面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，涉及一种面向能量节约的基站功率控制和用户关联的 联合优化方法。
【背景技术】
[0002] 智能终端的普及和各种应用的出现，移动数据流量呈现爆炸性增长。为了满足用 户的流量需求，运营商在宏基站的基础上部署了更多的小型基站，形成了多层蜂窝网络。因 为在此场景中，不同类型的基站的覆盖范围、管理方式和部署形式都有所不同，所以这种多 层蜂窝网络又被称为异构蜂窝网络。这些小型基站分布在流量需求较大的热点区域和宏基 站信号较弱的室内区域，增加了蜂窝网的覆盖范围和系统容量，满足了用户的流量需求。
[0003] 然而小型基站的广泛部署带来了能量消耗的急剧增加，增大了运营商的运营开 销。不仅如此，能量消耗的增加使全球二氧化碳的排放量增加，加剧了温室效应。为了减轻 信息通信产业对环境的影响，同时降低运营商的运营开销，学术界和产业界已经展开对"绿 色通信"的研究。绿色通信一方面利用太阳能、风能等绿色能源为基站供电，另一方面关注 于根据流量的空间和时间变化开启或关闭相应基站以减少能量消耗。蜂窝网中大约有60-80%的能量消耗在基站侧，因此减少基站的能量消耗对提高整个网络的能量效率有重大意 义。运营商通常按照峰值流量需求部署基站，而整个网络的流量随着时间和空间不断变化， 因此在任意时刻，总有一些基站的负载较低。基站内有大约70%的能量消耗在功率放大器 和空调上，而这些能量消耗与负载无关。因此在流量需求较低的时段(如凌晨)关闭部分低 负载基站，使其进入休眠状态，可以极大地减少整个网络的能量消耗。
[0004] 基站开关策略一方面需要降低基站的能量消耗，另一方面需要满足用户需求。用 户需求包含两个方面:对接入的需求和对吞吐量的需求。接入的需求指用户能够接入某个 基站，即用户对某个基站的接收信号强度大于某个阈值。吞吐量的需求指用户得到的吞吐 量能够满足业务需求。这两个方面的需求与基站的发射功率密切相关。基站的发射功率不 但决定了基站的工作状态(开启和休眠），而且决定了蜂窝网的覆盖范围和容量。因此基站 开关策略不但要确定哪些基站休眠，而且要确定开启的基站的发射功率，在满足用户需求 的条件下最小化整个网络的能量消耗。
[0005] 基站开关策略与流量的空间分布密切相关。在某个特定的时刻，整个网络的流量 分布并不均匀。一般情况下，在白天时段，工作地点和商业区的流量大于住宅区的流量，而 夜晚正好相反。运营商通过研究历史流量分布规律，可以大致估计未来一天内每个小时的 流量的空间分布，将这些信息用于基站开关策略，有助于提高网络的配置速度和可控性。
[0006] 基站的能量消耗不仅与各部件的功率有关，而且与基站的负载有关。基站的负载 (在区间[0，1 ]内）表示基站长期的工作负荷，负载越大，表明基站工作的时间越长，无线发 射端消耗的能量越大。用户与基站的关联规则决定了各个基站的负载，因此在基站休眠问 题中不仅要考虑开关哪些基站和相应的发射功率，而且要考虑用户与基站的关联规则。
[0007] 基站数目的增多带来的另外一个问题是小区间干扰的增大。为了使系统容量达到 最大，各个基站一般使用相同的频段，这会造成严重的同频干扰。小区间干扰的强度与小区 的负载有关，负载越大，它对周围小区的干扰越大，反之亦然。小区间干扰严重影响了用户 的传输速率，因此在关联规则中需要考虑动态的干扰环境，但现有技术中没有一种方法能 够将各基站的发射功率和用户关联策略联合起来的方法，从而通过该方法使能量消耗、用 户的总时延和网络覆盖的用户比重达到合理的折中。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种面向能量节约的基站功 率控制和用户关联的联合优化方法，该方法能够进行基站功率控制与用户关联策略联合优 化，使能量消耗、用户总延时和网络覆盖的用户比重达到折中。
[0009] 为达到上述目的，本发明所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合 优化方法包括以下步骤：
[0010] 1)考虑异构蜂窝网络中下行传输场景的基站功率控制和用户关联，设区域L被基 站的集合Β={1，2，···，Ν}覆盖，获取用户在位置X接入基站i的信干噪比 yi(X，ri)，XeL，ie B，n为N个基站的负载，再根据香农公式获取在负载为ri的条件下用户在位置X接入基站i的 传输速率 Ci(x，q);
[0011] 2)根据步骤1)得到的用户在位置X接入基站i的信干噪比γι(χ，ι?)以及用户在位 置X接入基站i的传输速率 Cl(x，n)得关于负载η的函数；
[0012] 3)根据步骤2)得到的关于负载Tl的函数建立以基站的能量消耗、用户的总时延和 网络覆盖的用户比重为优化目标的优化问题；
[0013] 4)将步骤3)得到的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为优 化目标的优化问题分解为用户关联问题及功率控制问题，求解所述用户关联问题，得在各 基站发射功率为P t时，用户关联问题取最小值的负载rf，然后根据用户关联问题取最小值的 负载rf通过单形法求解所述功率控制问题，得最优发射功率P tt，基站根据所述最优发射功 率口#向用户进行信息的发送。
[0014] 设用户接入网络的过程服从参数为λ的泊松过程，每个业务的平均大小为ybit，用 户的分布密度为S(X)，则单位时间单位面积上需求的数据量σ(χ)=λμδ( χ)，得用户在位置X 接入基站i的信干噪比γ i(x，n)为
[0016] 其中，η为N个基站的负载，η = [ ηι，，…，％ ]T，ni e [ 0，1 ]，#为基站1的发射功率， gl(x)为位置X到基站i的路径损耗，θ为噪声功率。
[0017]在负载为η的条件下，用户在位置X接入基站i的传输速率Cl(x，n)的表达式为： [0018] ci(x,n)=B l〇g2(l+yi(x,n)) (2)
[0019] 其中，B为带宽。
[0020] 设负载密度Ki(x，n)为流量强度与传输速率的比值，其中，
[0023]设函数fi(n)的表达式为：
[0024] fi(n) =min{jLKi(x,n)qi(x)dx, I-eI (4)
[0025]其中，ε为任意小的正数JLKi(XA)qi(X) cIx为对负载密度的积分JLiCi(x，n)qi(x) dx为基站i的负载，设向量值函数f = [fi，f2，···，fN]T，则负载η为向量值函数f在[0，1广内的 固定点，且负载η满足
[0022]设用户在位置x接入基站i的概率Sq1(X),其中，qi(x)e[0，l]，
[0026] n=f(n) (5)
[0027] 当基站的发射功率 ，由式(5)得
[0028] n = f(n,P^q(X)) (6) 〇
[0029] 步骤3)中建立的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为优化 目标的优化问题为：
[0032] 其中，Ε(ρ'τ?)为能量消耗，Q(Il)为总时延，C(Pt)为网络覆盖的用户比重，扮和此分 别为总时延目标和网络覆盖的用户比重相对于能量消耗目标的权重。
[0033]能量消耗E(pt，n)的表达式为：
[0039] 当各基站的发射功率为Pt时，则网络覆盖的用户比重C (Pt)的表达式为：
[0040] C(pt) = iL^(x)dx (11)
[0041 ] 其中
[0043] I/为至少存在一个基站的接收信号强度大于门限值pmin的区域的集合。
[0044] 由式(7)得
[0046]将使(7)分解为用户关联问题及功率控制问题，其中，用户关联问题为：
[0054]当各基站的发射功率Pt矣0,当用户按式（18)接入各基站时，则能够保证用户关联 问题取得最小值，其中
[0056] 其中，rf为在各基站发射功率为Pt时，使用户关联问题取最小值的负载，采用迭代 算法求解式(18)，得用户关联问题取最小值的负载rf;
[0057] 将用户关联问题取最小值的负载rf代入功率控制问题中，再通过单形法求解最优 发射功率p'
[0058]本发明具有以下有益效果：
[0059]本发明所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法在优化 过程中，根据关于负载η的函数建立以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比 重为优化目标的优化问题，然后将所述优化问题分为功率控制问题及用户关联问题，再求 解所述用户关联问题，得到基站发射功率为P t时，用户关联问题取最小值的负载rf，然后再 将所述用户关联问题取最小的负载rf通过单行法求解所述功率控制问题，从而得到最优发 射功率pw，基站再以所述最优发射功率行信息的传输，从而实现考虑功率控制及用户 关联使能量消耗、用户总延时和网络覆盖的用户比重达到折中。
【附图说明】
[0060] 图1为本发明中用单形法求解功率控制问题的流程图。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0062] 参考图1，本发明所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方 法包括以下步骤：
[0063] 1)考虑异构蜂窝网络中下行传输场景的基站功率控制和用户关联，设区域L被基 站的集合Β={1，2，···，Ν}覆盖，获取用户在位置X接入基站i的信干噪比 yi(X，ri)，XeL，ie B，n为N个基站的负载，再根据香农公式获取在负载为ri的条件下用户在位置X接入基站i的 传输速率Ci( x，q);
[0064] 2)根据步骤1)得到的用户在位置X接入基站i的信干噪比γι(χ，ι?)以及用户在位 置X接入基站i的传输速率 Cl(x，n)得关于负载η的函数；
[0065] 3)根据步骤2)得到的关于负载Tl的函数建立以基站的能量消耗、用户的总时延和 网络覆盖的用户比重为优化目标的优化问题；
[0066] 4)将步骤3)得到的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为优 化目标的优化问题分解为用户关联问题及功率控制问题，求解所述用户关联问题，得在各 基站发射功率为P t时，用户关联问题取最小值的负载rf，然后根据用户关联问题取最小值的 负载rf通过单形法求解所述功率控制问题，得最优发射功率P tt，基站根据所述最优发射功 率口#向用户进行信息的发送。
[0067] 设用户接入网络的过程服从参数为λ的泊松过程，每个业务的平均大小为ybit，用 户的分布密度为S(X)，则单位时间单位面积上需求的数据量σ(χ)=λμδ(χ)，得用户在位置X 接入基站i的信干噪比γ i(x，n)为
[0069] 其中，n为N个基站的负载，η= [ηι ,112,…，nN]T，rue [0, 1]，W为基站i的发射功率， gl(x)为位置X到基站i的路径损耗，Θ为噪声功率。
[0070] 在负载为n的条件下，用户在位置X接入基站i的传输速率Cl(x，n)的表达式为：
[0071] ci(x,n)=B l〇g2(l+yi(x,n)) (2)
[0072] 其中，B为带宽。
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