超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，包括步骤1：设定双层异构网络场景；步骤2：进行子信道分配；步骤3：给宏基站和每个家庭基站的每个子信道进行初始功率分配；步骤4：判断所有的家庭基站功率分配是否收敛，或是迭代次数已超过上限；步骤5：求得本家庭基站的最优的发射功率分配；步骤6：终止此次迭代，每个家庭基站的无线资源分配完成，等待下一次调度。本发明既考虑了家庭基站用户的QoS需求，又通过Energy Harvest技术使异构网络的能量效率得到很高提升。
【专利说明】
超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信工程领域，涉及超密集网络部署场景，具体涉及一种超密集网络 中考虑能量收集的高能效功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着移动互联网技术的飞速发展，用户对移动数据流量的需求越来越大， 呈指数级增长。移动数据业务需求的剧增与稀缺的无线频谱资源之间的矛盾已经逐渐成为 现有宏蜂窝网络面临的主要挑战。由于LTE网络大多使用高频段，室内环境的信号覆盖不甚 理想。为满足用户的业务需求，特别是室内业务需求，在宏蜂窝网络中部署低功率接入点可 进一步拉近用户与服务其基站的距离，减小信号到达用户时的衰减，增强网络的有效覆盖、 减少服务盲区，并为宏蜂窝网络分流数据业务负载，提高频谱资源利用效率。
[0003] 与普通的宏基站相比，Femtocell具有体积小、发射功率低、用户自行安装和维护、 即插即用等特点，特别是在减轻宏蜂窝网络严重负载等问题上有突出优势，因而家庭基站 具有非常广阔的应用前景，目前国内外各大运营商、设备商都给予家庭基站以极大的关注。 由于Femtocell的巨大商业潜力和前景，国际标准化组织3GPP、3GPP2等标准化组织都给予 了Femtocell以大量的关注。
[0004]统计数据显示移动通信网的能耗占信息产业总能耗的15%~20%，并且随着移动 通信网络和用户群规模的进一步扩大，移动通信网络的能耗仍然会保持高速增长的态势。 出于环境保护以及降低运营成本的考虑，通信行业对于降低移动通信网络的能耗越来越多 重视。虽然家庭基站的能耗相对宏基站的能耗要小很多，但是由于家庭基站的部署数量远 远高于宏基站的部署数量，因此，整个家庭基站网络的能耗也是一个不可忽视的数字。同 时，将节能技术的应用与家庭基站相结合也是家庭基站能够得到推广的重要因素之一。传 统的移动设备需要电池来进行能量供应，这会有物理容量、需要充电或更换等限制，而诸如 依靠风能、太阳能等的能量获取太依靠自然环境而且收集的能量不可控，相比之下，射频能 量收集(Energy Harvest)是一种更为稳定有效地供能方式，而收集到的能量取决于射频信 号的波长、收集设备与信号源之间的距离等。射频能量收集是指用户可以从射频信号中获 取能量，转化为直流信号并存储，用于传输数据和设备操作。Femtocell在未来无线网络通 信中发挥着重要作用，基于Femtocell的正交频分复用接入技术也已经被主要的无线通信 标准采用。但是因为频谱资源的不足，更多情况下Macrocell和Femtocell之间共享频谱，这 就不可避免地产生同层以及跨层间的干扰。在异构网络部署中，家庭基站的用户可从中收 集能量的射频信号来自同频的宏基站或家庭基站的干扰信号以及环境中的噪声等。本专利 根据这一特征建立了考虑Energy Harvest的异构网络资源分配模型，研究家庭基站的能效 问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种超密集网络中考虑能量收集的高能 效功率控制方法，采用了对每个家庭基站功率迭代的方法，通过加入Energy Harvest为对 用户提供可靠的时延QoS保证的约束，改变传统致密部署的家庭基站网络资源分配方式，达 到了高能量效率的效果，使密集网络部署具有节能、高效的特点，为家庭基站的大规模应用 带来了技术保证。
[0006] 本发明还综合考虑了用户的服务质量需求的多样性，从而实现优化Femtocell能 量效率的目标。一般用户分为时延敏感型用户和时延容忍型用户（这里业务主要按照时延 敏感和时延容忍来区别不同用户需求，比如语音和实时视频流等业务对时延十分敏感，文 件下载和邮件等服务对时延具有一定的容忍度），时延敏感型用户有最低的QoS需求，而时 延容忍型用户没有最低传输速率要求。所以本专利在考虑资源分配的时候也同时考虑了家 庭用户的QoS保障。
[0007] 本发明的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，分以下步骤：
[0008] 步骤1:设定双层异构网络场景，一个宏基站下有若干个同频部署的家庭基站，考 虑下行链路，每个家庭基站服务相等数量的家庭用户(假定家庭用户为封闭式接入），并分 别给家庭基站和其服务的家庭用户编号；
[0009] 步骤2:设定系统总带宽和同频的子信道数，并分别给子信道编号并进行子信道分 配；
[0010] 步骤3:设定家庭基站的发射功率上限，并给宏基站和每个家庭基站的每个子信道 进行初始功率分配，注意初始功率分配的值综合不能超过相应基站最大发射功率；
[0011] 步骤4:判断所有的家庭基站功率分配是否达到最优点（即收敛，收敛指的是总能 效与上一次迭代的能效变化比例不超过0.1 % )，或是迭代次数已超过上限，如果是，则转入 步骤6,否则，每个家庭用户计算每个子信道受到的其他家庭基站以及宏基站的干扰，上报 给服务其的家庭基站，并转入步骤5;
[0012] 步骤5:对于每一个家庭基站，根据上一轮迭代收到的干扰信息和用户的QoS保证 以及每个家庭基站最大发射功率限制，利用以下二分法求得本家庭基站的最优的发射功率 分配；
[0013] (1)、设定能效足够大的上限（10000000000bit/J)和下限(0)，若每次迭代过程中 能效和根据功率求得的容量和能量消耗的比相差不大（比值相差在0.1 %以内），则跳出二 分法迭代进行步骤6，否则，重复步骤(2)、（3);
[0014] (2)、由步骤(1)中得到的能效值和次梯度法求出该家庭基站的功率分配；
[0015] (3 )、由步骤(2)中功率分配求出该小基站的总容量和总功率消耗；
[0016] (4)、如果步骤（1)中求出的能效值与步骤(3)中求出的功率值乘积小于步骤(3)中 的容量值，重新设定能效上限值为步骤（1)中上、下限值和的一半；否则把下限值设为步骤 (1)中上、下限值和的一半，转入步骤4;
[0017] 步骤6:终止此次迭代，每个家庭基站的无线资源分配完成，等待下一次调度。
[0018] 所属步骤1中，家庭用户封闭式接入是指家庭用户只由一个家庭基站服务；
[0019] 所属步骤2中，子信道分配利用Round-Robin-Scheduling的方法进行子信道分配； [0020]所属步骤4中，判断所有的家庭基站功率分配是否达到最优值的方法是保证本次 迭代计算所得到整个系统所有的Femtocell总能效变化小于某一个特定的比例，迭代次数 上限是任意一次调度中，系统所设的功率分配迭代次数的最大值，是一个常量，
[0021]由于整个异构双层网络由许多家庭基站构成，各个基站有使自己覆盖范围内所有 用户能量效率最大化的趋势，所以整个网络构成非合作博弈，每个家庭基站根据所有其他 家庭基站的发射功率来确定自己的发射功率，最终达到一个最优的状态(在该状态下，任何 一个参与者独自改变策略都不会是自己的效益得到增多，称为纳什均衡）。步骤4之前，需要 利用博弈论理论，证明在该模型中，纳什均衡的存在性和唯一性，这两个特性即可以保证最 优值的存在；
[0022]所述的步骤4中，第k个家庭基站的能效值EES:
[0023]
[0024] 其中，K，F，N分别表示总的家庭基站数、每个家庭基站用户数和子信道数，pk,u,n为 相应家庭基站子信道上的发射功率，gk, u,n为相应的增益，Ρτ表示该家庭基站的电路功率消 耗，ε〇表示功率损耗因子，分母部分的后三项分别为由Energy Harvest技术收集到的能量， 其中ηι，Π2，Π3分别表示从有用新号、干扰和噪声进行Energy Harvest的效率，σ42为第k个家 庭基站受到的噪声，表示第k个家庭基站的第η个子信道所受到的总干扰，表示为
[0025]
j=hj^ku,-l
[0026] SINRk,u,n表示该子信道上的信干噪比，表示为
[0027]
[0028]其中，gj,k,w,n为第j个家庭基站在第k个家庭基站相应子信道的发射功率增益，p w,n 为宏基站在相应子信道上的发射功率，gk,w,n为相应的增益。
[0029] 以上技术方法可以看出，本发明的技术方法通过综合考虑密集部署的家庭基站网 络的Energy Harvest技术以及用户的时延QoS要求，通过非合作博弈策略调整家庭基站的 发射功率，使得以能量效率为参数的各家庭基站能量效率之和最高，既保证了家庭基站用 户的时延QoS要求，又提升了各家庭基站的能效，实现了家庭基站网络的节能无线资源管 理。
[0030] 本发明的优点在于：
[0031] (1)本发明既考虑了家庭基站用户的QoS需求，又通过Energy Harvest技术使异构 网络的能量效率得到很高提升；
[0032] (2)本发明在双层异构网络部署的场景中加入Energy Harvest机制，使得能效具 有一定程度的提升；
[0033] (3)本发明在资源分配时考虑了用户的QoS需求，保证传输的可靠性；
[0034] (4)本发明具有Energy Harvest的双层异构网络中各家庭基站进行资源分配时的 非合作博弈模型的纳什均衡的存在性和唯一性的证明，进而使能效逼近最优值的方法有了 理论保证。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明中实施例中关于家庭基站功率分配的流程图；
【具体实施方式】
[0036] 为将本发明的技术方法优势描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施 方式作进一步的详细阐述，显然所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的 实施例，根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上可以实 现本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0037] 图1为本发明中实施例中关于家庭基站功率分配的流程图，其各步骤即为具体实 施方式，
[0038]步骤101:设定双层异构网络场景，一个宏基站下有20个同频部署的家庭基站，每 个家庭基站服务3个家庭用户；
[0039]步骤102:设定系统总带宽90MHz和同频的子信道数45,并分别给子信道编号并进 行子信道分配；
[0040] 步骤103:设定家庭基站的发射功率上限0.1W，并给宏基站和每个家庭基站的每个 子信道进行初始功率分配〇. 001W;
[0041] 步骤104:判断所有的家庭基站功率分配是否达到最优点，或是迭代次数已超过上 限，如果是，则转入步骤110，否则，重复执行步骤105-109;
[0042] 步骤105:每个家庭用户计算每个子信道受到的其他家庭基站以及宏基站的干扰， 上报给服务其的家庭基站；
[0043] 步骤106:设定能效足够大的上限100000000000和下限0;
[0044]步骤107:由该确定的能效值和次梯度法迭代求出该家庭基站的功率分配；
[0045]步骤108:对能效的上下限值进行二分取值；
[0046] 步骤109:判断每次迭代过程中能效和根据功率求得的容量和能量消耗的比，若相 差不大，则跳出二分法迭代进行步骤104,否则，重复步骤107、108;
[0047] 步骤110:终止此次迭代，每个家庭基站的无线资源分配完成，等待下一次调度。
【主权项】
1. 超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，包括以下几个步骤： 步骤1:设定双层异构网络场景； 一个宏基站下有若干个同频部署的家庭基站，每个家庭基站服务相等数量的家庭用 户，并分别给家庭基站和其服务的家庭用户编号，家庭用户为封闭式接入； 步骤2:设定系统总带宽和同频的子信道数，并分别给子信道编号并进行子信道分配； 步骤3:设定家庭基站的发射功率上限，并给宏基站和每个家庭基站的每个子信道进行 初始功率分配，初始功率分配的值总和不超过相应基站最大发射功率； 步骤4:判断所有的家庭基站功率分配是否收敛，或是迭代次数已超过上限，如果是，则 转入步骤6,否则，每个家庭用户计算每个子信道受到的其他家庭基站以及宏基站的干扰， 上报给服务其的家庭基站，并转入步骤5; 步骤5:对于每一个家庭基站，根据上一轮迭代收到的干扰信息和用户的QoS保证以及 每个家庭基站最大发射功率限制，利用以下二分法求得本家庭基站的最优的发射功率分 配； (1) 、设定能效上限和下限，若每次迭代过程中能效和根据功率求得的容量和能量消耗 的比值相差预设比例以内，则跳出执行步骤6,否则，转入步骤(2); (2) 、由步骤(1)中得到的能效值和次梯度法求出该家庭基站的功率分配； (3 )、由步骤(2)中功率分配求出该小基站的总容量和总功率消耗； (4)、如果步骤（1)中求出的能效值与步骤(3)中求出的功率值乘积小于步骤(3)中的容 量值，重新设定能效上限值为步骤(1)中上、下限值和的一半;否则把下限值设为步骤(1)中 上、下限值和的一半，转入步骤4; 步骤6:终止此次迭代，每个家庭基站的无线资源分配完成，等待下一次调度。2. 根据权利要求1所述的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，所述的 步骤1中，家庭用户封闭式接入是指家庭用户只由一个家庭基站服务。3. 根据权利要求1所述的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，所述的 步骤2中，采用Round-Robin-Scheduling进行子信道分配。4. 根据权利要求1所述的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，所述的 步骤4中，判断所有的家庭基站功率分配是否达到最优值的方法为：当本次迭代计算所得到 整个系统所有的Femtocell总能效变化小于预定比例，则所有的家庭基站功率分配达到最 优值。5. 根据权利要求1所述的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，所述的 步骤4中，迭代次数上限为预设的功率分配迭代次数的最大值。6. 根据权利要求1所述的超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法，所述的 步骤5中，第k个象?δ甚站的能#W亩F.F.^·其中，K，F，N分别表示总的家庭基站数、每个家庭基站用户数和子信道数，pk, u, n为相应 家庭基站子信道上的发射功率，gk,u,n为相应的增益，Pt表示该家庭基站的电路功率消耗，ε〇 表示功率损耗因子，分母部分的后三项分别为由Energy Harvest技术收集到的能量，其中 ηι，η2，η3分别表示从有用新号、干扰和噪声进行Energy Harvest的效率，σ〗为第k个家庭基 站受到的噪声，/|Η?表示第k个家庭基站的第η个子信道所受到的总干扰，表示为其中，gj,k,w,n为第j个家庭基站在第k个家庭基站相应子信道的发射功率增益，pw, n为宏 基站在相应子信道上的发射功率，gk,w,n为相应的增益。
【文档编号】H04W52/24GK105898851SQ201610404364
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈志强, 路兆铭, 温向明, 景文鹏, 陈昆, 丁无穷
【申请人】北京邮电大学