CN103347291A - 基于双门限的异构网络中小基站的开启/睡眠状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法。该基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法包括以下步骤：1）SBS检测其覆盖范围内的负载值；2）根据针对当前SBS所设定的上、下门限值，作如下判断：当前SBS处在睡眠状态时，若对应的负载值超过上门限值，则开启当前SBS，否则保持睡眠状态；当前SBS处在开启状态时，若对应的负载值小于下门限值，关闭当前SBS，否则保持开启状态。本发明所述的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法可以自动关闭负载值小或无负载的SBS，降低异构网络的能耗。采用有一定间隔上、下双门限控制，能够降低SBS在开启和睡眠状态间的切换概率，减小信令开销，提高用户通信质量。

Description

基于双门限的异构网络中小基站的开启/睡眠状态控制方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及异构网络中小基站开启和睡眠状态的控制方法。

背景技术

随着无线通信系统的迅猛发展，已有的单一网络系统已经无法满足高速率、大容量、高服务质量的通信要求，下一代无线通信技术正朝着多种无线网络异构融合的方向发展。异构网络是指在宏基站覆盖的范围内，引入其他通信方式，有针对性地加强特定区域的覆盖，形成多层覆盖的一种网络结构，具有网络建网灵活，维护成本低廉，因而受到了广泛的关注。

在宏蜂窝网络中引入小蜂窝是目前使用较为广泛的异构网络，小蜂窝分布于宏蜂窝内，每个小蜂窝都有独立的小基站（small cell base station，SBS）。通过引入小蜂窝能够有效地减轻宏蜂窝负载量，提高用户通信质量。其次，由于小蜂窝的覆盖范围有限，因此小蜂窝在一定程度上可以复用频率资源，有助于提升频谱利用率。但是，引入小蜂窝也引起其他问题，如异构网络的能耗增大，出现信道干扰等问题。在提倡“绿色通信”的环境下，降低蜂窝异构网络的能耗成为目前异构网络技术研究的重点之一。

小蜂窝承载业务量或用户数较少时存在能耗的浪费现象，现有技术根据SBS的负载情况控制SBS的开启/睡眠状态，关闭负载小或无负载的SBS来降低能耗。具体包括以下步骤：（1）检测各个SBS的负载值；（2）与相应SBS设定的门限值比较，若大于负载门限值，则SBS保持开启状态，若小于门限值，则SBS进入睡眠状态。随SBS负载值的变化，相应的SBS在开启和睡眠两种状态间转换。该方法通过关闭负载值较小的SBS，有效地降低了蜂窝异构网的能耗，使整个网络的能量消耗最优，实现绿色网络。但是由于用户的流动性，采用单门限值控制，导致频繁开闭，使信令开销增大，大大降低了用户体验。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种异构网络中SBS的开启/睡眠状态方法，可以有效地降低异构网络的能耗，减小信道干扰，并且能够克服现有技术中由用户的流动性引起的SBS的状态切换频繁的问题。

一种基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，所述异构网络中包括宏蜂窝以及分布于宏蜂窝中的若干小蜂窝，每个小蜂窝对应一个SBS，且每个SBS能够在睡眠状态和开启状态间转换，所述控制方法包括如下步骤：

1）SBS检测其覆盖范围内的负载值；

2）根据针对当前SBS所设定的上、下门限值，作如下判断：

2-1）当前SBS处在睡眠状态时，若对应的负载值超过上门限值，则开启当前SBS，否则当前SBS保持睡眠状态；

2-2）当前SBS处在开启状态时，若对应的负载值小于下门限值，则关闭当前SBS，否则当前SBS保持开启状态。

将检测到的SBS负载值与相应的上、下门限值比较，控制SBS的开启和睡眠状态。关闭负载小的SBS，降低网络能耗。通过设定具有一定间隔的上、下门限值，可以防止SBS状态切换频繁，减少信令开销，提高通信质量。

所述的步骤2-1）中，开启当前SBS后，处在当前SBS覆盖范围内的用户将从宏蜂窝切换到与当前SBS对应的小蜂窝。通过小蜂窝分担宏蜂窝的部分负载，减小宏蜂窝的负载量，同时合理利用资源，提高通信质量。

所述步骤2-2）中，关闭当前SBS前，先将处在当前SBS覆盖范围内的用户切换到宏蜂窝。当前SBS关闭前，将相应SBS覆盖范围内的用户从小蜂窝切换到宏蜂窝中，保证用户在SBS关闭后，用户能够保持通话畅通。

所述步骤2-2）中，SBS覆盖范围内的用户按照用户优先级逐步切换到宏蜂窝。设定一定的优先级别，控制用户切换的顺序，防止在同一时间切换到宏蜂窝的用户过多，引起信道拥堵，降低用户体验。

所述的负载值包括负载个数、负载流量以及负载的业务特性中的一个或者多个。

本发明的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，采用双门限控制，设定有一定间隔上、下门限值，能够降低SBS在开启和睡眠状态间的切换概率，减小信令开销，提高用户通信质量。同时，自动关闭负载值小或无负载的SBS，降低异构网络的能耗，符合“绿色通信”的发展趋势。

附图说明

图1为本发明提供的基于双门限的异构网络中小基站的开启/睡眠状态控制方法的工作流程；

图2为本发明实施例提供的马尔科夫链；

图3为在不同权重因子控制下，网络能耗与切换能耗之间折中关系仿真图；

图4为本发明实施例中SBS的睡眠概率与上门限值之间的关系仿真图；

图5为本发明实施例中SBS的开启概率与上门限值之间的关系仿真图；

图6为本发明实施例中SBS的切换概率与上门限值之间的关系仿真图；

图7为本发明实施例中网络总能耗与上、下门限值的关系图；

图8为本发明实施例中上、下门限的求解流程图。

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，兹列举较佳实施例并结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本实施例中负载值为负载数量。

如图1所示，基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法包括如下步骤：

1）SBS检测其覆盖范围内的负载值；

2）根据针对当前SBS所设定的上、下门限值，作如下判断：

2-1）当前SBS处在睡眠状态时，若对应的负载值超过上门限值，则开启当前SBS，然后处在相应SBS覆盖范围内的用户将从宏蜂窝切换到与当前SBS对应的小蜂窝。否则当前SBS保持睡眠状态；

2-2）当前SBS处在开启状态时，若对应的负载值小于下门限值，则处在SBS覆盖范围内的用户按照用户优先级逐步切换到宏蜂窝，然后关闭当前SBS，否则当前SBS保持开启状态；

在具体实现时，SBS覆盖范围内的负载值检测主要利用用户与SBS的反馈信息的建立和中断实现，可通过以下两种方法实现：

固定时隙检测法：SBS每隔一段时间自动统计其覆盖范围内的负载情况，并更新负载值；

用户动作触发法：当有用户进入或离开小蜂窝时，触发SBS统计其覆盖范围内的负载情况，并更新负载值；无用户进入或离开时，SBS不进行统计。

本实施例中的SBS覆盖范围内的用户从小蜂窝切换到宏蜂窝过程包括：

（1）用户通过检测SBS的信息，检测到SBS发出的关闭SBS的信号；

（2）得到信号后，根据用户的优先级，逐次将小蜂窝用户切换到宏蜂窝中。

本实施例中的SBS覆盖范围内的用户从宏蜂窝切换到小蜂窝过程包括：

（1）SBS覆盖范围内的用户通过检测SBS发送的信息，检测到SBS处于工作状态；

（2）SBS覆盖范围内用户的通信逐渐从宏蜂窝切换到小蜂窝内。

由于用户具有流动性，当用户进入小蜂窝时，用户将立即与SBS建立反馈信息，反之，一旦用户离开小蜂窝，反馈立即信息中断，相应SBS的负载值在不断变化。因此，以上整个流程不断重复进行。

本实施例中SBS上、下门限值通过以下方法得到：

方法一：不考虑蜂窝边缘用户的服务质量问题，假设宏蜂窝内所有的SBS都是一样，则每个SBS的上、下门限值相同，分析一个SBS就可以把整个系统的模型表示出来。

SBS的网络能耗模型可写为：

$P_k=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{sleep}},& \mathrm{sleep}\\ P_{f_0}+E_a\left(L_k\right)\frac{P_f^{\max }}{w},& \mathrm{active}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，P_sleep为SBS处于睡眠状态下的能量消耗；是SBS开启状态下的固定能耗；E_a(L_k)是开启状态下的平均用户数；是SBS最大的输出功率；w为输出能耗和输入能耗的转换因子。

宏蜂窝所对应的宏基站的网络能耗模型为：

$P_0=P_{m_0}+E_a\left(L_0\right)\frac{P_m^{\max }}{w}---\left(2\right)$

其中，

是宏蜂窝的固定能耗；E_a(L₀)是宏蜂窝的平均用户数；

宏蜂窝的最大输出功率，w为输出能耗和输入能耗的转换因子。

每个SBS的平均网络能耗可以定义为：

$P_{\mathrm{tot}}^k={\mathrm{\π}}_a{P}_a^f+{\mathrm{\π}}_s(P_{\mathrm{sleep}}+P_a^m)---\left(3\right)$

宏基站一直是处于开启状态，即

一直存在，为了简化最优方程，可以忽略这个固定能耗值。

为SBS处于开启状态时的能耗；

E_s(L_k)是SBS处于睡眠状态下的平均用户数；π_a和π_s分别是SBS处于睡眠状态以及开启状态的概率。

为了体现用户的服务质量设定SBS切换一次需要消耗能量E_sw，SBS的切换能耗表示为：

$P_k^{\mathrm{sw}}={\mathrm{\λE}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{\π}}_{\mathrm{sw}}---\left(4\right)$

其中，π_sw是SBS的切换概率；λ是用户的到达率。

SBS的睡眠、开启、切换概率以及睡眠状态和开启状态的平均用户数可通过求解图2所示的马尔科夫链的稳态状态概率得到，且他们都是上、下门限值v^th和v^tl的函数。

目标函数为：

$P_{\mathrm{opt}}=\underset{v^{\mathrm{th}},v^{\mathrm{tl}}}{\min }K(P_{\mathrm{tot}}^k+\mathrm{\ξ}{P}_k^{\mathrm{sw}})---\left(5\right)$

其中，ξ是切换能耗的权重因子。图3为在不同权重因子控制下，网络能耗与切换能耗之间折中关系的仿真图，当权重因子ξ较小时，切换能耗较大网络能耗较小，当权重因子较大时，切换能耗较小网络能耗较大，这说明网络能耗的降低是以切换能耗的增加为代价的。ξ＝0表示不考虑切换带来的影响，ξ越大说明切换对用户服务质量的影响越大，反之亦然。K是宏蜂窝中的小蜂窝数，本实施例中为32。通过求解（5）可以得到SBS的最优上、下门限值。

从图4-6可以看出，在下门限值一定的情况下，随上门限值的增加，睡眠概率增大，开启概率和切换概率降低。

图7为本发明实施例中上、下门限值与网络总能耗关系曲线，Δ为上、下门限差值，Δ=0表示上、下门限值相同，即为单门限，其对应曲线即可认为是现有技术提供的单门限控制方法的总能耗与门限值的关系曲线。从图中可以看出，在上门限值相同的情况下，上、下门限差值越小，网络总能耗越低，差值为0时对应的网络总能耗最大，这说明基于双门限控制可以有效的降低网络总能耗。

方法二：考虑蜂窝边缘用户的服务质量问题，边缘用户与宏基站之间的距离比较远，他们之间的通信会产生很差的用户体验，所以这些用户应该更容易接入小蜂窝中；同样，当宏蜂窝中的用户数较多时，宏蜂窝没有能力承载所有负载，所以SBS应该有较低的门限将用户接入到小蜂窝中，为宏蜂窝分担部分负载。

在这种场景下每个SBS的网络能耗模型、宏蜂窝所对应的宏基站的网络能耗模型、SBS总体网络能耗和SBS切换能耗与方法一中的相同，但是由于每个SBS的最优门限值不同的，其目标函数变为：

$P_{\mathrm{opt}}=\underset{v_k^{\mathrm{th}},v_k^{\mathrm{tl}}}{\min }\underset{k=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{tot}}^k+\mathrm{\ξ}{P}_k^{\mathrm{sw}})---\left(6\right)$

根据目标函数（6），求得每个SBS的上、下门限值，具体流程如图8所示，包括以下步骤：

S1、确定宏蜂窝中总的SBS数后，获取每个SBS在宏蜂窝中的位置，根据用户服务质量的限制，设定每个SBS的上、下门限值范围；

S2、根据上、下门限值的限制范围计算在距离限制下每个SBS各自的相对最优门限值；

S3、根据S2统计当前宏蜂窝容量超出限制条件后，调整处于睡眠状态的SBS的上下门限值，继续判断宏蜂窝的容量；

S4、若当前宏蜂窝容量在限制值内，则此时SBS的上下门限值就是最优的上下门限值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，所述异构网络中包括宏蜂窝以及分布于宏蜂窝中的若干小蜂窝，每个小蜂窝对应一个SBS，且每个SBS能够在睡眠状态和开启状态间转换，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤： 

1）SBS检测其覆盖范围内的负载值； 

2）根据针对当前SBS所设定的上、下门限值，作如下判断： 

2-1）当前SBS处在睡眠状态时，若对应的负载值超过上门限值，则开启当前SBS，否则当前SBS保持睡眠状态； 

2-2）当前SBS处在开启状态时，若对应的负载值小于下门限值，则关闭当前SBS，否则当前SBS保持开启状态。 

2.如权利要求1所述的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，其特征在于，所述的步骤2-1）中，开启当前SBS后，处在当前SBS覆盖范围内的用户将从宏蜂窝切换到与当前SBS对应的小蜂窝。 

3.如权利要求1所述的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，其特征在于，所述步骤2-2）中，关闭当前SBS前，先将处在当前SBS覆盖范围内的用户切换到宏蜂窝。 

4.如权利要求3所述的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，其特征在于，所述步骤2-2）中，SBS覆盖范围内的用户按照用户优先级逐步切换到宏蜂窝。 

5.如权利要求4所述的基于双门限的异构网络中SBS开启/睡眠状态的控制方法，其特征在于，所述的负载值包括负载个数、负载流量以及负载的业务特性中的一个或者多个。 

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