《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 密集場(chǎng)景基站協(xié)作休眠能效優(yōu)化策略
密集場(chǎng)景基站協(xié)作休眠能效優(yōu)化策略
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
沈海強(qiáng)1,,尹生華1,,伍映吉2,唐 倫1
1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,重慶400065,;2.重慶郵電大學(xué) 軟件學(xué)院,重慶400065
摘要: 現(xiàn)有的基站休眠節(jié)能策略面臨如何在提高能效的同時(shí)保證業(yè)務(wù)QoS的問題,,提出了一種在密集場(chǎng)景下微基站與宏基站協(xié)作的微基站休眠策略,,以提高系統(tǒng)能效。首先,,微基站在業(yè)務(wù)請(qǐng)求較低時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)以達(dá)到節(jié)能的目的,;其次,,利用宏基站覆蓋范圍廣的特點(diǎn),將其作為協(xié)作基站,,當(dāng)微基站休眠時(shí)它能夠輔助處理一些業(yè)務(wù),;最后,將業(yè)務(wù)按照容量大小分類,,發(fā)揮出宏基站與微基站的各自特點(diǎn),,有區(qū)別地選擇基站處理業(yè)務(wù)。仿真結(jié)果表明,,該方案比現(xiàn)有的基站休眠節(jié)能方案具有優(yōu)勢(shì),。
中圖分類號(hào): TN914
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170491
中文引用格式: 沈海強(qiáng),尹生華,,伍映吉,,等. 密集場(chǎng)景基站協(xié)作休眠能效優(yōu)化策略[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(10):111-115.
英文引用格式: Shen Haiqiang,,Yin Shenghua,Wu Yingji,,et al. Energy efficiency optimization strategy based on base station cooperative dormancy in dense scene[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(10):111-115.
Energy efficiency optimization strategy based on base station cooperative dormancy in dense scene
Shen Haiqiang1,,Yin Shenghua1,,Wu Yingji2,Tang Lun1
1.Key Laboratory of Mobile Communication Technology,,Chongqing University of Posts and Telecommunications,, Chongqing 400065,China,; 2.School of Software Engineering,,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,,China
Abstract: The existing BS(base station) sleep policy faced with the problem that how to improve energy efficiency while ensuring business QoS. This paper presents a method that Micro-BS and macro-BS cooperate to improve the energy efficiency of the system in intensive scene. First, the micro-BS with low service requirements enter the sleep state, in order to save the energy. Second, due to the wide coverage of the macro-BS, it can be considered as collaborative BS to assist the dormant micro-BS in dealing with some service. Finally, the different types of services are classified into multiple groups, so that macro-BS and micro-BS can separately process these services based on their features. The simulation results show that the proposed scheme has advantages over the existing BS sleep energy saving scheme.
Key words : heterogeneous networks,;small cell sleeping;delay,;energy saving

0 引言

    基站密集化是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),,這會(huì)造成對(duì)能耗的極大需求[1-2]。為解決這一問題,,需要研究各種節(jié)能策略來(lái)降低能耗,,提高網(wǎng)絡(luò)能效[3]

    基站休眠的節(jié)能策略的研究非常多[4-8],。文獻(xiàn)[4]通過感知系統(tǒng)流量和基站休眠,,得到能耗-時(shí)延的最佳權(quán)衡值,,并求得了系統(tǒng)的最佳傳輸速率?;娟P(guān)斷節(jié)能有很多種控制策略,,例如通過業(yè)務(wù)累積數(shù)量觸發(fā)基站休眠,通過控制基站休眠時(shí)長(zhǎng)來(lái)控制基站等[5],。文獻(xiàn)[6]通過分析各個(gè)基站的業(yè)務(wù)接入情況來(lái)關(guān)斷微基站,,并且通過改變業(yè)務(wù)的調(diào)度、均衡信道的使用來(lái)提高系統(tǒng)能效,。文獻(xiàn)[7]中不僅使用了基站的關(guān)斷策略,,還結(jié)合了頻譜資源的分配等一系列手段。

    在密集場(chǎng)景下,,研究宏基站協(xié)作的關(guān)斷策略,,使用合適的微基站關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)控制參數(shù)來(lái)得到最優(yōu)的能耗-時(shí)延回報(bào)。本文中的宏基站與微基站協(xié)作的一個(gè)最大特點(diǎn)就是對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分,。發(fā)揮出宏基站覆蓋廣和微基站針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn),,提高網(wǎng)絡(luò)整體的能效,。同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)類型按照容量大小加以區(qū)分[9],。微基站休眠時(shí)將大容量業(yè)務(wù)交給微基站,小容量業(yè)務(wù)交與宏基站處理,。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型和功耗模型

    在一個(gè)密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下,,假設(shè)一個(gè)宏小區(qū)包含一個(gè)宏基站和若干個(gè)微基站。微基站與微基站覆蓋區(qū)域不重疊,,宏基站主要為區(qū)域提供足夠的覆蓋,,微基站為宏小區(qū)擴(kuò)容。在本方案中,,宏基站作為協(xié)作服務(wù)基站,。微基站與宏基站使用不同的子載波以減小干擾,圖1表示網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu),。

tx6-t1.gif

    微基站具有開啟和睡眠兩種工作模式,。在開啟模式,所有部件都處于打開狀態(tài),,能夠正常服務(wù)用戶,;在休眠模式下,僅有部分控制器件工作,,不能給用戶提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[4],。在不同的模式下,微基站功耗為:

tx6-gs1-3.gif

    本文的目標(biāo)是在滿足時(shí)延約束條件下,,系統(tǒng)的能耗函數(shù)取得最小值,。E表示系統(tǒng)平均能耗(單位:J/s),,D表示平均時(shí)延(單位:s/bit),D0表示時(shí)延約束,。

2 系統(tǒng)能效模型

    密集場(chǎng)景下,,在一個(gè)宏小區(qū)內(nèi)有N個(gè)微基站,基站在同一時(shí)刻只能處理一個(gè)業(yè)務(wù),,這里研究某一個(gè)微基站下的休眠策略,。這個(gè)微基站的范圍內(nèi),業(yè)務(wù)由數(shù)據(jù)容量的大小分為兩種,,即v業(yè)務(wù)和d業(yè)務(wù)[9],。其平均業(yè)務(wù)長(zhǎng)度為lv bit和ld bit(lv=kld),假設(shè)其到達(dá)率分別為參數(shù)λv和λd(單位:Flow/s)的泊松過程,,并且業(yè)務(wù)相互獨(dú)立,。如圖2,微基站的休眠步驟為:初始時(shí)刻微基站處于休眠模式,,當(dāng)d業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),,由于其長(zhǎng)度較小,因此在宏基站側(cè)排隊(duì)并以xH接受處理,。v業(yè)務(wù)在微基站側(cè)排隊(duì),。

tx6-t2.gif

    微基站經(jīng)過1/v的關(guān)閉窗口期結(jié)束時(shí)將會(huì)判斷基站是否切換到打開狀態(tài)。判決條件為:若微基站側(cè)有v業(yè)務(wù)或者在微基站休眠期間內(nèi)微小區(qū)到達(dá)宏基站側(cè)d業(yè)務(wù)有n個(gè),,則該微基站打開,;否則進(jìn)入下一個(gè)關(guān)閉窗口。

    在微基站的一個(gè)關(guān)閉窗口結(jié)束之后,,如果切換到打開狀態(tài),,則微基站處理業(yè)務(wù)直到業(yè)務(wù)等待隊(duì)列為空。而關(guān)閉時(shí)期到達(dá)的d業(yè)務(wù)繼續(xù)由宏基站處理,。當(dāng)微基站處理完所有業(yè)務(wù)之后,,進(jìn)入下一個(gè)關(guān)閉窗口。

    若微基站的一個(gè)關(guān)閉窗口結(jié)束之后,,仍然不能打開,,則微基站會(huì)進(jìn)入下一個(gè)關(guān)閉窗口?;鹃_關(guān)之間切換一次能耗為ES,。

tx6-gs4-5.gif

    宏基站能耗恒定,節(jié)能都體現(xiàn)在微基站上,。式(5)的3個(gè)部分分別表示單位時(shí)間內(nèi)微基站打開,、休眠和模式切換的能耗。

    系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示,。

tx6-t3.gif

    把業(yè)務(wù)歸一化為d業(yè)務(wù)之后,,將時(shí)延建模為馬爾科夫模型,,令L(t)表示t時(shí)刻系統(tǒng)顧客數(shù),J(t)表示t時(shí)刻服務(wù)狀態(tài),。J(t)=0表示當(dāng)前基站處于休眠狀態(tài),,否則表示基站處于打開狀態(tài)。則{J(t),,L(t)}為二維馬爾科夫過程,。平衡狀態(tài)方程為:

tx6-gs6-14.gif

    定理3:若關(guān)閉窗口長(zhǎng)度v服從指數(shù)分布,則在v>0上必定存在一個(gè)確定的v值使得系統(tǒng)的耗費(fèi)函數(shù)最?。丛谙薅〞r(shí)延情況下取得最低的能耗),。在模型仿真部分給出最優(yōu)系統(tǒng)耗費(fèi)函數(shù)值時(shí)的關(guān)閉窗口時(shí)長(zhǎng)參數(shù)v。

    證明:

    (1)對(duì)微基站能耗求導(dǎo)

     tx6-gs15-16.gif

    因此dE/dv<0,,則能耗函數(shù)在休眠窗口時(shí)長(zhǎng)上是一個(gè)減函數(shù),,即休眠窗口時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),能耗越低,。

    (2)對(duì)系統(tǒng)時(shí)延求導(dǎo)

    在微基站時(shí)延中,,很明顯在時(shí)延中u是v的函數(shù),并且是一個(gè)減函數(shù),,其取值范圍為:

    tx6-gs17.gif

    可由求導(dǎo)的方法判斷式(11)第一部分是u的減函數(shù),,同理可得第二部分也是u的減函數(shù),因此平均時(shí)延是u的減函數(shù),。由復(fù)合函數(shù)可知,,平均時(shí)延函數(shù)是v上的增函數(shù),。

    由式(12)可知宏基站平均時(shí)延與v無(wú)關(guān),。假設(shè)在時(shí)延限制條件下,關(guān)閉窗口時(shí)間長(zhǎng)度為v0,,根據(jù)其單調(diào)性可知v0有且滿足時(shí)延限制條件的關(guān)閉窗口時(shí)間長(zhǎng)度的取值范圍為(0,,v0],因此v的最佳值為v=v0,。求解見算法1,。

    算法1:

    ①初始化休眠窗口時(shí)長(zhǎng)v1=v2=0,平均時(shí)延限制D0,,所求值v0,,設(shè)置一個(gè)休眠窗口的時(shí)長(zhǎng)增量Δv,一個(gè)允許的時(shí)延誤差a=10×10-3,。

    ②判斷D(v2)≥D0是否成立,,如果成立,則表示無(wú)論關(guān)閉時(shí)間多長(zhǎng)都不能滿足系統(tǒng)的平均時(shí)延需求,,算法結(jié)束,,返回v0=-1,;否則轉(zhuǎn)到步驟③。

    ③v2=v2+Δv,,判斷D(v2)≥D0是否成立,。如果不成立則重復(fù)步驟③;否則轉(zhuǎn)到步驟④,。

    ④此時(shí)D(v2)≥D0≥D(v1),,且v2≥v0≥v1。此時(shí)如果|D0-D((v1+v2)/2)|<a,,那么v0=(v1+v2)/2,,求解過程結(jié)束。如果D0<D((v1+v2)/2),,則進(jìn)入步驟⑤,,否則進(jìn)入步驟⑥。

    ⑤v1值更新為(v1+v2)/2,,重復(fù)步驟④,。

    ⑥v2值更新為(v1+v2)/2,重復(fù)步驟④,。

3 仿真結(jié)果分析

    這里對(duì)文中的策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證,,并詳細(xì)地給出主要性能。首先對(duì)方案的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,。N=21,,根據(jù)文獻(xiàn)[10]設(shè)置信道模型和相關(guān)參數(shù);宏基站協(xié)作帶寬和微基站帶寬10 MHz,。它們發(fā)射功率分別為46/30 dbm,;P0=80 W,Δp=3.6,,ES=1.5 J,,lv=4 Mbit,ld=0.4 Mbit,。用戶到服務(wù)微基站和宏基站距離為0.03/0.1 km,,而與干擾微基站平均距離為0.25 km,n=5,。業(yè)務(wù)到達(dá)的過程能夠被基站知曉,。一旦接收服務(wù)之后就離開基站,并且基站在一個(gè)時(shí)刻只能處理一個(gè)業(yè)務(wù),。這里幾個(gè)仿真方案分別是:(1)On-only:微基站總是處于打開狀態(tài),。(2)DS+SWC:本文方案。(3)NDS+SWC:非協(xié)作且不對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分[4]。(4)SCT:采用協(xié)作且業(yè)務(wù)累積門限觸發(fā)基站關(guān)斷策略[10],。

    圖4為本方案所提策略,,有引導(dǎo)性的將v業(yè)務(wù)給微基站處理,而d業(yè)務(wù)給宏基站處理,。從左到右,,窗口時(shí)長(zhǎng)逐漸增加的過程中,能耗在不斷降低,。因?yàn)樾菝叽翱跁r(shí)長(zhǎng)增加,,微基站的開關(guān)切換頻率會(huì)降低,切換損耗會(huì)逐漸降低,,最終導(dǎo)致了系統(tǒng)的能耗降低,。與此同時(shí),系統(tǒng)的時(shí)延逐漸增加,,原因是休眠窗口時(shí)長(zhǎng)增加,,休眠期到達(dá)業(yè)務(wù)會(huì)等待更久。圖4不同曲線表示不同業(yè)務(wù)到達(dá)率下系統(tǒng)的能耗-時(shí)延性能,。相同的時(shí)延約束條件下,,業(yè)務(wù)到達(dá)率越低,那么基站處理的業(yè)務(wù)就會(huì)減少,,相應(yīng)的系統(tǒng)的能耗越低,。

tx6-t4.gif

    圖5為相同業(yè)務(wù)量下不同節(jié)能策略的性能比較。從中可以看出,,DS+SWC的仿真結(jié)果性能優(yōu)于NDS+SWC和SCT方案,。SCT沒有基站協(xié)作,則其能耗高于采取基站協(xié)作的DS+SWC方案,;而在基站休眠時(shí)SCT沒有基站協(xié)作也使得它的業(yè)務(wù)等待時(shí)間比DS+SWC更長(zhǎng),。DS+SWC與NDS+SWC中,宏基站與微基站協(xié)作時(shí),,協(xié)作資源非常有限,,因此在協(xié)作過程中遇到v業(yè)務(wù)時(shí),,該業(yè)務(wù)將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用宏基站資源,,“堵塞”宏基站。而排在它后面的d業(yè)務(wù)雖然僅僅需要極少的處理資源,,卻也不得不被迫等待,。而DS+SWC方案將v、d業(yè)務(wù)分別引導(dǎo)到微基站和宏基站,,避免了宏基站的“堵塞”,,因此會(huì)降低系統(tǒng)的平均時(shí)延。

tx6-t5.gif

    圖6表示v業(yè)務(wù)和d業(yè)務(wù)到達(dá)比例不同時(shí)的能耗-時(shí)延性能,可以看出兩種業(yè)務(wù)到達(dá)率相近時(shí)(圖7中實(shí)線),,DS+SWC方案的能耗-時(shí)延性能優(yōu)勢(shì)越大,。由圖5分析的DS+SWC的優(yōu)勢(shì),經(jīng)過業(yè)務(wù)區(qū)分之后,, d業(yè)務(wù)不會(huì)因?yàn)関業(yè)務(wù)“堵塞”宏基站而等待太久的時(shí)間,。單位時(shí)間內(nèi)兩種業(yè)務(wù)到達(dá)數(shù)越近,每個(gè)d業(yè)務(wù)前面相鄰v業(yè)務(wù)而被“堵塞”概率就會(huì)越大,。

tx6-t6.gif

    圖7比較了不同微基站密度,,各微基站內(nèi)業(yè)務(wù)到達(dá)率不變,幾種方案的性能表現(xiàn),。由圖7可知,,兩種方案的能效性能都有不同程度的下降,其原因是當(dāng)微基站密度增加導(dǎo)致干擾增強(qiáng),。這就導(dǎo)致了微基站處理性能的下降,。同時(shí)由于用戶數(shù)增加,宏基站的協(xié)作處理資源顯得更為緊張,,這兩個(gè)原因都導(dǎo)致了兩種能效方案性能的下降,。就能效性能下降程度而言,DS+SWC方案無(wú)疑是最優(yōu)秀的,。在圖5的分析中指出,,業(yè)務(wù)區(qū)分是為了防止宏基站“堵塞”,而在增加基站和用戶數(shù)之后,,宏基站能夠分配給各個(gè)用戶的協(xié)作處理資源更少,,以至于NDS+SWC方案中大容量業(yè)務(wù)更容易較長(zhǎng)時(shí)間地占用宏基站資源。而DS+SWC方案受此影響較小,,那么它的能效性能受影響程度也較小,。

tx6-t7.gif

    表1表示了DS+SWC和NDS+SWC方案中基站處理不同業(yè)務(wù)的數(shù)量??梢钥闯鲈趨^(qū)分業(yè)務(wù)時(shí),,有導(dǎo)向性地將大容量業(yè)務(wù)交給微基站處理,發(fā)揮出微基站解決熱點(diǎn)地區(qū)多業(yè)務(wù)大容量的優(yōu)勢(shì),;將小容量業(yè)務(wù)交給宏基站協(xié)作處理,,宏基站覆蓋范圍廣,且處理能力弱的特點(diǎn)也能更好地利用,,使得系統(tǒng)的能耗降低,,能效提高。

tx6-b1.gif

4 結(jié)論

    本文提出了一種宏基站與微基站協(xié)作下,,微基站采取休眠策略的系統(tǒng)能效提高方案,,并且討論了在混合業(yè)務(wù)情況下系統(tǒng)的能效情況,。這種能效提高策略確定了一個(gè)最優(yōu)的休眠窗口控制參數(shù),使得系統(tǒng)的能耗和時(shí)延得到一個(gè)最佳的權(quán)衡值,。

參考文獻(xiàn)

[1] W-GREEN 2008.1st international workshop on Green Wireless[EB/OL].(2008-09-08)[2017-02-15].http://www.cwc.oulu.fi/workshops/W-Green2008.pdf.

[2] FETTWEIS G,,ZIMMERMANN E.ICT energy consumption-trends and challenges[C].In Proc.2008 International Symp.Wireless Personal Multimedia Commun,2008:1-4.

[3] HASAN Z,,BOOSTANIMEHR H,,BHARGAVA V K,et al.Green cellular networks:a survey, some research issues and challenges[J].IEEE Commun.Surveys Tuts,,2011,,13(4):524-540.

[4] Wu Jian,Zhou Sheng,,Niu Zhisheng,,et al.Traffic-aware base station sleeping control and power  matching for energy-delay tradeoffs in green cellular networks[J].IEEE Transactions on wireless communications,2013,,12(8):4196-4209.

[5] Guo Xueying,,Zhou Sheng,Niu Zhisheng,,et al.Optimal wake-up mechanism for single base station with sleep mode[C].Proceedings of the 2013 25th International Teletraffic Congress(ITC),,2013.

[6] TABASSUM H,SIDDIQUE U,,HOSSAIN E,,et al.Downlink performance of cellular systems with base station sleeping,user association, and scheduling[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,,2014,,13(10):5752-5767.

[7] GAN X,WANG L,,F(xiàn)ENG X,,et al.Energy efficient switch policy for small cells[J].China Communications,2015,,12(1):78-88.

[8] CHAI X,,LI Y,LV Y,,et al.Joint spectrum-sharing and base-station-sleep model for improving energy efficiency of HetNet[C].2015 IEEE International Conference on Communications(ICC).IEEE,,2015:1851-1856.

[9] WU J,YANG Z,,ZHOU S,,et al.A traffic-aware dynamic energy-saving scheme for cellular networks with  hetero-geneous traffic[C].Communication Technology(ICCT),2011 IEEE 13th International Conference on.IEEE,,2011:357-361.

[10] LIU B,ZHAO M,ZHOU W,,et al.Flow-level-delay constraint small cell sleeping with macro base station cooperation for energy saving in HetNet[C].Vehicular Technology Conference(VTC Fall),,2015 IEEE 82nd.IEEE,2015:1-5.



作者信息:

沈海強(qiáng)1,,尹生華1,,伍映吉2,唐  倫1

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,重慶400065,;2.重慶郵電大學(xué) 軟件學(xué)院,重慶400065)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。