CN102833832B - 一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法，包括：综合利用无线蜂窝网络中用户的接收信干噪比信息及基站的负载信息，运用图论知识将无线蜂窝网络建模为一加权二部图，其中基站和用户是图中的点，基站和用户的连接关系表示该加权二部图的边；该加权二部图中边的权值由该边对应链路用户的信干噪比值和基站的负载值联合决定，同时考虑了通信链路质量和无线蜂窝网络能耗两方面的因素；本发明还给出了一种使无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值达到最大值的迭代方法，该迭代方法不断更新加权二部图的连接矩阵及权值矩阵，由于该过程联合考虑了链路质量及无线蜂窝网络的能耗情况，无线蜂窝网络的能量效率会得到提高。

Description

一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络节能技术，尤其涉及一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法。

背景技术

下一代无线网络要求随时随地提供高速因特网接入服务，iPhone及其他类型智能手机的流行，毫无疑问地加速了这个过程，并且由此推出的新业务，例如移动视频和移动游戏，成倍增长的数据业务和随时随地接入的需求使得网络设施需求急剧扩大，同时也需要大量的能源。因此，迫切需要移动运营商在维持合理增长的同时，减少电力损耗。

无线接入网中，能耗最大的部分是基站，因此基站节能是网络节能的关键。由于基站一天之内的负载是随时间变化的，因此，可以根据基站的业务变化，通过动态调节基站和设备的参数来自适应地调整功率来节能。这种方法称为网络节能方法。网络节能方法主要可分为时域、频域和空域节能三类。

时域节能方法的基本思想是在下行没有业务需求的时候就关闭PA，以此来减少基站的能耗，节能量是以PA关闭的时间来衡量的。频域的节能方法主要有合理分配带宽资源、载波聚合等，但是节能的效率不高。空域可以使用减少天线数量、设置小区开关及使用分层结构等方法来节省能耗，节能效率比较高。

现有的空域节能方法中，小区开关方法的思想是将业务量较低的小区关闭来节能，但是现实情况中由于巨大的用户速率需求，使得关闭小区的比较很小，网络节能量较低，网络能量效率值不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法，在全无线蜂窝网络业务量较低时提高无线蜂窝网络的能量效率。包括：

综合利用无线蜂窝网络中用户的接收信干噪比信息及基站的负载信息将无线蜂窝网络建模为一个加权二部图，其中用基站{b_m}，m＝1，2，K，M和用户{u_n}，n＝1，2，K，N表示图中的点，基站和用户的连接关系表示该加权二部图的边；当b_m和u_n之间的边存在时，该边在连接矩阵X＝(x_m，n)_M×N，x_m，n∈{0，1}中对应的元素值为1，否则值为0；

进一步的，该加权二部图边的权值确定方法如下：若基站b_m和用户u_n之间的边存在，则该边的权值w_m，n由u_n的归一化信干噪比值及b_m的归一化负载值联合决定，即若二者之间不存在链路，则该边的权值为0；

其中，α、β分别是信干噪比因子和功耗因子，并且α+β＝1。这两个因子表示了在用户接入基站过程中分别考虑链路质量和无线蜂窝网络能耗两个方面的程度，因子的值越大，表示考虑该方面的程度越大；

进一步的，本发明还提出了以上述建模过程为基础，最大化无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值的迭代方法；

其中，过该迭代方法不断更新加权二部图的连接矩阵X及权值矩阵W，从而使无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值R达到最大，由于该过程联合考虑了链路质量及无线蜂窝网络的能耗情况，无线蜂窝网络的能量效率会得到提高。

附图说明

图1是系统场景建模示意图；

图2是确定无线蜂窝网络连接的流程图；

图3是整个无线蜂窝网络建模与无线蜂窝网络拓扑控制的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明的基本思想是：将无线蜂窝网络系统建模成为一个加权二部图，其中边的权值由该边对应链路用户的信干噪比值和基站的负载值联合决定。通过迭代方法改变无线蜂窝网络对应的加权二部图的连接矩阵及权值矩阵使得该加权二部图的总权值最大。以上述方式兼顾无线蜂窝网络的链路质量及能耗情况，可以提高无线蜂窝网络的能量效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明应用的系统场景建模图，其中将基站和用户及其连接链路建模为一个加权二部图。所有基站{b_m}和用户{u_n}构成了加权二部图中的点集，并且二者是两个互不相交的子点集。加权二部图中的边只存在于基站和用户之间，基站和基站之间、用户和用户之间不存在边。对于每一个代表用户的点，其度都为1，表示每个用户只能连接一个基站。

其中，连接矩阵X＝(x_m，n)_M×N，x_m，n∈{0，1}来表示点集{b_m}和{u_n}之间的连接关系，其中x_m，n＝1表示b_m和u_n之间连接的，即两者之间的边是存在的。x_m，n＝0表示二者是未连接的。

下面详细说明各参数的计算方法。

1、u_n的接收信干噪比值γ_m，n

计算方式为其中pl_m，n为b_m到u_n之间的信道增益，P_N为用户处的噪声功率，表示b_m的发射功率。

其中，假设基站的功率与其连接的用户数量是线性关系，即 表示b_m的发射功率，为基站的线路功耗，μ是一个与功耗相关的系数，表示b_m连接的用户数量。

2、u_n的归一化接收信干噪比

计算方式为其中分母表示u_n接收到各个基站的信干噪比的最大值。

3、b_m的归一化负载值

计算方式为其中表示b_m连接的用户数量，分母表示所有基站连接的最大用户数量。

4、u_n和b_m之间的权值w_m，n

计算方式为其中，α、β分别是信干噪比因子和功耗因子，并且α+β＝1。这两个因子表示了在用户接入基站过程中分别考虑链路质量和无线蜂窝网络能耗两个方面的程度，因子的值越大，表示考虑该方面的程度越大。可以通过设置不同的α、β值来改变不同因素的比重。

进一步的，根据每条边的权值可以得出无线蜂窝网络对应的加权二部图的权值矩阵W＝(w_m，n)_M×N。

经过以上步骤，系统场景已建模成为一个加权二部图。通过图2所示的步骤确定该加权二部图中存在的边。图2所示迭代方法的基本思想是：由于和都是和X＝(x_m，n)_M×N相关的，因此无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值(定义为)也是和连接矩阵X＝(x_m，n)_M×N相关的。该迭代方法的目的是通过改变x_m，n的值，使得加权二部图的总权值R最大。该迭代方法基本思路：采用迭代的思想，每次迭代计算出本次连接矩阵和加权二部图总权值。为了保证最后的结果是全局最优而不是局部最优，用S来记录联系两次迭代结果相同R^k＝R^k-1的次数。假设只有连续S_M次迭代结果相同得到的解才是全局最优的，这里S_M是一个常数。以下是迭代方法的详细步骤：

步骤1：假设当前加权二部图的连接矩阵为X⁰，权值矩阵为W⁰，计算当前加权二部图的初始总权值

步骤2：若S＜S_M，转步骤3。否则结束算法，并输出连接矩阵X^k。

步骤3：针对第k次迭代，首先找出的第k-1次迭代的权值矩阵W^k-1中的最大值，记为改变连接的基站(假设只能连接到b_m的相邻基站集合，记为)，即改变连接矩阵为m＝h1，h2，ΛhL，同时计算此时的加权二部图总权值m＝h1，h2，ΛhL。选择m＝h1，h2，ΛhL和第k-1次迭代的加权二部图总权值R^k-1中的最大值作为第k次迭代的加权二部图总权值，即

步骤4：若R^k-1＝R^k，S＝S+1，否则S＝0。返回步骤2。

经过该迭代方法的优化，得到了连接矩阵X^k，由此可以判断出各用户的连接基站。若某个基站b_m的业务量为0，即b_m就可以关闭了，通过这样的方式可以减少无线蜂窝网络的耗能。

图3表示的是整个无线蜂窝网络建模与无线蜂窝网络拓扑控制的流程。首先根据图论的知识对整个无线蜂窝网络进行建模，通过搜集用户的信干噪比及基站的负载信息将无线蜂窝网络进一步建模为一加权二部图，进而通过迭代方法重新计算出无线蜂窝网络的拓扑结构。

本发明中，用户与基站的连接问题综合考虑了链路的通信质量及无线蜂窝网络的能耗，这样与现有的连接方式中用户接入时只考虑通信质量相比，可以使无线蜂窝网络的拓扑结构更优，使无线蜂窝网络的能量效率值更高。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (5)

1.一种无线蜂窝网络拓扑控制节能方法，其特征在于，包括：

利用图论知识将无线蜂窝网络中的基站{b_m}，m＝1，2，...，M、用户{u_n}，n＝1，2，...，N及它们之间的连接关系建模为一个加权的二部图，基站和用户是图中的点，基站和用户的连接关系表示该加权二部图的边；

若基站b_m和用户u_n之间的链路存在，即边存在，则该边在连接矩阵X＝(x_m，n)_M×N中对应元素值为1，该边的权值w_m，n由u_n的归一化信干噪比值及b_m的归一化负载值联合决定；若二者之间不存在链路，则该边在连接矩阵中对应元素值为0，该边的权值也为0；所有边的权值组成权值矩阵W＝(w_m，n)_M×N；

进一步的，本发明给出了一种使无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值达到最大值的迭代方法，该迭代方法通过不断更新加权二部图的连接矩阵X及权值矩阵W，从而使加权二部图总权值R达到最大值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，u_n的归一化信干噪比值的计算方法如下：

首先计算u_n的接收信干噪比值其中pl_m，n为b_m到u_n之间的信道增益，P_N为用户处的噪声功率，表示b_m的发射功率；

其中，假设基站的功率与其连接的用户数量是线性关系，即 表示b_m的发射功率，为基站的线路功耗，μ是一个与功耗相关的系数，表示b_m连接的用户数量；

然后计算u_n的归一化接收信干噪比其中分母表示u_n接收到各个基站的信干噪比的最大值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，b_m的归一化负载值的计算方法如下：

b_m的归一化负载值为其中表示b_m连接的用户数量，分母表示所有基站连接的最大用户数量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，b_m和u_n链路对应的边的权值w_m，n计算方法如下：

其中，α、β分别是信干噪比因子和功耗因子，并且α+β＝1。这两个因子表示了在用户接入基站过程中分别考虑链路质量和无线蜂窝网络能耗两个方面的程度，因子的值越大，表示考虑该方面的程度越大，可以通过设置不同的α、β值来改变不同因素的比重。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使无线蜂窝网络对应的加权二部图的总权值达到最大值的迭代方法的思想如下：

通过不断改变X＝(x_m，n)_M×N的值，计算出本次迭代的连接矩阵和加权二部图的总权值；为了保证最后的结果是全局最优而不是局部最优，用S来记录联系两次迭代结果相同R^k＝R^k-1的次数；假设只有连续S_M次迭代结果相同得到的解才是全局最优的，这里S_M是一个常数。