本发明属于无线网络通信技术领域，具体涉及小区呼吸系统下基于能效的切换算法。
背景技术：
未来异构网组网的核心技术是控制覆盖面和数据业务面分离。目前，国内外已提出了多种垂直切换算法，其中基于代价函数的垂直切换机制，用移动用户的速度，能量利用，带宽等作为参量并各自分配权重构成决策函数来决定是否切换，能够得到较低的切换阻塞率和较大的系统吞吐量。依靠模糊逻辑的方法将rss、可用带宽(ba)和网络开销三个属性通过模糊逻辑运算得到判决值来决定是否做出切换，该方法减少了切换延时和丢包率。利用压缩感知预测小区负载来动态调整小区的开关来来节省整个系统的能量消耗。还有文献提出了一种控制面辅助基于能效的切换算法.首先控制面对用户移动方向预测，并预测虚拟小区的负载变化，在满足用户业务需求的最低容量的前提下，使用户将要接入的网络能效最优，控制面根据这一准则来动态调整小区开关状态，以此来达到节能的效果。现有的关于异构网垂直切换算法在一定程度上为满足最苛刻业务的需求而浪费大量的频谱和能量资源，但是，未能从能效的角度进行考虑。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种小区呼吸系统下基于能效的切换算法，实现了高能效的转换，并达到节能的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，小区呼吸系统下基于能效的切换算法，该切换算法如下：
步骤一、在宏蜂窝小区覆盖的范围内部署a个虚拟小区，其中，每个虚拟小区内的用户数远小于宏小区内的用户数；a为大于1的整数；设定：宏蜂窝小区内设置的基站为宏基站，虚拟小区内设置的基站为虚拟基站；假定每个虚拟小区中均设置有一个虚拟基站；
步骤二、控制面预测一个移动用户的运动轨迹，预测出将进入步骤一中所述的其中一个虚拟小区，该虚拟小区为a，且a中的虚拟基站未开启，设定与a相邻的虚拟小区中，至少有一个虚拟小区中的虚拟基站是开启的：
如果有一个相邻虚拟小区的虚拟基站开启，控制面将该虚拟小区作为目标小区，采用小区呼吸技术将该移动用户接入目标小区，计算宏蜂窝小区和接入移动用户后的目标小区的负载变化，计算得到总的能效值；
如果有大于一个相邻虚拟小区的虚拟基站开启，控制面比较移动用户接入哪一个相邻虚拟小区的接入功率最小，选取接入功率最小的虚拟小区作为目标小区，采用小区呼吸技术将移动用户接入目标小区，计算宏蜂窝小区和接入移动用户后的目标小区的负载变化，计算得到总的能效值。
进一步地，该步骤二中选取接入功率最小的虚拟小区的具体过程如下：
假设每个虚拟小区的虚拟基站的发射功率均为pt，接入该移动用户后的虚拟发射功率为ptv(i)，通过比较ptv(i)即得；
其中：ptv(i)＝pt+d(1)；
其中：d为当目标小区接入该移动用户后，该虚拟基站需增加的发射功率；
rx为目标小区到该移动用户的距离；
r为目标小区的半径；
f为能效损耗指数，未已知的定值；
i表示第i个虚拟小区，取值为{1，2，……a}。
进一步地，该总能效值的计算如下，总能效值为e，宏蜂窝小区的能效值为
其中：elp为除目标小区外的虚拟小区的能效值；
目标小区的能效值eip的计算如下：
其中：cip为目标小区中该移动用户的容量；
pi为目标小区中的虚拟基站基带处理和其他散热等所需要的功率；
pip为目标小区中的虚拟基站的发射功率；
h1为控制面监测移动用户的时间间隔；
宏蜂窝小区的能效值
其中：
pm表示宏基站基带处理和其他散热等所需要的功率；
h2为控制面监测该移动用户的时间间隔。
进一步地，elp的计算如下：
其中：clp为虚拟小区中移动用户的容量；
pl为虚拟小区中的虚拟基站基带处理和其他散热等所需要的功率；
plp为虚拟小区中的虚拟基站的发射功率；
h3为控制面监测虚拟小区中的移动用户的时间间隔。
进一步地，该cip，
本发明小区呼吸系统下基于能效的切换算法具有如下优点：1.从能效方面考虑垂直切换算法，更加符合绿色能源的原则。小区呼吸技术融合动态开关技术，实现高能效的切换。2.在宏基站网络覆盖的宏蜂窝小区内部署大量的虚拟小区，增加了系统容量，又节省了能量，使得能效得到提升，再加上我们采用小区呼吸进行虚拟小区间的协作，关闭原本要开启的虚拟小区的虚拟基站，更加节省了能量，使得能效得到提升。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的仿真场景图；
图2是三种切换算法的能量对比图；
图3是三种切换算法的能效对比图。
具体实施方式
本发明小区呼吸系统下基于能效的切换算法，该切换算法如下：
步骤一、在宏蜂窝小区覆盖的范围内部署a个虚拟小区，按照现有技术中的布设方式，每个虚拟小区内的用户数远小于宏小区内的用户数；其中：a为大于1的整数；设定：宏蜂窝小区内设置的基站为宏基站，虚拟小区内设置的基站为虚拟基站；假定每个虚拟小区中均设置有一个虚拟基站，且每个虚拟小区的负载始终保持均衡；
步骤二、控制面预测一个移动用户的运动轨迹，预测出将进入步骤一中所述的其中一个虚拟小区，该虚拟小区为a，且a中的虚拟基站未开启，设定与a相邻的虚拟小区中，至少有一个虚拟小区中的虚拟基站是开启的：如果a中的虚拟基站开启，则将移动用户直接接入a；
如果有一个相邻虚拟小区的虚拟基站开启，控制面将该虚拟小区作为目标小区，采用小区呼吸技术将该移动用户接入目标小区，计算宏蜂窝小区和接入移动用户后的目标小区的负载变化，计算得到总的能效值；
如果有大于一个相邻虚拟小区的虚拟基站开启，控制面比较移动用户接入哪一个相邻虚拟小区的接入功率最小，选取接入功率最小的虚拟小区作为目标小区，采用小区呼吸技术将移动用户接入目标小区，计算宏蜂窝小区和接入移动用户后的目标小区的负载变化，计算得到总的能效值。
本发明中的算法假设当前的宏小区与相邻的宏小区以及所覆盖的虚拟小区之间都没有干扰。每个虚拟小区中的用户也远远小区宏小区的用户数。
上述步骤二中选取接入功率最小的虚拟小区的具体过程如下：
假设每个虚拟小区的虚拟基站的发射功率均为pt，接入该移动用户后的虚拟发射功率为ptv(i)，通过比较ptv(i)即得；
其中：ptv(i)＝pt+d(1)；
其中：d为当目标小区接入该移动用户后，该虚拟基站需增加的发射功率；
rx为目标小区到该移动用户的距离；
r为目标小区的半径；
f为能效损耗指数，为已知的定值；在本发明中的仿真试验中，f取值范围为2～4。
i表示第i个虚拟小区，取值为{1，2，……a}。
总能效值的计算如下，总能效值为e。宏蜂窝小区的能效值为
其中：elp为除目标小区外的虚拟小区的能效值；
目标小区的能效值为eip：
其中：cip为目标小区中该移动用户的容量；
pi为目标小区中的虚拟基站基带处理以及其他装置的功率；
pip为目标小区中的虚拟基站的发射功率；
h1为控制面监测移动用户的时间间隔；
宏蜂窝小区的能效值为
其中：
pm表示宏基站基带处理以及其他装置的总功率；
h2为控制面监测该移动用户的时间间隔。
elp的计算如下：
其中：clp为虚拟小区中移动用户的容量；
pl为虚拟小区中的虚拟基站基带处理以及其他装置总功率；
plp为虚拟小区中的虚拟基站的发射功率；
h3为控制面监测虚拟小区中的移动用户的时间间隔。
上述的cip，
香农公式如下：
ck,n＝bk,nlog2(1+γk,n)(7)；
bk,n＝b/nk(9)；
在本发明中，是用宏蜂窝小区覆盖范围的用户数来代替小区负载。式(7)、(8)和(9)中，ck,n为第k个虚拟小区中第n个移动用户的容量；plk,n为第k个虚拟基站到第n个移动用户的信道衰落，包括路径损耗和阴影衰落；pk是第k个虚拟基站的发射功率；σ2为高斯噪声功率。
γk,n为第k个虚拟小区中第n个用户的信干燥比；plk′,n为第k′个虚拟基站到第n个用户的信道衰落，包括路径损耗和阴影衰落；pk′是第k′个虚拟基站的发射功率；bk,n为移动用户得到的传输带宽，b为总的传输带宽，nk为第k个虚拟小区的用户数。
本发明中，采用上述的公式，调整对应参数的取值，来计算
在本发明中，如果a中的虚拟基站开启，则该移动用户直接接入a中。调整上述公式中的值，计算能效值。
本发明中采用的小区呼吸技术即小区缩放技术，一般用于解决负载均衡的问题。该技术不但可以将业务从高拥塞基站传送到处于低拥塞的其他基站来实现负载平衡，除此之外还可以用于节能。
本发明中对小区呼吸系统下基于能效的切换算法的性能进行了仿真。为了仿真在实现上容易，场景设置宏微组网的形式，由一个宏小区和多个虚拟小区来构成异构网络环境。其中宏小区服从均值为0，方差为5db的阴影衰落，虚拟小区服从均值为0，方差为7db的阴影衰落。仿真中涉及的其他参数设置如表1所示：
表1仿真参数设置
首先建立系统仿真的场景图，如图1所示：黑色三角表示当前业务量很少处于休眠的虚拟基站；黑色五角星表示当前的虚拟小区基站处于正在进行业务服务的激活状态；黑色的小圈表示各小区当前的用户；黑色的直线则表示宏平面预测到移动用户即将要进行的运动轨迹，在此处运动轨迹已提前确定。黑色虚线的大圈表示的是进行呼吸技术之后的虚拟小区，从图中看出第12个虚拟小区和第8个虚拟小区都进行了放大。
将本发明中的切换算法与现有的方法进行对比，在图2和图3中，未动态开启指的是未动态开启基站，动态开启指的是动态开启基站，未动态开始加呼吸指的本发明中的方案。从图3中可以看出，当能量累积分布函数为0.3时，未进行动态开启的小区为-9dbm，而采用动态开启和小区呼吸技术的小区的能量分别为-12dbm和-11dbm，明显节省了能量；随着能量累积分布函数占比增大，三种方式的小区能耗都有所增加，但是采用呼吸技术的小区增加的曲线比较陡，可以看出采用小区呼吸技术能使系统的能量得到了节省，更加验证了我们所提方案的可行性。
由图3可知，当能效累积分布函数占比为0.5的时候，本发明中的方案的能效值为0.6，控制面辅助下基于能效算法的能效值为0.3，未处理的宏小区的能效值为0.1，本文提出的方案相比传统的未处理的宏小区的方案能效提升了6倍，较大幅度提高了能量的利用效率。这是应为在宏蜂窝小区下部署大量的虚拟小区增加了系统容量，又节省了能量，使得能效得到提升，再加上采用小区呼吸进行虚拟小区间的协作，关闭原本要开启虚拟基站的虚拟小区，更加节省了能量。
宏蜂窝小区区域被定义为移动用户可以接收由特定宏基站发送的控制信号的覆盖区域。一般来说，宏蜂窝小区的大小和容量通常基于由网络规划者做出的峰值业务负载的估计是固定的。
本发明采用虚拟小区技术，虚拟小区技术能够同时解决传统蜂窝网中容量和能量的问题，它的核心技术是基于宏蜂窝小区和控制面(c-plane)及业务面(u-plane)的分离来实现容量的大幅度提升和节省大量能量。本发明是通过在宏蜂窝小区下部署多个虚拟小区，即通过缩减小区半径来提升系统容量，在保持业务性能良好的前提下，移动用户如何高能效地在同一个宏蜂窝小区下密集部署的虚拟小区之间切换。本发明中，假设控制面知道覆盖范围内所有的信道和负载信息。采用小区呼吸方案，实现了小区的动态休眠，使空闲状态的虚拟基站以及维持基站正常工作的一些设备处于休眠状态，能够节省大量的能量消耗。