基于多点协作传输的蜂窝网络节能方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多点协作传输技术的蜂窝网络节能方法，主要解决现有技术节能少、不能保障用户服务质量的问题，其实现步骤是：1)中心控制单元开启所有基站，初始化待判决基站集合Λ，收集基站信息；2)利用收集的信息，从待判决基站集合Λ中确定预判决基站i*，并对待判决基站集合进行更新；3)判断预判决基站i*能否关闭，若不能关闭，则该基站开启，否则，该基站为待关闭基站，为其确定协作簇，并更新待判决基站集合Λ；4)判断待判决基站集合Λ是否为空，若不为空，返回步骤2)，否则，关闭待关闭基站，协调待关闭基站的协作簇使用CoMP技术为该待关闭基站内用户服务。本发明能节约大量能量，可用于多个宏小区共存的无线接入网络。
【专利说明】基于多点协作传输的蜂窝网络节能方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信【技术领域】，特别涉及一种蜂窝网络的节能方法，可用于多个宏小区共存的无线网络中。
【背景技术】
[0002]近年来，无线网络正得到迅猛的发展，用户数目和网络终端接入设备正以惊人的速度增长着，由此带来的爆炸式的数据业务和无处不在的接入需求刺激着网络基础设施的急速扩张。然而，在网络设施急剧扩张的同时，无线网络的耗能也正以惊人的速度增长着，不少无线网络的运营商已经成为高额电费的主要负担者。对于无线网络的运营商而言，在维持网络容量持续增长，保证用户服务质量的同时，减小其电费的开销是其迫切关心的问题。
[0003]无线网络中，基站为用户传输公共控制信息和数据信息，在网络规划时，小区的尺寸和容量往往是依据基站负荷的最高峰值决定的。然而，由于网络中用户的移动性和数据业务的突发性，网络的负荷并不常常处于峰值状态，而是在空间和时间上有极大的波动。例如，对于城市小区而言，白天，办公地点的负荷很重，而居民生活区的负荷很轻，晚上则截然相反。若在网络规划时以峰值负荷量为依据，那么在不同时段，同一小区时而处于重负荷状态，时而处于轻负荷状态；而在同一时段下，一些小区处于重负荷状态时，另一些小区处于轻负荷状态。而不幸的是，实际网络负荷的波动性并没有为其耗能带来同样巨大的波动，以典型的UMTS系统为例，基站消耗800-1500W能量，射频发射模块大约只消耗40-80W的能量。即，在实际网络中，即使基站在没有业务的条件下，其消耗的能量也要大于其业务最繁忙时候的百分之九十，这是对能量而言，无疑是一种极大浪费。
[0004]蜂窝网络是无线网络的重要组成部分，对于蜂窝网络而言，其接入部分的耗能是蜂窝网络耗能的主要贡献者，对于很多运营商来说，这部分的消费要大于其总电费的70%，而接入部分的耗能主要集中在基站耗能上，因此对于无线网络运营商而言，如何减少基站的耗能是其关注的主要方面。
[0005]Diehm F 等在 Global Communicat1ns Conference2012 ((Power control andscheduling for joint detect1n cooperative cellular systems))一文中利用功率控制的方法，结合信道状态信息，为不同信道分配不同的发射功率，减小单位bit上的发射功率，进而减少基站射频发射模块的耗能来实现节能的，但是由于基站射频发射模块的耗能在整个基站耗能中占据的比例很小，所以该方法节约的能量较少。
[0006]Han F 等在 IEEE Internat1nal Conference on Communicat1ns2012((Energy-efficient cellular network operat1n via base stat1n cooperat1n)) 一文中提出了关闭基站，通过邻近的开启基站利用多点协作传输(CoMP)技术服务关闭基站下用户的节能方法。该方法中，基站的关闭为整个网络节约了大量的能量，而关闭基站下用户的服务质量则通过邻近基站使用CoMP (Coordinated multipoint transmiss1n)技术来保证，CoMP技术是3GPP的ReleaSe8标准中提出的关键技术，利用地理位置上分离的邻近基站协作为关闭基站下的用户传输信息，可以在不增大邻近基站发射功率的条件下，增大邻近基站发射信号的覆盖范围，保证了关闭基站下的信号覆盖。由于没有增大发射功率，该方法能避免对网络引入额外的干扰。然而该方法中协作基站的位置固定，且假设网络中所有基站的负荷都比较低，关闭基站的邻近基站一直有足够的频谱资源为关闭基站下的用户服务，当网络中基站处于高负荷状态时，该方法的可行性不强。
[0007]Liu Z等在Wireless Communicat1ns and Networking Conference2013《Energyefficiency of CoMP-based cellular networks with guaranteed coverage》一文中提出了使用CoMP技术改变网络结构来实现节能的方法，该方法中，相邻基站利用CoMP技术增加基站的覆盖范围，在保证用户服务质量的前提下，减少了单位面积上的基站个数，从而减少了单位面积上的耗能。但是这种方法需要改变基站的间距，对现有网络结构的改动较大，不便于实际应用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于多点传输的蜂窝网络节能方法，以在不改变网络拓扑结构，确保满足网络中用户基本通信需求且不对网络引入额外干扰的条件下，减少无线接入网络的耗能。
[0009]本发明技术方案是:在不改变网络拓扑结构的条件下，结合基站耗能与业务量的关系，对在网络负荷动态变化条件下，选择性关闭基站，并利用CoMP技术为关闭基站下的用户服务，以最小化网络耗能为目标，建立数学模型。依据模型中约束条件，优先判断系统中业务量最小的基站是否存在协作簇；根据判断结果，确定基站的开关状态及协作簇的选择方法；重复操作，直至确定所有基站的开关状态，以减少无线接入网络的耗能。具体的实现步骤包括如下:
[0010]I)初始化中心控制单元中基站集合H = {1，2，…，K},待判决基站集合Λ ={1，2，…，K}，待关闭基站集合.τ = 0,基站i e H的备选协作簇集合Ω, =0，协作簇
Φ? =0，其中，0代表空集；
[0011]2)基站i收集其用户的信道状态信息、白噪声信息，统计其已使用资源块个数RA、空闲资源块个数RSi及其邻近基站信息，并将这些信息传输给中心控制单元；
[0012]3)中心控制单元将待判决基站集合Λ中已使用资源块个数RUi的最小值所对应的基站标号赋给预判决基站i%同时将该基站标号从待判决基站集合Λ中移出；
[0013]4)中心控制单元为预判决基站I'确定备选协作簇集合:
[0014]4a)中心控制单元遍历预判决基站i*的邻近基站i*a的信息，其中a = 1，2，...，6,如果邻近基站处于开启状态，且其空闲资源块个数大于预判决基站I'的已使用资源块个数AT,.，则将邻近基站的标号放入备选协作基站集合I'>中；
[0015]4b)将备选协作基站集合I'>中包含的元素个数记为待，则备选协作基站集合共包含2~ 4个真子集，定义11,...为I'>的第j个真子集，/ =-1，初始化真子集下标 j = I ;
[0016]4c)对于基站I'中的用户=...，￡/,.，计算真子集Π|ν中所有基站的联合传输速率<#，若所有用户Uf,I濉12,….U1.的联合传输速率尺I都不小于用户基本通信所需的速率Rfflln,则取子集nG为备选协作簇，将子集移入备选协作簇集合O1., =DrUlVy，否则，舍弃子集
[0017]4d)判断真子集下标j与真子集总数-1的大小关系:若j小于真子集总数2°*-1，将j加I后重新赋值给j，返回步骤4c);若j等于真子集总数-1，则此时备选协作基站集合k的所有真子集都判决完毕，执行步骤5 ；
[0018]5)中心控制单元依据备选协作簇集合Ω,-确定预判决基站I'的开关状态:若备选协作簇集合Ω,.为空，则预判决基站I'处于开启状态，跳转到步骤7 ;否则，确定预判决基站i*为待关闭基站，将该基站的标号放入待关闭基站集合T中，执行步骤6:
[0019]6)中心控制单元为预判决基站I'确定其协作簇#,*，并更新待判决基站集合Λ与协作簇為.中的协作基站的空闲资源块个数，协作簇中的基站为协作基站，基站終(?)是协作簇中的第η个基站，《 = 1，2%..%妗卜其中，为协作族#中基站总数:
[0020]6a)中心控制单元将备选协作簇集合Of*中的所有备选协作簇依据其包含的基站个数进行升序排列，ω..={^Λ=4,2?'.*Φ--*其中，终,/代表备选协作簇集合iV中基站个数第j’小的备选协作簇，4表示备选协作簇集合Ω,.中包含的备选协作簇的个数，Φ,.Λ为包含基站个数最少的备选协作簇；
[0021]6b)中心控制单元将备选协作簇4.,作为预判决基站i*的协作簇終，即终=4.1 ；
[0022]6c)中心控制单元将协作簇為.中的协作基站#(?)的标号从待判决基站集合Λ中移出，并用协作基站的空闲资源块个数^、.⑷减去预判决基站I'的已使用资源块个数服^ ,得到协作基站务(η)的空闲资源块个数，其中，Λ = 1,2,:
[0023]7)判断待判决基站集合Λ是否为空，若不为空，重复执行步骤3)-6)，直至该集合为空，此时待判决基站集合Λ中所有基站的开关状态都判决完毕，待关闭基站集合T及待关闭基站集合T中的待关闭基站T (g)对应的协作族Φ T (g)均构建完毕，待关闭基站T (g)为待关闭基站集合T中的第g个基站，g = 1，2，…，I T I，I T I为待关闭基站集合T中基站总数；
[0024]8)中心控制单兀对待关闭基站集合T中的待关闭基站T (g) , g = 1，2，…，I T I进行统一关闭，同时协调待关闭基站T (g)所对应协作簇Φ T(g)中的协作基站使用CoMP技术为该待关闭基站T (g)内的所有用户传输数据。
[0025]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0026](I)本发明通过直接关闭一些基站的方法来实现节能，与现有使用功率控制实现节能的方法相比，可以节约大量能量。
[0027](2)本发明依据网络的负荷情况和网络中基站的频谱资源使用情况来选择哪些基站作为待关闭基站及协作基站，在网络负荷动态变化的情况，能够确保协作基站有足够的频谱资源为待关闭基站内的用户服务。
[0028](3)本发明利用协作基站使用CoMP技术对关闭基站内的用户服务，协作基站在服务关闭基站内的用户时，不增大自身天线的发射功率，不会对网络引入额外干扰。
[0029]仿真结果表明，在负荷为峰值的0.1时，本发明的最高节能比例可达35%。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明的应用场景图；
[0031]图2是本发明的实施流程图；
[0032]图3为本发明采用固定3个基站为一个协作簇的方式对关闭基站进行覆盖的仿真图。
[0033]图4为本发明在基站负载从峰值的0.1变化至峰值负荷条件下对应的总耗能曲线.-^4 ，
[0034]图5为本发明随基站负荷和布局变化，计算边缘基站耗能条件下的节能比例图；
[0035]图6为本发明随基站负荷和布局变化，不计算边缘基站耗能条件下的节能比例图。
【具体实施方式】
[0036]以下参照附图，对本发明的技术方案和效果做进一步描述:
[0037]参照图1，本发明的实现场景为多个宏小区共存的蜂窝网络，该蜂窝网络中共有K个宏小区，宏小区半径为R，eNB为演进型基站，基站位于小区的中心，基站集合H ={1，2，...，!(}，K个基站由中心控制单元统一管理，每个基站配置M根发射天线，用户端配置N
根接收天线，基站i e H到其用户Ui的信道矩阵为fif ]，信道衰落包含大尺度衰落和
L JNxM
小尺度衰落。该蜂窝网络中，所有基站使用相同的带宽。本实例中，基站总数目K >4，基站发射天线M ^ 2，用户端天线个数N > 2。
[0038]网络中基站间通过X2接口相互连接，交互彼此的信息，基站通过SI接口与中心控制单元相连接，中心控制单元对网络中基站进行统一管理，即控制基站的开启和关闭、调度基站进行数据传输。
[0039]参照图2，本发明在图1所示场景中的实现步骤如下:
[0040]步骤I，中心控制单兀初始化待关闭基站集合Λ和待关闭基站集合Τ。
[0041]Ia)中心控制单元开启网络中K个基站，定义待判决基站集合Λ用于存放开关状态未知的基站标号，待关闭基站集合T用于存放待关闭基站的标号，令待判决基站集合Λ={1，2，…，K},待关闭基站集合Τ = 0 ;
[0042]lb)基站i的备选协作簇集合=0，协作簇片=0> i = 1，2，".，Κ，其中，0代表空集。
[0043]步骤2，基站收集信息并传递给中心控制单元。
[0044]2a)基站i通过网络中基站间的X2接口获取其6个邻近基站的标号，记为邻近基站集合 U1, i2, i3, I4.15.16}；
[0045]2b)基站i通过发送导频序列获取用户Uii信道状态信息及白噪声信息σ4 ,
[0046]其中:M丨表示基站i下的第I个用户，I = 1，2，…，Ui,Ui为基站i内的用户总数；
[0047]该信道状态信息，包括基站i到用户《?的信道状态信息
【权利要求】
1.一种基于多点协作传输的蜂窝网络节能方法，包括如下步骤: 1)初始化中心控制单元中基站集合H= {1,2,...!(},待判决基站集合A = {1,2,...,K}，待关闭基站集合1 = 0,基站i e H的备选协作簇集合= 0 ?协作簇^ = 0，其中，0代表空集； 2)基站i收集其用户的信道状态信息、白噪声信息，统计其已使用资源块个数RA、空闲资源块个数RSi及其邻近基站信息，并将这些信息传输给中心控制单元； 3)中心控制单元将待判决基站集合Λ中已使用资源块个数RUi的最小值所对应的基站标号赋给预判决基站1%同时将该基站标号从待判决基站集合Λ中移出； 4)中心控制单元为预判决基站 确定备选协作簇集合 4a)中心控制单元遍历预判决基站i*的邻近基站的信息，其中a = 1，2，...，6,如果邻近基站处于开启状态，且其空闲资源块个数^.;大于预判决基站 的已使用资源块个数W./,,,则将邻近基站的标号放入备选协作基站集合 >中； 4b)将备选协作基站集合Q中包含的元素个数记为Μ**则备选协作基站集合1>共包含ft 个真子集，定义为 >的第j个真子集，j = l2-f; -1?初始化真子集下标j=I ; 4c)对于基站 中的用户UfJ = H-Uf ,计算真子集中所有基站的联合传输速率.14 ,若所有用户》/ | = ls2...￡^的联合传输速率$1都不小于用户基本通信所需的速率 Rfflin,则取子集为备选协作簇，将子集11,.』移入备选协作簇集合, Ω, =Ω, unf_.,否则，舍弃子集^-./; 4d)判断真子集下标j与真子集总数-1的大小关系:若j小于真子集总数2力-1?将j加I后重新赋值给j，返回步骤4c);若j等于真子集总数2，-1，则此时备选协作基站集合^的所有真子集都判决完毕，执行步骤5 ； 5)中心控制单元依据备选协作簇集合Ω,*确定预判决基站i*的开关状态:若备选协作簇集合为空，则预判决基站处于开启状态，跳转到步骤7 ;否则，确定预判决基站i*为待关闭基站，将该基站的标号放入待关闭基站集合T中，执行步骤6: 6)中心控制单元为预判决基站 确定其协作簇#，并更新待判决基站集合Λ与协作簇办中的协作基站.#,.(?)的空闲资源块个数，协作簇中的基站为协作基站，基站终(《)是协作簇终中的第η个协作基站，η = 1,2…j終卜其中，j#, j为协作簇#,中基站总数: 6a)中心控制单元将备选协作簇集合中的所有备选协作簇依据其包含的基站个数进行升序排列
其中，终，代表备选协作簇集合％中基站个数第j’小的备选协作簇，<?表示备选协作簇集合Ω,.中包含的备选协作簇的个数，4,t为包含基站个数最少的备选协作簇； 6b)中心控制单元将备选协作簇秦4作为预判决基站i*的协作簇為*,即#,.I6c)中心控制单元将协作簇?中的协作基站终(《)的标号从待判决基站集合Λ中移出，并用协作基站.(《)的空闲资源块个数*^.^减去预判决基站的已使用资源块个数/?(/,.,得到协作基站?(?)的空闲资源块个数其中，ιι = 1,2...|—.|; 7)判断待判决基站集合Λ是否为空，若不为空，重复执行步骤3)-6)，直至该集合为空，此时待判决基站集合Λ中所有基站的开关状态都判决完毕，待关闭基站集合T及待关闭基站集合T中的待关闭基站T (g)对应的协作族Φ I.(g)均构建完毕，待关闭基站T (g)为待关闭基站集合T中的第g个基站，g = 1，2…，I T I，I T I为待关闭基站集合T中基站总数； 8)中心控制单元对待关闭基站集合T中的待关闭基站T(g)，g= 1,2-, T进行统一关闭，同时协调待关闭基站T (g)所对应协作簇Φτω中的协作基站使用CoMP技术为该待关闭基站T (g)内的所有用户传输数据。
2.根据权利要求1所述的基于多点协作传输的蜂窝网络节能方法，其中所述步骤2)中基站i的空闲资源块个数RSi,是指基站i中没有被使用的资源块的个数，每个资源块是由频域上的12个子载波和时域上的7个OFDM符号构成，其中每个子载波的带宽为15kHz，7个OFDM符号构成一个长度为0.5ms的时隙。
3.根据权利要求1所述的基于多点协作传输的蜂窝网络节能方法，其中步骤4c)中真子集Π&中所有基站的联合传输速率，其计算公式为:
其中，
为集合中所有基站对用户uf的联合信道矩阵，Hijmi代表真子集η(.ν中第m个基站n&(W)到用户U；的信道状态信息,P代表天线的发射功率，为用户《<受到的高斯白噪声，I为单位矩阵。
【文档编号】H04W28/16GK104080126SQ201410317422
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】赵林靖, 郑琳, 张岗山, 张顺, 李钊, 冯天一, 韩莹 申请人:西安电子科技大学