《電子技術(shù)應(yīng)用》
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能量獲取框架下的5G綠色通信小區(qū)選擇算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
張德民,,付永莉,,楊 康
重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065
摘要: 隨著蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)的增加,,蜂窩網(wǎng)從以前的單一架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu),基站的能量消耗也呈現(xiàn)出了指數(shù)型的增長(zhǎng),。能量獲取是一種新興的技術(shù),,可以節(jié)省傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量并減少無(wú)線通信中的碳排放量。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)選擇是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素,。從能量獲取,、能量協(xié)作、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等方面考慮,,提出了一種折中能量獲取,、能量消耗、負(fù)載均衡,、接收速率等性能指標(biāo)的小區(qū)選擇算法,。仿真結(jié)果表明,,該算法可以減少基站對(duì)電網(wǎng)能量的需求,增加用戶選擇的可能,,滿足公平性和有效性,,可適用于5G綠色通信。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180367
中文引用格式: 張德民,,付永莉,,楊康. 能量獲取框架下的5G綠色通信小區(qū)選擇算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(10):118-121,,126.
英文引用格式: Zhang Demin,F(xiàn)u Yongli,,Yang Kang. Cell selection in energy harvesting enabled HetNets toward green 5G[J]. Application of Electronic Technique,,2018,44(10):118-121,,126.
Cell selection in energy harvesting enabled HetNets toward green 5G
Zhang Demin,,F(xiàn)u Yongli,Yang Kang
Chongqing Key Lab of Mobile Communications,,Chongqing University of Posts and Telecommunications,,Chongqing 400065,China
Abstract: As the number of users in cellular mobile networks increases, cellular network changed from the previous single architecture to heterogeneous architecture, base station energy consumption also showed an exponential growth. Energy harvesting is an promising technology to save on-grid power and reduce carbon emission in wireless communications. The cell selection in the HetNets is the critical factor of affecting network performance. In this paper, from the energy harvesting, energy cooperation, heterogeneous networks and other aspects, a cell selection algorithm is proposed, which can compromise energy harvesting, energy consumption, load balancing and other criteria. The simulation results show that this algorithm can reduce the base station′s demand for grid energy, increase the possibility of user selection, and satisfy the fairness and validity. It′s applicable to 5G green communications.
Key words : 5G green communication,;energy harvesting,;energy cooperation;HetNets,;cell selection

0 引言

    提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能效是5G的主要目標(biāo)之一,。由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增,未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)連接大量的設(shè)備,。事實(shí)上,,如此高水平的互聯(lián)互通將不可避免地導(dǎo)致全球能源消耗空前高漲。最新的數(shù)據(jù)分析顯示,,信息和通信技術(shù)的能源需求已占全球能源消費(fèi)總量的近10%[1],。另外,高碳排放等關(guān)鍵的環(huán)境問(wèn)題也是一大問(wèn)題,。因此,,需要開發(fā)“綠色”解決方案來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)能效。在新興技術(shù)中,,能量獲取被認(rèn)為是一個(gè)可行的解決方案[2],。通過(guò)允許基站從太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源收集能量,使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量消耗大大降低,。此外,,基站通過(guò)智能電網(wǎng)進(jìn)行能源協(xié)作可以進(jìn)一步提高可再生能源的利用率[3],。

    大量的關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究都是基于基站擁有持續(xù)的能源供給,例如傳統(tǒng)電網(wǎng)和柴油機(jī)等[4],。然而,,實(shí)際上,傳統(tǒng)電網(wǎng)的持續(xù)能源供給并不是在任何情況下都允許的,,尤其是一些沒有電網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)的地方,。在這種情況下,,能源獲取技術(shù)提供了一種實(shí)用的解決方案,,其中基站可以配置可再生能源發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電,從而大大降低了運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本,,增加了蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍,。

    然而,雖然可再生能源的供給是無(wú)限的,,但可再生能源的間歇性將導(dǎo)致能源基礎(chǔ)設(shè)施的高度隨機(jī)性,,這就需要其他互補(bǔ)的穩(wěn)定能源供應(yīng)。由于電網(wǎng)能夠提供持續(xù)的能源供應(yīng),,由混合能源(傳統(tǒng)電網(wǎng)和可再生能源相結(jié)合)提供動(dòng)力的基礎(chǔ)設(shè)施比僅靠可再生能源供電的基站更可取[5],。混合能源的概念已被業(yè)界所接受,。華為已經(jīng)部署了從恒定能源供應(yīng)和可再生能源中獲取能源的基站,。

    研究人員還通過(guò)提出能量感知的小區(qū)選擇方案來(lái)提高具有能量獲取功能的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)[3]提出了一種自適應(yīng)小區(qū)選擇方案,,以最大化支持的用戶的數(shù)量并且最小化可再生能源基站中的無(wú)線電資源利用,。文獻(xiàn)[6]中提出了一種小區(qū)選擇方案,以最大限度地提高配備有限電池容量的可再生能源的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的總下行吞吐量,。文獻(xiàn)[7]考慮了由混合能源驅(qū)動(dòng)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò),,并通過(guò)將業(yè)務(wù)分布在不同基站上來(lái)執(zhí)行用戶關(guān)聯(lián)和綠色能量分配。文獻(xiàn)[8]提出了一種分布式用戶關(guān)聯(lián)算法,,用于能量采集蜂窩網(wǎng)絡(luò),,以降低平均流量延遲并改善負(fù)載均衡。盡管上述所有的研究都集中在能量收集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)選擇方案上,,但忽略了基站之間能量協(xié)作的可能性以及需要考慮不同的能量可用性和用戶需求的自適應(yīng)小區(qū)選擇方案,。

    因此,結(jié)合上述相關(guān)研究,,本文從能量獲取,、能量協(xié)作、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等方面考慮,,提出了一種折中能量獲取,、能量消耗,、負(fù)載、接收速率等性能指標(biāo)的小區(qū)選擇算法,。仿真結(jié)果表明,,該算法可以減少基站對(duì)電網(wǎng)能量的需求,增加用戶選擇的可能,,滿足公平性和有效性,。

1 系統(tǒng)模型

1.1 業(yè)務(wù)模型

    考慮宏基站——低功率節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下基于正交頻分多址技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)下行鏈路小區(qū)選擇場(chǎng)景,頻率復(fù)用因子為1,。M={1,,…,Mmax}表示系統(tǒng)中的宏基站集,,Mmax表示宏基站的最大數(shù)量,,一個(gè)宏基站中包含Np個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)。每個(gè)基站均配置可再生能源發(fā)電裝置以及蓄電池,,并與智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)互聯(lián),。業(yè)務(wù)模型如圖1所示。每個(gè)小區(qū)內(nèi)由位于中心的一個(gè)基站(宏基站或低功率節(jié)點(diǎn))控制,,小區(qū)內(nèi)不再分扇區(qū),。因此,小區(qū)和基站概念可以互換,。系統(tǒng)帶寬為B,,假設(shè)系統(tǒng)滿足如下特性:

tx3-t1.gif

    (1)基站最大發(fā)射功率恒定且每個(gè)子信道上的功率均相等;

    (2)用戶可以通過(guò)導(dǎo)頻測(cè)量獲取每個(gè)小區(qū)的平均信道增益,;

    (3)基站周期性地向用戶廣播小區(qū)的負(fù)載系數(shù)和能耗系數(shù),;

    (4)用戶進(jìn)行小區(qū)選擇的時(shí)間快于基站廣播負(fù)載系數(shù)和能耗系數(shù)的時(shí)間。

    用U表示用戶集合,,其中用戶用u表示,。則用戶在宏蜂窩m(m∈M)中與基站k(其中k={0,1,,…,,Np},k=0表示當(dāng)前基站為Macro基站,,否則表示宏小區(qū)中的低功率節(jié)點(diǎn))相關(guān)聯(lián)時(shí)的數(shù)據(jù)速率表示為:

tx3-gs1-6.gif

1.2 能量獲取模型

    假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的基站都配有可再生能源發(fā)電裝置進(jìn)行供電,,每個(gè)發(fā)電裝置配置一個(gè)電池,用以存儲(chǔ)能量,。由于具有智能電網(wǎng),,因此基站之間支持能量協(xié)調(diào),當(dāng)能量協(xié)調(diào)與能量獲取均不足以補(bǔ)充基站的供電時(shí),可以使用傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行供電,。

1.2.1 符號(hào)描述

tx3-1.2.1-x1.gif

tx3-1.2.1-x2.gif

1.2.2 限制條件

    (1)對(duì)于電池,,能量存儲(chǔ)應(yīng)該滿足以下限制:

tx3-gs7-9.gif

2 能量消耗與小區(qū)選擇

tx3-gs10-11.gif

    為了彌補(bǔ)增加的能量消耗,可以通過(guò)能量獲取和能量協(xié)調(diào)技術(shù)來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ),,當(dāng)能量獲取和能量協(xié)調(diào)均不能滿足多余的能量消耗時(shí),,使用傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行供電。則通過(guò)傳統(tǒng)電網(wǎng)和能量獲取框架可以獲取的總能量為:

tx3-gs12-16.gif

3 數(shù)值結(jié)果分析

    在仿真中,,假設(shè)一個(gè)宏小區(qū)由一個(gè)宏基站(Macro Base Station,,MBS)和3個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)組成,低功率節(jié)點(diǎn)使用Pico基站(Pico Base Station,,PBS),。其中,以MBS為圓心,,PBS位于半徑為400 m的圓周上,。由于每個(gè)基站的能量獲取速率的測(cè)量周期是分鐘級(jí)或者小時(shí)級(jí)的,,而小區(qū)選擇的決策在幾秒鐘之內(nèi)就可以進(jìn)行,,因此,在小區(qū)選擇過(guò)程中,,假設(shè)能量獲取是連續(xù)的,。

    為了體現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中低功率節(jié)點(diǎn)部署的隨機(jī)性,PBS和用戶均采用泊松點(diǎn)過(guò)程進(jìn)行建模,,其密度分別為3個(gè)/Macro以及300個(gè)/Macro[10],。MBS與用戶之間的路損的計(jì)算公式為128.1+37.3log10d(km),PBS與用戶之間的路損的計(jì)算公式為140.7+36.7log10d(km),。

    由于基站的可再生能源發(fā)電裝置的收獲功率的分布依賴于場(chǎng)景,,為簡(jiǎn)單起見,假定獲取的功率是均勻分布的,,即tx3-t2-s1.gif其中tx3-t2-s2.gif分別表示為基站的最大以及最小獲取功率,。其余仿真參數(shù)參考文獻(xiàn) [11]。

    將本文中所提的算法與傳統(tǒng)的小區(qū)選擇算法相比較,。傳統(tǒng)的小區(qū)選擇算法的選擇標(biāo)準(zhǔn)主要參照于用戶接收到的來(lái)自基站的最大的參考信號(hào)接收功率,,傳統(tǒng)的小區(qū)選擇算法在圖中表示為max RSRP UA。本文所提出的算法在仿真中用proposed UA表示,。

    圖2描述了傳統(tǒng)小區(qū)選擇算法與所提算法在基站接收UE的比率上的比較,。在基站端的用戶關(guān)聯(lián)中,在基站接收UE的比率因?yàn)樨?fù)載隨著UE請(qǐng)求的數(shù)量的增加而減少,。從圖2中可以看出,,基站接收用戶的比率隨著UE的請(qǐng)求數(shù)的增加而減少時(shí),所提出的算法優(yōu)于傳統(tǒng)的小區(qū)選擇算法。

tx3-t2.gif

    由于能量獲取框架的參與,,在圖3中模擬了當(dāng)獲取功率增加時(shí),,傳統(tǒng)小區(qū)選擇算法與所提算法在基站接收UE的比率的比較。從圖中可以獲知,,當(dāng)基站的獲取功率越大,,所提的算法使得基站接收UE的比率越大。在圖4中對(duì)傳統(tǒng)小區(qū)選擇算法與所提算法在基站能量消耗方面進(jìn)行了比較,。本文提出的算法由于使用了可再生能源發(fā)電裝置以及能量協(xié)調(diào)等能量獲取框架技術(shù),,基站在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的電量消耗大大減小,節(jié)省了運(yùn)營(yíng)商的開銷,,響應(yīng)了國(guó)家環(huán)境建設(shè)的號(hào)召,。

tx3-t3.gif

tx3-t4.gif

4 結(jié)論

    在本文中,提出了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能量獲取框架下的一種適用于5G綠色通信的小區(qū)選擇算法,,給出了能量獲取,、能量協(xié)作以及小區(qū)選擇之間的關(guān)聯(lián)并建立了模型,折中了能量獲取,、能量消耗,、負(fù)載均衡等性能指標(biāo)。仿真結(jié)果表明,,所提的算法在公平性,、有效性以及能量消耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)的小區(qū)選擇算法。所提算法考慮了可再生能源發(fā)電裝置,、能量協(xié)調(diào)以及負(fù)載均衡,,減少了電網(wǎng)能量的消耗,提高了網(wǎng)絡(luò)的性能,,可適用于5G綠色通信,。

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作者信息:

張德民,,付永莉,楊  康

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,重慶400065)

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