C-Plane輔助基于能效的切換算法

李小平，王軍選，孫長(zhǎng)印，萬(wàn)新亮

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

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C-Plane輔助基于能效的切換算法

李小平，王軍選，孫長(zhǎng)印，萬(wàn)新亮

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)的核心技術(shù)是控制覆蓋面和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)面分離。利用控制面的功能提出一種控制面輔助基于能效的切換方案，控制面預(yù)測(cè)移動(dòng)用戶的移動(dòng)方向和小區(qū)負(fù)載變化，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整小區(qū)開關(guān)在保證用戶業(yè)務(wù)所需容量的情況下使能效最佳。仿真結(jié)果表明，提出的方案較傳統(tǒng)的切換方案更能有效地提升系統(tǒng)能效，達(dá)到節(jié)能減排的效果，同時(shí)提高了用戶的通信質(zhì)量。

虛擬小區(qū)；能效；容量；預(yù)測(cè)

隨著無(wú)線通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)提供了更通用、更便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如WiFi、WiMax、WLAN等。然而單一的網(wǎng)絡(luò)不能滿足急劇增長(zhǎng)的移動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求，未來(lái)移動(dòng)通信采用虛擬區(qū)和宏小區(qū)聯(lián)合重疊覆蓋以及多層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)解決目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量低和能效低等問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)的密集部署勢(shì)必帶來(lái)大量能量的消耗以及增加了CO2的排出量。在2008年的歐洲協(xié)議委員會(huì)上要求到2020年CO2的釋放量減少到20%[1]，能量的有效利用成為影響未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)部署的重要因素之一。結(jié)合能效的異構(gòu)網(wǎng)垂直切換算法研究是實(shí)現(xiàn)能量有效利用的途徑之一。

傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換機(jī)制根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)接收的信號(hào)強(qiáng)度、有效帶寬、傳輸速率、延時(shí)及費(fèi)用等方面考慮，基于一種或者多種屬性實(shí)現(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)的接入。目前國(guó)內(nèi)外已提出了多種垂直切換算法，但是對(duì)基于能效的切換算法研究較少。文獻(xiàn)[2]提出了接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)的思想，通過(guò)比較當(dāng)前接入點(diǎn)的RSS和一個(gè)動(dòng)態(tài)的RSS門限來(lái)決定是否進(jìn)行切換，能夠有效地減少不必要的切換次數(shù)和使切換失敗率低于提前設(shè)置的閾值，但浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[3-5]提出了基于代價(jià)函數(shù)的垂直切換機(jī)制，用移動(dòng)用戶的速度、能量利用、帶寬等作為參量并各自分配權(quán)重構(gòu)成決策函數(shù)來(lái)決定是否切換。文獻(xiàn)[6]依靠模糊邏輯的方法將RSS、可用帶寬(BA)和網(wǎng)絡(luò)開銷3個(gè)屬性通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算得到判決值來(lái)決定是否做出切換。然而關(guān)于能效的研究大多是集中在基站側(cè)，設(shè)計(jì)在不同組網(wǎng)架構(gòu)下如何使系統(tǒng)能耗最低。文獻(xiàn)[7]提出利用壓縮感知預(yù)測(cè)小區(qū)負(fù)載來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整小區(qū)的開關(guān)來(lái)節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗。文獻(xiàn)[8-9]提出了兩種小區(qū)休眠和激活的算法，有效地提升了系統(tǒng)能效。

傳統(tǒng)的切換方法只是實(shí)現(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)的選擇并接入，未考慮能效的問(wèn)題，然而有效的能量利用率是實(shí)現(xiàn)綠色通信的主要途徑。本文提出了一種控制面輔助基于能效的切換算法。首先控制面對(duì)用戶移動(dòng)方向預(yù)測(cè)，并預(yù)測(cè)虛擬小區(qū)的負(fù)載變化，在滿足用戶業(yè)務(wù)需求最低容量的前提下，使用戶將要接入的網(wǎng)絡(luò)能效最優(yōu)，控制面根據(jù)這一準(zhǔn)則來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整小區(qū)開關(guān)狀態(tài)，以此來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果。

1 系統(tǒng)模型

VoLTE的商用預(yù)示著未來(lái)移動(dòng)通信對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求急劇增加，設(shè)計(jì)一種支持大容量的移動(dòng)通信組網(wǎng)方式已成為未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，多層異構(gòu)網(wǎng)融合已成為解決上述問(wèn)題的主要路徑之一。日本NTT DoCoMo公司提出了虛擬小區(qū)(Phantom Cell)技術(shù)能夠同時(shí)解決傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中容量和能量的問(wèn)題，它的核心技術(shù)是基于宏小區(qū)控制面(C-Plane)和業(yè)務(wù)面(U-Plane)的分離來(lái)實(shí)現(xiàn)容量的大幅度提升和節(jié)省大量能量。本文采用宏微組網(wǎng)方式來(lái)評(píng)估提出的切換方案的性能。現(xiàn)階段研究的宏微組網(wǎng)主要分為兩大類[10]，一類是部署在宏小區(qū)邊緣地帶以解決邊緣地帶因鄰居小區(qū)干擾以及低功率下用戶低容量的劣勢(shì)；另一類是宏小區(qū)下大量部署虛擬小區(qū)，即通過(guò)縮減小區(qū)半徑來(lái)大幅度提升系統(tǒng)容量。

虛擬小區(qū)部署關(guān)鍵是C-Plane和U-Plane的分離，二者分離部署技術(shù)能夠使得高頻段頻譜和低頻段頻譜得到合理利用，即提高了頻譜效率。C-Plane利用低頻段資源實(shí)現(xiàn)控制信息管理，U-Plane利用更高頻段(帶寬比較大)的資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)宏基站以傳統(tǒng)小區(qū)狀態(tài)支持C-Plane和U-Plane。本文部署的場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 場(chǎng)景圖

(1)

式中：plk,n為第k個(gè)BSP到第n個(gè)用戶的信道衰落(包括路徑損耗和陰影衰落)；Pk是第k個(gè)BSP的發(fā)射功率；σ2為噪聲功率。根據(jù)香農(nóng)公式可以得到第k個(gè)虛擬小區(qū)中第n個(gè)用戶的容量為

Ck,n= Bk,nlb(1 + γk,n)

(2)

(3)

式中：h表示單位時(shí)間；Ek表示單位能量上能得到的容量大小，值越大表明能效越高。

2 虛擬小區(qū)動(dòng)態(tài)休眠與激活

2.1 理論分析

未來(lái)多層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要求小小區(qū)具有獨(dú)立的用戶平面基帶處理能力。 將基帶處理從宏蜂窩中分離出來(lái)，能夠大幅提升系統(tǒng)的處理能力和減少傳輸延時(shí)，尤其是在一個(gè)宏小區(qū)包含多個(gè)小小區(qū)的場(chǎng)景下，由于宏基站的能力有限，傳統(tǒng)共享基帶處理能力的設(shè)計(jì)方案將嚴(yán)重影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性。同時(shí)獨(dú)立基帶處理方案使得宏基站和小小區(qū)之間不再需要以光纖接口相連接，這種成本上的節(jié)約將帶來(lái)巨大的收益。C-Plane和U-Plane的分離解耦理論是解決上述問(wèn)題的主要途徑，如圖1所示，在此方案中，PhNB從MeNB的控制下獨(dú)立出來(lái)。文獻(xiàn)[11]指出，如果發(fā)射功率在40～100W范圍內(nèi)的基站大約需要功率800～1 500W的基帶處理器以及散熱等其他裝置來(lái)維持正常工作。C-Plane通過(guò)預(yù)測(cè)宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的負(fù)載變化來(lái)動(dòng)態(tài)關(guān)閉處于空閑狀態(tài)下的虛擬基站(包括維持其正常工作的基帶處理器以及散熱的其他裝置)，這樣能大量節(jié)省能量消耗。本文通過(guò)下面介紹的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)的動(dòng)態(tài)開關(guān)，考慮到一個(gè)宏小區(qū)下有K個(gè)虛擬小區(qū)，虛擬小區(qū)狀態(tài)只有兩種，即激活或者休眠。因此虛擬小區(qū)的能量消耗有兩個(gè)值{0,Pk}，那么小區(qū)動(dòng)態(tài)開關(guān)問(wèn)題就等效為一個(gè)最優(yōu)化求解過(guò)程，如下是該問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)和限制條件。

(4)

式中：Pk為第k個(gè)虛擬基站的發(fā)射功率；m(t)為t時(shí)刻宏小區(qū)覆蓋下的用戶總數(shù)；xk,i(t)為第i個(gè)用戶與第k個(gè)虛擬基站的相關(guān)性，相關(guān)為1，否則為0。sgn(x)為符號(hào)函數(shù)，滿足如下關(guān)系

(5)

式(4)中第1個(gè)限制條件的意義是1個(gè)用戶只能由一個(gè)虛擬基站提供服務(wù)；第2個(gè)限制條件是第k個(gè)虛擬小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)用戶分配的帶寬不能超過(guò)系統(tǒng)分配器帶寬的最大值，其中ρi(t)表示用戶i需要的數(shù)據(jù)速率，rk,i表示虛擬基站為用戶i服務(wù)的頻譜效率。根據(jù)該方案本文能夠在保證用戶服務(wù)的前提下得到最優(yōu)的小區(qū)開關(guān)狀態(tài)，即基站側(cè)實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的能量節(jié)省。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

假設(shè)C-Plane知道覆蓋范圍內(nèi)所有的信道和負(fù)載信息，本文利用集中式的貪婪算法求解上述最優(yōu)問(wèn)題。首先，定義如下幾個(gè)初始值，B為基站個(gè)數(shù)初始化集合，U表示初始化用戶個(gè)數(shù)集合，Uk表示該用戶是在第k個(gè)虛擬小區(qū)內(nèi)。算法實(shí)現(xiàn)(偽代碼)如下：

輸出：{xk,i}，{B}

WhileU≠?且B≠?do

?k∈B,Uk=Uk∩U，在B中找到虛擬

WhileW>0且U≠?do

end if

end while

B=B-{kj}

end while

算法結(jié)束后，如果B≠?，集合中剩下的虛擬基站關(guān)閉，如果U≠?，那么集合中剩下的用戶不在該宏基站下所有虛擬小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)。同時(shí)算法中引入一個(gè)比例因子來(lái)設(shè)置虛擬小區(qū)用戶的帶寬分配上限，防止隨機(jī)用戶接入無(wú)法獲取額外的可用帶寬，影響用戶服務(wù)質(zhì)量。

C-Plane利用集中式貪婪算法實(shí)現(xiàn)了小區(qū)的動(dòng)態(tài)休眠，使空閑狀態(tài)的虛擬基站以及維持基站正常工作的一些設(shè)備處于休眠狀態(tài)，能夠節(jié)省大量的能量消耗。本文關(guān)注的是當(dāng)某一移動(dòng)用戶進(jìn)入宏小區(qū)覆蓋的范圍時(shí)，用戶以什么方式接入宏小區(qū)是虛擬小區(qū)，傳統(tǒng)的切換方法大多是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的固有屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)，如基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)等。下面是本文提出的基于能效考慮的切換方案。

3 基于能效的切換方案

隨著能源的不斷減少和環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，綠色節(jié)能成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，圍繞“高能效”的研究課題已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。上文提到的虛擬小區(qū)動(dòng)態(tài)開關(guān)能夠有效地節(jié)省小區(qū)低負(fù)載時(shí)的能耗，實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。本文旨在解決當(dāng)移動(dòng)用戶進(jìn)入宏小區(qū)覆蓋的范圍時(shí)，采用什么標(biāo)準(zhǔn)接入網(wǎng)絡(luò)才能使小區(qū)能量的利用率達(dá)到最高，即能效最優(yōu)。

本文采用宏微組網(wǎng)場(chǎng)景，并且C-Plane和U-Plane分離，同時(shí)虛擬小區(qū)根據(jù)C-Plane提供的負(fù)載動(dòng)態(tài)地進(jìn)行虛擬小區(qū)激活和休眠。首先進(jìn)行宏小區(qū)和虛擬小區(qū)的容量和能量對(duì)比，假設(shè)當(dāng)前宏小區(qū)不受鄰居宏小區(qū)的干擾。單個(gè)虛擬小區(qū)的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于宏小區(qū)用戶數(shù)，根據(jù)式(2)可知，虛擬小區(qū)每個(gè)用戶的容量要大于宏小區(qū)每個(gè)用戶的容量(小區(qū)分配的帶寬一樣)，即虛擬小區(qū)通過(guò)減少覆蓋范圍來(lái)提升系統(tǒng)容量。本文定義一些相關(guān)的變量，PM和PP分別表示宏基站和虛擬基站基帶處理和其他散熱等所需要的功率；Pkm和Pkp分別表示宏基站和虛擬基站的信號(hào)發(fā)射功率。關(guān)于切換方案，本文需要3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

步驟1：C-Plane預(yù)測(cè)移動(dòng)用戶通過(guò)自己覆蓋范圍的移動(dòng)方向，進(jìn)而預(yù)測(cè)用戶穿越的虛擬小區(qū)的負(fù)載變化。本文假設(shè)C-Plane已經(jīng)知道了移動(dòng)用戶的移動(dòng)軌跡以及虛擬小區(qū)相關(guān)的先驗(yàn)信息(如信道狀態(tài)信息等)，小區(qū)負(fù)載本文以小區(qū)覆蓋范圍的用戶數(shù)來(lái)代替。

步驟2：計(jì)算移動(dòng)用戶預(yù)測(cè)通過(guò)虛擬小區(qū)和宏小區(qū)的容量和能效值。

步驟3：C-Plane根據(jù)預(yù)測(cè)到的移動(dòng)用戶的移動(dòng)軌跡及虛擬小區(qū)相關(guān)信息，在保證用戶所需容量及一些業(yè)務(wù)需求的條件下使移動(dòng)用戶接入網(wǎng)絡(luò)的能效值最大化，利用能效最優(yōu)值通過(guò)上文提到的集中貪婪算法動(dòng)態(tài)更新虛擬小區(qū)的激活和休眠狀態(tài)，并且讓移動(dòng)用戶接入到能效最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)。

步驟2中的容量可以通過(guò)式(2)得到，此時(shí)的Pk為用戶在第k個(gè)虛擬小區(qū)或者是宏小區(qū)的接收信號(hào)強(qiáng)度。能效可以通過(guò)式(3)得到，此時(shí)的Pk表示第k個(gè)虛擬基站或者是宏基站的發(fā)射功率和基帶及其他散熱裝置的總功率，此時(shí)的能效表達(dá)式為

(6)

式中：Ckp和Ckm分別表示移動(dòng)用戶在虛擬小區(qū)和宏小區(qū)下的容量；h為時(shí)間間隔。步驟3的小區(qū)動(dòng)態(tài)休眠過(guò)程中考慮了一些特殊用戶(如VIP用戶等，根據(jù)不限制的流量使用)，如果某虛擬小區(qū)中存在該類用戶需激活虛擬基站。本文的切換需滿足如下條件

max{Ekp，Ekm}s.t.

(7)

其中，ε是容量的最低門限，因?yàn)橛脩粢话愣际且詳?shù)據(jù)傳輸速率的大小來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的性能，因此，本文以此來(lái)判決網(wǎng)絡(luò)是否滿足接入網(wǎng)絡(luò)的前提條件。通過(guò)上述3個(gè)步驟，用戶能夠在通過(guò)C-Plane覆蓋的范圍內(nèi)始終保持性能和能效最優(yōu)。

4 仿真結(jié)果

本文在MATLAB仿真軟件下，以能效和能量作為算法的主要指標(biāo)進(jìn)行性能仿真。

4.1 場(chǎng)景設(shè)置

本文采用的是宏微組網(wǎng)方式來(lái)驗(yàn)證基于能量的切換方案的性能。為了仿真容易實(shí)現(xiàn)，仿真場(chǎng)景如圖2所示，本文設(shè)置一個(gè)宏小區(qū)下包含多個(gè)虛擬小區(qū)，宏小區(qū)和虛擬小區(qū)的陰影衰落分別服從0均值、方差為5dB和7dB的隨機(jī)值，其他參數(shù)值如表1所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和虛擬小區(qū)的開關(guān)狀態(tài)

表1 仿真參數(shù)表

圖2中紅色的三角(原圖為彩圖，這里為深色三角)表示虛擬基站休眠，綠色的三角(這里為淺色三角)表示虛擬小區(qū)處于激活狀態(tài)，小圈表示用戶，線條表示預(yù)測(cè)到的移動(dòng)用戶移動(dòng)方向。

4.2 仿真分析

根據(jù)本文提出的方案首先仿真移動(dòng)用戶在不同時(shí)間段切換到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)，圖3給出了仿真結(jié)果。

圖3 切換網(wǎng)絡(luò)和次數(shù)

根據(jù)圖2的場(chǎng)景進(jìn)行垂直切換算法性能分析。C-Plane根據(jù)預(yù)測(cè)到的移動(dòng)用戶的移動(dòng)軌跡及虛擬小區(qū)相關(guān)信息，動(dòng)態(tài)地調(diào)整虛擬小區(qū)的狀態(tài)(激活和休眠)，圖3表明，動(dòng)態(tài)調(diào)整的虛擬小區(qū)能夠使用戶接入大容量、高能效的虛擬小區(qū)，同時(shí)減少了切換次數(shù)；如果C-Plane不能及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)移動(dòng)用戶的相關(guān)信息和虛擬小區(qū)的負(fù)載變化，為了保證不中斷通信，用戶會(huì)切換到低容量、低能效的宏用戶面進(jìn)行通信。

圖4表明，C-Plane根據(jù)預(yù)測(cè)到的先驗(yàn)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬小區(qū)的開關(guān)能夠有效提升移動(dòng)用戶通過(guò)宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于未來(lái)主要以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種很好的方案，高的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠提高用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。圖5從能效的角度評(píng)估了本文切換方案的性能，上文描述了部署虛擬小區(qū)不僅能夠提升系統(tǒng)的容量，同時(shí)由于它的發(fā)射功率和基帶處理等功率比較小，因此更節(jié)省能量。本文綜合考慮了容量和能量，即能效，通過(guò)仿真來(lái)評(píng)測(cè)用戶通過(guò)C-Plane覆蓋范圍內(nèi)能效的變化。仿真結(jié)果圖5表明，基于C-Plane輔助動(dòng)態(tài)調(diào)整小區(qū)激活和休眠狀態(tài)的切換方案具有較好的能效效應(yīng)。

圖4 切換過(guò)程的系統(tǒng)吞吐量

圖5 能效對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文基于宏微組網(wǎng)C-Plane和U-Plane分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用虛擬小區(qū)通過(guò)休眠技術(shù)在很大程度上節(jié)省能量消耗這一前提條件，提出了一種C-Plane輔助基于能效的切換方案。C-Plane預(yù)測(cè)移動(dòng)用戶的移動(dòng)軌跡以及虛擬小區(qū)需要的先驗(yàn)信息，在滿足用戶業(yè)務(wù)容量的前提下，使移動(dòng)用戶接入的網(wǎng)絡(luò)能效最優(yōu)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整虛擬小區(qū)的休眠和激活狀態(tài)。仿真結(jié)構(gòu)表明，本文提出的切換方案在有效地提升了移動(dòng)用戶接入網(wǎng)絡(luò)能效的同時(shí)，增加了用戶通過(guò)宏小區(qū)覆蓋范圍區(qū)域時(shí)吞吐量，并在一定范圍內(nèi)減少了用戶切換的次數(shù)。符合未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的需求，提高了用戶的通信體驗(yàn)質(zhì)量。本文只是針對(duì)兩層異構(gòu)組網(wǎng)，下一步研究的工作集中解決多層異構(gòu)網(wǎng)中高能效的切換算法研究。

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責(zé)任編輯：許 盈

Handoff algorithm based on energy efficiency with help of C-Plane

LI Xiaoyping，WANG Junxuan，SUN Changyin，WAN Xinliang

(DepartmentofCommunicationandInformationEngineering,UniversityofXi’anPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

The core technology is to control the coverage and data business separation in heterogeneous of future. By using the control surface function in this paper, a control surface auxiliary switching scheme based on energy efficiency is proposed. Control surface predicts the moving direction of the mobile user and the load change. On the condition that the capacity needed by user business is ensured, dynamic adjustment plot of switch can make the best of energy efficiency. The simulation results show that compared with the traditional switching scheme, the proposed scheme can effectively improve the system efficiency, achieve the effects of saving energy and reducing emissions, and improve quality of a user’s communication.

phantom cell; energy efficiency; capacity; predict

李小平，王軍選，孫長(zhǎng)印，等. C-Plane輔助基于能效的切換算法[J].電視技術(shù)，2016，40(12)：83-88. LI X P，WANG J X，SUN C Y，et al. Handoff algorithm based on energy efficiency with help of C-Plane[J].Video engineering，2016，40(12)：83-88.

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2016.12.016

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA01A703)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61501371)；陜西省國(guó)際科技合作與交流計(jì)劃項(xiàng)目(2015KW-012)

2016-04-28