频段上的总吞吐量为：根据授权频段和免授权频段的吞吐量，我们可以得到SBS的总吞吐量为：2、功耗模型SBS的功耗可以分为两个部分，第一个部分是功率消耗在授权频段上，包括无线传输功率和电路消耗功率。无线传输功率在授权频段上可以表示为：这里，ω(L)≥1是在授权频段的功放效率的倒数。第二个部分是在免授权频段上的功率消耗，包括在SBS上消耗的传输功率和当SBS监听免授权频段所消耗的功率，表示为：这里，ω(U)≥1是在免授权频段的功放效率的倒数，是当SBS监听免授权频段时的功率消耗。因此，在SBS上总的功率消耗PS为(6)、(7)和固定的电路损耗的总和，分别是授权频段和免授权频段的电路功率损耗，可以表示如下：3、能效部分授权频段与免授权频段的EE分别可以定义为：在这里，对于系统能效的优化问题，可以把优化分为两个部分，分别对授权频段与免授权频段进行优化操作，表示如下：限制条件如下：这里，是在授权频段上的传输功率矩阵，是在免授权频段上的传输功率矩阵，是用户在授权频段上的时分因子矩阵，β＝(βi，k)i∈M，k∈K是在免授权频段上分配给用户的时间占有量矩阵，是基于WiFi系统和SBS和谐共存的条件下允许SBS在免授权频段上的最大占有量。约束条件(13a)是在SBS上总的传输功率限制，PT为总功率限制，(13b)是在免授权频段上的传输功率限制，(13c)用户所要求的吞吐量，(13d)允许用户在免授权频段上时间占有量的上限，(13e)是用户在授权频段频段上的时分因子的限制。4、最大化流程基于上述的分析，最大化系统能效的过程如下：最大化LTE-U系统的EE，就是要联合考虑授权频段和免授权频段的EE。因此，系统的EE表示如下：然后，根据上面系统的EE的定义，对应的最大化系统EE的问题可表示为：其约束条件为(13a)，(13b)，(13c)，(13d)，(13e)。A.独立使用授权频段和免授权频段若分别最大化EE(L)或EE(U)时，并没使用免授权频段和授权频段上的资源，则可以进行以下的方法，把问题(15)转化为下面两个问题的其中一个：(1).若并且满足那么问题(15)就等价于问题(11)，(2).若并且满足那么问题(15)就等价于问题(12)，这里，就是所优化的系统EE。B.联合使用授权频段和免授权频段当求解问题(11)时，存在或者当求解问题(12)时，存在授权频段和免授权频段在SBS上则需要联合地去优化系统的EE。在这种情况下，由于单个频段不再满足系统的用户需求，则系统最优的EE不再等于或1)基于授权频段使用，优化EE(sys)：第一步，最大化EE(L)并得到在授权频段子信道上的功率和频谱的分配。计算在每个用户i在授权频段上可实现的传输速率，如果小于用户所要求的传输速率要求则把用户i放进集合并且计算用户需求减去用户已经实现的速率：第二步，在免授权频段上最大化EE(U)，替换用户传输速率要求为集合对应的优化为：限制条件如下：条件(16a)是在授权频段消耗部分功率后在免授权频段上的功率限制，条件(16b)是替换成在集合中用户的传输速率，这里的传输速率是在单独使用授权频段后，未满足用户的传输速率要求，免授权频段需要给用户补充的传输速率。通过在第一步得到的R(L)和P(L)和在第二步得到的R(U)和P(U)，可以得到系统的EE，为：2)基于免授权频段使用，优化EE(sys)：第一步，最大化EE(U)并得到在免授权频段上的功率和频谱的分配。计算在每个用户i在免授权频段上可实现的传输速率，如果小于用户所要求的传输速率要求则把用户i放进集合并且计算用户需求减去用户已经实现的速率：第二步，在免授权频段上最大化EE(L)，替换用户传输速率要求为集合对应的优化为：限制条件如下：条件(17a)是在免授权频段消耗部分功率后在授权频段上的功率限制，条件(17b)是替换成在集合中用户的传输速率，这里的传输速率是在单独使用免授权频段后，未满足用户的传输速率要求，授权频段需要给用户补充的传输速率。通过在第一步得到的R(U)和P(U)和在第二步得到的R(L)和P(L)，可以得到系统的EE，为：3)优化系统EE：根据上述所得到的和可得到优化的系统EE：C.算法开发对于以上的分析，对应地提出了优化系统EE的方法。首先，若如上所述，单一频段能满足用户的传输速率需求，则单独使用授权频段或者免授权频段去优化系统EE。若不能，则先最大化在授权频段上的EE，SBS检查是否满足每个用户的传输速率的要求，如果授权频段还没有满足用户的传输速率需求，那么通过最大化免授权频段上的EE，让免授权频段去补充用户的传输速率需求。然后，最大化在免授权频段上的EE，SBS检查是否满足每个用户的传输速率的要求，如果免授权频段还没有满足用户的额传输速率需求，那么通过最大化授权频段上的EE，让授权频段去补充用户的传输速率需求。最后SBS可以比较两者的系统EE，通过相应的功率和频谱分配优化系统的EE。具体的流程图如图2所示。5.仿真分析本发明的仿真所采用的参数如下：参数数值授权频段信道增益15.3+3.75*log(10)(d)免授权频段信道增益15.3+5*log(10)(d)总的传输速率35dBm免授权频段的传输速率25dBmω(L)，ω(U)0.35-1，0.29-1AWGN噪声功率-95dBm(over20MHz)本发明通过计算在不同用户数下的EE(sys)、进行比较可以明显得到：本发明所采用优化方法的性能优于单独优化授权频段或免授权频段的性能，接近于直接优化整个系统EE的性能。1、EE(sys)是直接最大化两个频段，表示如下：2、是基于本发明所采用的优化方法，表示如下：3、是单独优化免授权频段而得到的，表示如下：4、是单独优化授权频段而得到的，表示如下：当前第1页1 2 3