基于多點協(xié)作傳輸?shù)募彝セ揪W(wǎng)絡節(jié)能方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種家庭基站網(wǎng)絡節(jié)能方法，可用于家庭基 站密集分布的熱點區(qū)域中。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，為了滿足用戶日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求并且增加網(wǎng)絡的總?cè)萘?，運營商 在傳統(tǒng)的宏基站下部署了大量的低功率節(jié)點，如微小區(qū)、微微小區(qū)以及家庭基站等，尤其是 在用戶分布較多的企業(yè)大樓、商廈等熱點區(qū)域，由于信號的穿墻損耗導致宏基站無法保障 室內(nèi)用戶的通信質(zhì)量，因此通常部署大量的低功率節(jié)點來保證熱點區(qū)域的信號覆蓋。本發(fā) 明以密集部署家庭基站的企業(yè)大樓為例，并適用于其他低功率節(jié)點密集分布的熱點區(qū)域。 由于用戶的移動性和數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性，在企業(yè)大樓內(nèi)負載情況隨時間空間的波動較大， 例如上班時整個網(wǎng)絡的負載很重，而下班時間則截然相反，而且家庭基站處于無負載的情 況時，其消耗的能量也會占其業(yè)務最繁忙時候的百分之九十，這將導致網(wǎng)絡中存在嚴重的 能耗資源浪費。雖然單個家庭基站的能耗要遠遠小于宏基站，但根據(jù)研究報告，預計2016 年家庭基站的營業(yè)額能達到260億，家庭基站的迅猛發(fā)展導致家庭基站網(wǎng)絡的能耗浪費問 題無法忽視，因此在熱點區(qū)域密集分布的家庭基站網(wǎng)絡節(jié)能成為無線網(wǎng)絡中一個急需解決 的問題。
[0003] 家庭基站的特性在改善網(wǎng)絡性能的同時也對家庭基站網(wǎng)絡的節(jié)能方案帶來一些 挑戰(zhàn)，如家庭基站發(fā)射功率較小，在熱點區(qū)域內(nèi)通常需要部署大量的家庭基站來保障覆蓋， 這將導致密集的家庭基站之間存在嚴重的干擾，而且家庭基站即插即用的特性將導致家庭 基站的分布不規(guī)則，則每個家庭基站的受干擾程度不同，因此蜂窩網(wǎng)絡中的節(jié)能方法不能 直接應用于家庭基站網(wǎng)絡。
[0004] 目前，關(guān)于家庭基站網(wǎng)絡中的節(jié)能研究已成為熱門話題。如Pavel M等在EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2011 《QoS-Guaranteed Power Control Mechanism Based on the Frame Utilization for Femtocells))一文中利用功率 控制的方法進行節(jié)能，結(jié)合信道狀態(tài)信息，每個家庭基站為不同信道分配不同的發(fā)射功率， 減小單位比特上的發(fā)射功率，進而減少基站射頻發(fā)射模塊的耗能來實現(xiàn)節(jié)能，但是由于基 站射頻發(fā)射模塊的耗能在整個基站耗能中占據(jù)的比例很小，所以該方法節(jié)約的能量較少。
[0005] Bo Yu 等在 IEEE International Conference on Communications 2013 ((Energy Saving Analysis and Evaluation in the Enhanced Local Area Architecture》一文中， 研究了將無負載或低負載的家庭基站進行關(guān)閉來節(jié)能，并通過鄰居基站提高發(fā)射功率來保 證關(guān)閉基站內(nèi)用戶的服務。雖然在低負載情況下將家庭基站關(guān)閉可節(jié)省大量的能量，但是 僅由單個鄰居基站為關(guān)閉基站內(nèi)的用戶服務，用戶的通信質(zhì)量不能得到很好的保證，因此 此種方法的整體節(jié)能效果并不理想。
[0006] Han F 等在 IEEE International Conference on Communications 2012 《Energy-efficient Cellular Network Operation via Base Station Cooperation》一文 中在宏基站網(wǎng)絡中提出了關(guān)閉基站的節(jié)能方法，并結(jié)合基站能耗情況和網(wǎng)絡負載的動態(tài)變 化情況，采用多點協(xié)作傳輸CoMP技術(shù)將鄰居基站組成協(xié)作簇協(xié)同為關(guān)閉基站內(nèi)的用戶提 供服務。多點協(xié)作傳輸CoMP技術(shù)是LTE-A網(wǎng)絡中的核心技術(shù)，可將來自鄰居基站的干擾信 號轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘?，因此能夠更好的滿足關(guān)閉基站內(nèi)的用戶速率需求，進而可在宏基站網(wǎng) 絡中得到較好的節(jié)能效果，但由于家庭基站網(wǎng)絡的特性不同于宏基站網(wǎng)絡，此方案無法直 接應用于家庭基站網(wǎng)絡中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在家庭基站密集分布的熱點區(qū)域下，提 出一種基于多點協(xié)作傳輸?shù)募彝セ揪W(wǎng)絡節(jié)能方法，以在保證關(guān)閉狀態(tài)的家庭基站內(nèi)用戶 通?目質(zhì)量的如提下，通過關(guān)閉盡可能多的家庭基站來提尚家庭基站網(wǎng)絡的節(jié)能效率。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0009] -，技術(shù)原理
[0010] 在協(xié)作簇保障關(guān)閉狀態(tài)的家庭基站內(nèi)用戶通信質(zhì)量的前提下，以最小化整個網(wǎng)絡 的家庭基站總能耗為目標，根據(jù)家庭基站的能耗模型以及多點協(xié)作傳輸?shù)哪芎?，?gòu)建最小 化家庭基站網(wǎng)絡的總能耗的數(shù)學模型：
[0013] 其中Sk表示家庭基站k的開關(guān)狀態(tài)；if表示家庭基站k正常開啟時的能耗，由固 定能耗P。、信號處理能耗P s以及負載能耗組成，該負載能耗是負載能耗因子P與服務用戶 數(shù)目mk的乘積表示家庭基站k關(guān)閉后的等效能耗，即協(xié)作簇采用多點協(xié)作傳輸技術(shù)產(chǎn) 生的額外能耗；隊表示協(xié)作簇內(nèi)包含協(xié)作基站的數(shù)目；RE u表示家庭基站k的可用協(xié)作資 源集合，〇14集合表示所有可保證家庭基站k用戶通信質(zhì)量的所有協(xié)作簇；條件一表示家庭 基站k的可用協(xié)作資源RE。+必須足夠服務m k個用戶，條件二表示必須存在保證家庭基站k 用戶通信質(zhì)量的協(xié)作簇，當且僅當兩個條件同時滿足時家庭基站k可進入關(guān)閉狀態(tài)Sk= 0 ;
[0014] 采用貪婪算法，將最小化網(wǎng)絡總能耗的數(shù)學模型分解為最大化單個關(guān)閉基站的節(jié)
[0016] 對單個關(guān)閉基站的節(jié)省能耗if"*求偏導，推導出關(guān)閉服務用戶數(shù)目mk最少的家庭 基站k，并由包含協(xié)作基站數(shù)目Nk最少的協(xié)作簇為家庭基站k服務，通過關(guān)閉家庭基站k得 到最大節(jié)省能耗Gmv，從家庭基站關(guān)閉所要滿足的條件二出發(fā)，分析得出優(yōu)先關(guān)閉鄰居基 站數(shù)目少的家庭基站，可保證更多的家庭基站關(guān)閉來節(jié)能。因此優(yōu)先判斷服務用戶數(shù)目與 鄰居基站數(shù)目少的家庭基站的開關(guān)狀態(tài)，并為可關(guān)閉的家庭基站從多個備選協(xié)作簇中選擇 包含基站數(shù)目最少的作為最終服務協(xié)作簇，以達到提高家庭基站網(wǎng)絡節(jié)能效率的目的。
[0017] 二、技術(shù)方案
[0018] 根據(jù)上述技術(shù)原理，本發(fā)明實現(xiàn)步驟包括如下：
[0019] (1)系統(tǒng)初始化：假設系統(tǒng)有Q個家庭基站，待判決家庭基站集合用B = {1，2, . .，k，. .，Q}表示，初始化所有家庭基站k e B為開啟狀態(tài)Sk= 1，且將家庭基站k的 用戶集合表示為
，初始化家庭基站網(wǎng)絡中的可用頻譜資源總集合 為RE，其中mk表示接入家庭基站k的用戶總數(shù)；
[0020] (2)家庭基站k收集用戶的信道狀態(tài)信息、白噪聲信息，確定其鄰居基站集合Dk， 并將這些信息傳送給中心控制單元；
[0021] (3)為每個家庭基站k分配頻譜資源塊：中心控制單元統(tǒng)計每個家庭基站所需的 頻譜資源塊數(shù)目，采用"圖的著色理論"為家庭基站k分配與其鄰居基站正交的資源塊，并 將所分配資源塊加入基站k的資源塊集合RE k* ;
[0022] (4)預留采用多點協(xié)作傳輸CoMP技術(shù)專用的協(xié)作頻譜資源集合RE。:中心控制單 元將所有已經(jīng)分配的頻譜資源塊從家庭基站網(wǎng)絡中的總資源集合RE中移除，并將剩余的 頻譜資源加入?yún)f(xié)作資源集合RE。中，即
[0023] (5)從待判決家庭基站集合B中選擇待關(guān)閉基站優(yōu)先選擇服務用戶數(shù)目m ,最 小的家庭基站作為待關(guān)閉基站，即P= argminmk，若存在多個家庭基站的服務用戶數(shù)目等 于《V，則從中選擇鄰居基站數(shù)目最少的家庭基站作為待關(guān)閉基站k%
[0024] (6)假設鄰居基站e 4為其他關(guān)閉基站服務時已用的協(xié)作資源集合為欣/，則 得到待關(guān)閉基站P可用的協(xié)作資源為：r = '若待關(guān)閉基站P的可用協(xié) 作資源./、·足夠服務家庭基站P內(nèi)的個用戶，則執(zhí)行步驟（7)，否則，家庭基站P不可 關(guān)閉，執(zhí)彳丁步驟（8);
[0025] (7