異構(gòu)網(wǎng)中Small Cell休眠機制研究

于淑青 鄭迺錚 談?wù)褫x

【摘要】 為滿足日益增長的移動流量需求和彌補宏小區(qū)的覆蓋缺陷，LTE-A系統(tǒng)引入了Small Cell概念，部署在熱點區(qū)域或盲區(qū)，與宏小區(qū)組成異構(gòu)網(wǎng)。針對異構(gòu)網(wǎng)中Small Cell的密集部署導(dǎo)致出現(xiàn)的層內(nèi)干擾和功耗加大等問題，本文提出一種Small Cell平衡休眠機制，在保證用戶體驗質(zhì)量的前提下，考慮基站端的功耗因素，引入一個功耗權(quán)衡系數(shù)，平衡系統(tǒng)性能與功耗的關(guān)系，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低的Small Cell進入休眠狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，該機制可以顯著降低功耗和提升系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】 異構(gòu)網(wǎng) 小型基站 休眠機制

一、引言

在熱點地區(qū)或宏覆蓋盲區(qū)，傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)已經(jīng)無法滿足用戶流量需求，嚴(yán)重影響用戶體驗，故引入了Small Cell。Small Cell包含Micro、Pico、Femto等多種形態(tài)，這種組網(wǎng)方式在3GPP Release-10中被引申為異構(gòu)網(wǎng)（Heterogeneous Network，HetNet）[1]。根據(jù)Small Cell論壇最新公布數(shù)據(jù)：截至2015年第一季度，Small Cell部署量已經(jīng)達到1120萬個，其中90%以上的Small Cell部署在住宅、企業(yè)等室內(nèi)環(huán)境中，同時Small Cell也呈現(xiàn)出向市區(qū)室外、偏遠(yuǎn)地區(qū)等場景擴大部署范圍的趨勢，預(yù)計2015年室內(nèi)Small Cell部署數(shù)量將翻倍[2]。

Small Cell的大規(guī)模部署，在解決熱點區(qū)域覆蓋問題的同時，也引入了新的問題和挑戰(zhàn)。在熱點區(qū)域，Small Cell部署密度大，距離比較近，相互間覆蓋區(qū)域交疊，如果相鄰的Small Cell采取同頻部署，在相同頻帶上進行數(shù)據(jù)收發(fā)，不可避免地會產(chǎn)生同層干擾。

同時，大量部署Small Cell會導(dǎo)致功耗加大，尤其是在夜間流量比較小時，很多Small Cell處于空閑狀態(tài)，將會嚴(yán)重浪費能源。為有效解決小區(qū)間干擾和能耗問題，有必要使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載非常低或者無網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的Small Cell自主休眠以節(jié)省能源并且降低對臨近小區(qū)的干擾。

3GPP在Release-12版本中引入了多種Small Cell休眠方案，比如根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的增減、UE的到達或離開、UE分組數(shù)據(jù)的到達與完成等情況決定Small Cell的休眠與激活[3][4]。文獻[5]引入了一種利用時延容忍的休眠機制，Small Cell短期隨機開關(guān)，用戶為接入距離更近的Small Cell，可以等待接入。

文獻[6]呈現(xiàn)了基于當(dāng)前的流量負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的機會主義開關(guān)策略。文獻[7]提出一種基于博弈論的動態(tài)開關(guān)調(diào)度算法。以上休眠方案都是以提升系統(tǒng)吞吐量為主，并能降低部分功耗。

本文考慮在保證用戶服務(wù)質(zhì)量不下降或者下降在一個容忍度之內(nèi)的前提下，節(jié)省更多的能源，提出一種平衡休眠機制，權(quán)衡系統(tǒng)性能和能耗。

二、系統(tǒng)模型

為了使仿真場景更加符合實際情況，3GPP定義了小型基站增強（Small Cell Enhancements，SCE）場景[3]。SCE場景與典型HetNet場景[8]相比，引入了簇（Cluster）的概念，Small Cell部署在簇內(nèi)，用來模擬熱點區(qū)域。

如圖1所示，本文采用SCE場景2a，Small Cell簇與Macro之間通過回程鏈路連接，Small Cell和宏小區(qū)工作在不同的頻段

假定每個宏小區(qū)中只有一個Small Cell簇，第k個宏小區(qū)MCk的簇內(nèi)有M個Small Cell，表示為SCk={SC0k，SC1k，...，SCkM-1}整個基站集合為Ck=MCk∪SCk。下面為描述方便將標(biāo)記k去掉，即SC={SC0，SC1，...，SCM-1}，C=MC∪SC。

Small Cell的狀態(tài)表示為X={x0，x1，...，xM-1}，其中SCm的狀態(tài)xm={0，1}，“1”表示Small Cell處于激活狀態(tài)，“0”表示Small Cell處于休眠狀態(tài)，則Small Cell的狀態(tài)集合Ω中共有2M個元素X。當(dāng)一個Small Cell從激活態(tài)變?yōu)樾菝邞B(tài)時，之前連接在該Small Cell上的UE將切換至其他相鄰的小區(qū)上。處于激活態(tài)的Small Cell正常服務(wù)于本小區(qū)內(nèi)的UE，轉(zhuǎn)換為休眠態(tài)的Small Cell仍然需要少量功率維持運作。SCm的功耗表示為：

其中，PRF、PBB分別表示基站射頻單元和基帶單元的總功率，σ表示DC-DC轉(zhuǎn)換、配電以及冷卻等損耗，σfeed表示饋線損耗，η表示功率放大器效率。PmBCK表示SCm所需的回程功耗，Pm是指SCm的發(fā)射功率。從上式可以得知，基站總功耗包括傳輸功耗和維持基站處于激活或休眠模式的功耗。

假設(shè)SCm上連有Nm個UE，由于簇之間距離較遠(yuǎn)，每個簇中的UE受到其他簇內(nèi)Small Cell的干擾遠(yuǎn)小于本簇內(nèi)Small Cell帶來的干擾，所以其他簇的干擾可作為背景干擾，主要考慮本簇內(nèi)的干擾[7]。連接到SCm上的第n個UE的SINR為：

RU，M其中，P表示MC的發(fā)射功率，[ωl表示MC中第l個UE占用的帶寬。根據(jù)式（4）和式（6）可以得到宏小區(qū)覆蓋范圍中總的數(shù)據(jù)速率，即總的用戶吞吐量為：

Rtotal=Rm+RMC （7）

通過改變Small Cell的狀態(tài)可以獲取不同的吞吐量，那么狀態(tài)集合Ω中存在某個元素可以使得系統(tǒng)吞吐量最大化。本文考慮的是節(jié)省更多能源，前提條件是保證系統(tǒng)性能不惡化，故引入一個功耗權(quán)衡參數(shù)α，定義一個平衡函數(shù)：

權(quán)重參數(shù)α表示功耗占的比重，α=0時代表不考慮功耗，α越大，則功耗占的比重越大，本文中α的選取參考所有Small Cell都處于激活態(tài)時的系統(tǒng)吞吐量。本文最終目標(biāo)是實現(xiàn)每個宏小區(qū)的平衡函數(shù)最大化，即：

本節(jié)具體描述平衡休眠機制的實現(xiàn)過程，定義狀態(tài)切換時間間隔為1s。

第一步：

t=0系統(tǒng)初始化，任取一個小區(qū)集合C，Small Cell全部處于激活狀態(tài)，計算C的吞吐量 Rtotal（t），選取α值，計算此時的平衡值Γ（t）；

第二步：

t=t+1，從Ω中任意選取一個未曾使用過的元素X，然后完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換和UE重連，重新計算吞吐量Rtotal（t+1）和平衡值Γ（t+1），與前一個時間點保存的平衡值Γ（t）作比較，繼續(xù)保存較大的那個平衡值以及對應(yīng)的Small Cell狀態(tài)元素，并且記為Γ（t），重復(fù)第二步；

第三步：

Ω中元素使用完畢，結(jié)束循環(huán)，存儲使平衡值最大的狀態(tài)元素X，并將Small Cell狀態(tài)切換為X。

四、仿真結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

具體仿真參數(shù)見表1。

4.2 仿真結(jié)果

使用Small Cell全部處于激活態(tài)為基準(zhǔn)線，比較平衡休眠機制和基于UE連接的休眠方案。基于UE連接的休眠方案是指將沒有UE連接的Small Cell休眠。

圖2列出了基準(zhǔn)線、本文提出的平衡休眠機制以及基于UE連接的休眠方案下邊緣用戶和中間用戶的吞吐量。邊緣用戶吞吐量取用戶吞吐量累積分布曲線5%-ile處的值，中間用戶吞吐量取用戶吞吐量累積分布曲線50%-ile處的值。

從圖2可以看出，本文提出的平衡休眠機制的邊緣用戶與中間用戶吞吐量介于基準(zhǔn)線和基于UE連接的休眠方案之間。以基準(zhǔn)線為準(zhǔn)，在每個Macro區(qū)域中UE數(shù)為6時，基于UE連接的休眠方案的邊緣用戶吞吐量增益是25.5%，中間用戶吞吐量增益是48.5%，平衡休眠機制的吞吐量增益相對低一些，邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別達到19.8%和17.5%。

隨著UE數(shù)逐漸增多，平衡休眠機制和基于UE連接的休眠方案這兩種方式帶來的用戶吞吐量逐漸接近基準(zhǔn)線，在每個Macro區(qū)域中UE數(shù)為30時，基于UE連接的休眠方案的邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別為14.9%和10.8%，平衡休眠機制的邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別是8.8%和3.2%。

這說明基于UE連接的休眠方案可以帶來非常顯著的用戶吞吐量增益，相比之下，平衡休眠機制考慮了功耗因素，雖然用戶吞吐量增益低于基于UE連接的休眠方案，但卻節(jié)省了更多的能源。

為了評估系統(tǒng)降低的能耗，計算Small Cell的休眠比例，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

從圖3不難看出，基于UE連接的休眠方案的Small Cell休眠比例低于本文提出的平衡休眠方案?；赨E連接的休眠方案的休眠比例最高為40%，而平衡休眠方案可達52.4%，比基于UE連接的休眠方案高出了12.4%，節(jié)省的能源也更多。

以上數(shù)據(jù)有效支撐了理論推斷，證明了平衡休眠機制的有效性。

五、結(jié)論

本文給出了一種權(quán)衡系統(tǒng)性能和能耗的平衡休眠機制，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量不下降或者下降在一個容忍度之內(nèi)的前提下，降低更多能耗。

該機制針對當(dāng)前Small Cell的密集部署，引入了平衡值的概念，以系統(tǒng)性能為主，加入功耗因素，綜合評價系統(tǒng)性能，并結(jié)合系統(tǒng)級仿真平臺，評估本文所提出的機制。結(jié)果表明雖該機制然在系統(tǒng)性能上表現(xiàn)略差于基于UE連接的休眠方案，但極大地節(jié)省了能源。

參 考 文 獻

[1] Damnjanovic A， Montojo J， Wei Y， et al. A survey on 3GPP heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications， 2011， 18（3）： 10-21.

[2] Small Cell Forum. Market status statistics[OL]. http：//scf.io/en/documents/050_-_Market_status_report_June_2015_-_Mobile_Experts.php， 2015-6-9.

[3] 3GPP TR 36.872 v12.1.0， Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN - Physical layer aspects[S]. 2013.

[4] 3GPP TR 36.932 v12.1.0， Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN[S]. 2013.

[5] Celebi H， Maxemchuk N， Li Y， et al. Energy reduction in small cell networks by a random on/off strategy[C]//Globecom Workshops （GC Wkshps）， 2013 IEEE. IEEE， 2013： 176-181.

[6] Samarakoon S， Bennis M， Saad W， et al. Opportunistic sleep mode strategies in wireless small cell networks[C]//Communications （ICC）， 2014 IEEE International Conference on. IEEE， 2014： 2707-2712.

[7] Luo Z， Ding M， Luo H. Dynamic Small Cell on/off Scheduling Using Stackelberg Game[J]. IEEE Communications Letters， 2014， 18（9）： 1615-1618.

[8] 3GPP TR 36.814 v9.0.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Further advancements for E-UTRA physical layer aspects[S]. 2010.