考慮協(xié)作開銷的同層協(xié)作能譜效優(yōu)化算法

鄧小波 ，李柱領，杜文叢

(1.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

同一區(qū)域部署多種類型的基站在有效增強覆蓋、提高網(wǎng)絡吞吐量的同時將不可避免產(chǎn)生多種干擾[1]。協(xié)作多點(CoMP)傳輸能夠?qū)⒏蓴_轉(zhuǎn)換為用戶的期望信號，是消除干擾的一種有效方法[2-3]，但也需要消耗額外的基帶處理功率。

CoMP服務的一個根本問題是數(shù)據(jù)交換，通過回程在宏基站之間共享大量信令和原始無線電樣本，需要消耗額外的能量，從而影響系統(tǒng)的性能。需要在降低用戶干擾的同時，盡可能減小協(xié)作功耗，從而提高網(wǎng)絡的能譜效。文獻[4]研究了2層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的能效問題，采用網(wǎng)絡中所有基站兩兩相互協(xié)作，需要建立大量的對回程鏈路。文獻[5-6]指出，當2個或者3個基站相互協(xié)作時效果是最好的。文獻[7-9]考慮到越多基站參與協(xié)作則協(xié)作開銷也會越大的問題，提出了兩基站協(xié)作傳輸模型，但是并沒有在兩基站協(xié)作傳輸模型下通過合理地選擇用戶的協(xié)作基站簇來進一步降低協(xié)作開銷對網(wǎng)絡能譜效的影響。

針對現(xiàn)有網(wǎng)絡和協(xié)作方式的不足，結(jié)合宏基站資源受限的特點[10-13]，通過何種方式將CoMP應用到2層異構(gòu)蜂窩以提高網(wǎng)絡的能譜效？針對這一問題，提出了一種新型的基于宏基站權(quán)值的能譜效優(yōu)化算法。通過該算法可以合理規(guī)劃蜂窩網(wǎng)絡中的業(yè)務流量，使得協(xié)作帶來的能譜效收益大于因協(xié)作產(chǎn)生的功耗，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡能譜效的提高。

1 系統(tǒng)模型

1.1 2層網(wǎng)絡模型

考慮一個由宏蜂窩-毫微蜂窩組成的2層蜂窩網(wǎng)絡的下行傳輸鏈路，2個層是獨立的，并且由宏基站實現(xiàn)所有的基帶信號處理?；镜姆植纪ǔＳ刹此牲c過程[14-17](Poisson Point Process,PPP)建模。

異構(gòu)網(wǎng)絡同層CoMP傳輸示意如圖1所示。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡同層CoMP傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of CoMP transmission at the single-layer in heterogeneous network

位于宏小區(qū)中的用戶分為3種:第1種協(xié)作用戶如圖1中的用戶2，其協(xié)作簇為當前宏基站內(nèi)的2個Pico基站，其業(yè)務流量為宏基站內(nèi)的CoMP業(yè)務(CoMP-In-Macro，CIM)；第2種為協(xié)作用戶如圖1中的用戶1和用戶5，其協(xié)作簇為當前宏基站內(nèi)的一個Pico基站和相鄰宏基站內(nèi)的一個Pico基站，其業(yè)務流量為宏基站間的CoMP業(yè)務(CoMP-Between-Macro，CBM)；第3種如圖1中的用戶3，不采取協(xié)作傳輸，只由當前Pico基站為其提供服務，稱為內(nèi)部用戶。

1.2 網(wǎng)絡功耗建模

網(wǎng)絡的功耗Power可以表示為：

Power=PT+POM+PC,

(1)

式中，PT表示網(wǎng)絡的發(fā)射功率；POM表示網(wǎng)絡的固定損耗；PC表示網(wǎng)絡的協(xié)作開銷,即:

(2)

式中，pcim，pcbm分別表示處理單位CIM業(yè)務和CBM業(yè)務所消耗的功率，單位Mb/s；flowcimpcim，flowcbmpcbm表示處理網(wǎng)絡中所有CIM業(yè)務和CBM業(yè)務需要消耗的功率，且pcim

POM可以表示為：

POM=λ1POM1+λ2POM2。

(3)

經(jīng)過重新規(guī)劃Pico基站接入的宏基站，盡可能提高CIM業(yè)務量flowcim，降低CBM業(yè)務量flowcbm，使flowcimpcim+flowcbmpcbm最小。

異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡同層CoMP的基站重組與業(yè)務遷移示意圖如圖2所示。

圖2 基站重組與業(yè)務遷移示意Fig.2 Schematic diagram of base station reorganization and traffic migration

Pico基站改變其和宏基站的連接關(guān)系稱為基站的重組，使原本發(fā)生在之前的宏基站的業(yè)務轉(zhuǎn)移到了Pico基站新接入的宏基站內(nèi)稱為業(yè)務遷移。

經(jīng)過基站重組后，網(wǎng)絡的功耗Power可以表示為：

Power=PT+POM+PC+P′，

(4)

式中，P′可表示為：

在此基礎上，現(xiàn)代觀賞石出現(xiàn)了似乎更為科學合理的分類方法：即造形石、畫面石、晶體石、化石、特種石五大類。

P′=flow′p′，

(5)

式中，flow′表示發(fā)生遷移的業(yè)務量；p′表示單位業(yè)務量遷移消耗的功率。

1.3 性能指標

網(wǎng)絡能譜效定義為：

(6)

式中，Throughput為網(wǎng)絡中的吞吐量；Power為網(wǎng)絡中的功耗。

2 基于宏基站權(quán)值的基站重組算法

2.1 算法描述

“權(quán)值”是指網(wǎng)絡中每個宏基站按照其覆蓋范圍內(nèi)的所有Pico基站與當前Pico基站之間存在的協(xié)作業(yè)務量的總和，代表了當前Pico接入網(wǎng)絡中每個宏基站的一個權(quán)重。每個Pico基站的權(quán)值代表發(fā)生在該Pico基站內(nèi)的業(yè)務流量。小區(qū)流量模型如圖3所示。

圖3 小區(qū)流量模型Fig.3 Cell traffic model

小區(qū)流量模型中的每個宏基站及其對應權(quán)值如表1所示。

表1 宏基站及其對應權(quán)值Tab.1 Macro base station and its corresponding weight

算法步驟：

步驟1：對于當前正在優(yōu)化的Pico小區(qū)，計算當前網(wǎng)絡內(nèi)所有宏基站的權(quán)值。該Pico基站目前所連接到宏基站的權(quán)值為當前Pico小區(qū)與該宏基站之間的所有Pico基站之間產(chǎn)生的宏基站內(nèi)協(xié)作業(yè)務量之和。其他宏基站的權(quán)值為當前Pico基站與每個宏基站內(nèi)的Pico基站產(chǎn)生的宏基站間協(xié)作的業(yè)務量之和，將每個其他宏小區(qū)內(nèi)與當前Pico基站產(chǎn)生宏基站間協(xié)作業(yè)務的Pico小區(qū)稱為當前Pico基站的期望鄰接小區(qū)，將這些基站稱為當前Pico基站的期望鄰接基站。在所有宏基站權(quán)值中選擇最大的一個作為當前Pico小區(qū)的優(yōu)化權(quán)值。

對網(wǎng)絡中所有Pico小區(qū)執(zhí)行上述操作，根據(jù)目前網(wǎng)絡中各種業(yè)務流量的分布情況，依據(jù)能譜效公式計算網(wǎng)絡的能譜效ESE1。

步驟3：如果已經(jīng)遍歷完了所有的Pico小區(qū)，執(zhí)行下一步，否則執(zhí)行步驟2。

步驟4：根據(jù)目前網(wǎng)絡中所有不同業(yè)務流量的分布情況，計算網(wǎng)絡的能譜效ESE2。

算法1 基于宏基站權(quán)值的能譜效優(yōu)化算法輸入:宏基站集合M;Pico基站集合P;CoMP流量集合(px,py){};Pico基站內(nèi)部流量的集合(inneri){};Pico基站流量的集合(fi){}。算法輸出:算法前后網(wǎng)絡的能譜效ESE1和ESE2。1.設置網(wǎng)絡的遷移業(yè)務量flow′=0,for每個pi∈P,do2.定義集合(m,w){}用來存儲所有的宏基站及其權(quán)值3.設置權(quán)值wj為Pico基站(pi,pj)之間的CoMP業(yè)務流量,(mj,wj)∈(m,w){}4.找到與pi有CoMP關(guān)系的Pico基站集合,記為Copi{}for對每個pj∈Copi{},do5. 找到pj所連接的宏基站mj6. ifmj==mi7. flowcim=flowcim+wj8. else9. flowcbm=flowcbm+wj10. endif11.end12.flowinner=flowinner+inneri13.根據(jù)能譜效的公式,計算此時網(wǎng)絡的能譜效ESE1。14.按照pj所連接的宏基站對相應的wj進行相加,得到(m,w){},根據(jù)權(quán)值w對(m,w){}進行排序15.for每個(m,w){},do16.尋找連接到宏基站m并且和當前Pico基站pi之間的協(xié)作業(yè)務(pi,pj)≠0的所有Pico基站,記為m,pall{}{}17.endfor18.尋找(m,w){}中的最大權(quán)值wimax19.endfor20.對Pico基站依據(jù)其最大權(quán)值排序21.WhileP≠?22.將當前Pico連接到其wimax對應的宏基站上23.if該Pico的優(yōu)化宏基站和當前連接的宏基站不同24.flow′=flow′+fptop25.end26.從P中移除ptop以及其對應的pall{}27.endwhile28.for每個pi∈P,do29.重復步驟3～1030.endfor31.計算算法后網(wǎng)絡的能譜效ESE2。

2.2 算法的限制條件

期望鄰接小區(qū)：表1中的期望鄰接小區(qū)指的是當前Pico基站將要接入的期望宏基站包含的且與當前Pico存在協(xié)作業(yè)務的Pico小區(qū)。每次對當前Pico進行優(yōu)化時，有可能會改變其連接的宏基站，如果對其期望宏基站中的Pico小區(qū)進行優(yōu)化時，會改變之前優(yōu)化到該小區(qū)的Pico和該Pico的協(xié)作關(guān)系，如當前正在進行優(yōu)化的Pico小區(qū)為Pico5，當前Pico5接入的是宏基站1，其期望宏基站為宏基站2，期望鄰接小區(qū)為Pcell8。當改變Pico5連接的宏基站使其連接到宏基站2后，Pico5與Pico8之間的協(xié)作關(guān)系就由宏基站間協(xié)作轉(zhuǎn)為了宏基站內(nèi)協(xié)作，如果后面再對Pico8進行優(yōu)化使其連接到了其他宏基站，Pico5與Pico8之間的協(xié)作關(guān)系就又變?yōu)榱撕昊鹃g協(xié)作，導致對之前基站Pico5的操作失去意義。因此，每次優(yōu)化完一個Pico小區(qū)之后應不再對其期望鄰接小區(qū)進行優(yōu)化。

容量限制：每個宏基站中都存在一個BBU板卡，其容量是受限制的，即其信號處理能力是有限的，否則一個宏基站就可以接入無數(shù)個Pico基站，不需要再考慮網(wǎng)絡中是否出現(xiàn)了跨宏小區(qū)的協(xié)作，這顯然是不現(xiàn)實的。所以需要時刻關(guān)注每個宏基站中BBU板卡的剩余容量。如果當前Pico基站要接入的期望宏基站的剩余容量不足，就查詢其次優(yōu)化宏基站的剩余容量是否能夠再接入當前Pico基站，是就接入，否則繼續(xù)依順序查找，直到找到有接入當前Pico能力的宏基站為止。

3 仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真所需的一些參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)仿真列表Tab.2 List of simulation parameters

網(wǎng)絡中CoMP業(yè)務流量占所有業(yè)務流量的比例為0.5，即α=0.5時，網(wǎng)絡中的CBM業(yè)務流量比例隨著鄰接小區(qū)數(shù)目變化的曲線如圖4所示。flowcbm1_ratio和flowcbm2_ratio分別表示算法前后網(wǎng)絡中的CBM業(yè)務流量比例。以鄰接小區(qū)數(shù)目取10時為例，可以看到算法前后網(wǎng)絡中的CBM業(yè)務量比例分別占整個網(wǎng)絡流量比例的89.7%和61%，算法使得網(wǎng)絡中的CBM業(yè)務量降低了28.7%。

圖4 CBM業(yè)務量比例隨著鄰接小區(qū)數(shù)目變化曲線Fig.4 The curve of the CBM flow ratio changing with the number of adjacent cells

網(wǎng)絡的能譜效隨著鄰接小區(qū)數(shù)目變化的曲線如圖5所示，目的是為了更直觀地說明算法對網(wǎng)絡能譜效的改善。ESE1和ESE2分別表示算法前后網(wǎng)絡的能譜效。設定單位業(yè)務量(單位Mb/s)下，CBM業(yè)務、CIM業(yè)務以及遷移業(yè)務的協(xié)作開銷分別是1,2,0.05 W。可以看到，算法使得網(wǎng)絡的能譜效有了很大提高。當鄰接小區(qū)數(shù)目n=10時，ESE1=0.085 9 bit/Hz/J和ESE2=0.090 5 bit/Hz/J，提高了5.4%。

鄰接小區(qū)數(shù)目為6的情況下，CBM業(yè)務量比例隨著CoMP業(yè)務比例變化曲線如圖6所示，網(wǎng)絡能譜效隨著CoMP業(yè)務比例變化曲線如圖7所示。

由圖6可以看出，算法可以降低網(wǎng)絡中的CBM業(yè)務量比例。由圖7可以看出，算法可以提高網(wǎng)絡的能譜效，且隨著α的增大，網(wǎng)絡中的協(xié)作業(yè)務也會增多，因此網(wǎng)絡的功耗增大，故能譜效逐漸降低。

圖6 CBM業(yè)務量比例隨著CoMP業(yè)務比例變化曲線Fig.6 The curve of the CBM flow ratio changing with CoMP flow ratio

圖7 網(wǎng)絡能譜效隨著CoMP業(yè)務比例變化曲線Fig.7 The curve of network ESE changing with CoMP flow ratio

4 結(jié)束語

CoMP可以有效降低干擾，但其開銷也是不可忽視的。本文首次考慮了由宏蜂窩-毫微蜂窩構(gòu)成的密集大規(guī)模2層蜂窩網(wǎng)絡中的協(xié)作開銷對網(wǎng)絡能譜效的影響，提出了一種新型基于宏基站權(quán)值的能譜效優(yōu)化算法。通過重新選擇Pico基站要接入的宏基站，盡可能地減少協(xié)作開銷。仿真結(jié)果證明,所提算法能夠有效提高網(wǎng)絡的能譜效。