CN103906211A - 基于优选关闭基站的网络节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于优选关闭基站的网络节能方法，首先定义用户的接入函数、基站的负载函数与能耗函数，利用定义的函数估计关闭某个基站给整个网络带来的负载增加的代价，设计基于网络代价大小的基站排序方法，最后根据基站排序，优先关闭节能效果好的基站，将用户按照网络负载增加最小的原则完成切换。采用本发明的优选基站关闭方法，能够减少网络能量整体消耗，性能接近穷举求解的最优值，同时使得计算的复杂度大大降低。

Description

基于优选关闭基站的网络节能方法

技术领域

本发明涉及一种基于优选关闭基站的网络节能方法，用于解决LTE（LongTerm Evolution）网络节能问题，属于无线通信网络中的网络技术领域。

背景技术

LTE网络以其更高的频谱利用率，更快的数据速率得到了业界的广泛认可，但随之而来的大量能耗及其产生的环境问题已经成为通信业乃至全社会关注的焦点。LTE无线网络随时间、地点的不同，网络中潮汐效应显著，而LTE无线网络的是按照用户需求的最大容量来设计的，在网络中流量较低时，许多设备处于空闲状态，造成大量的能源浪费。因此，为减少LTE网络的能源消耗，提高LTE网络的能量效率是解决该问题的有效手段。在整个LTE网络中，LTE基站的能耗比例最大，针对LTE无线网络能效优化技术的研究，特别是基站能耗优化仍是研究热点。

目前基站能耗优化的方法主要集中在基站关闭策略方面，即基于基站的通信业务量分布不均匀的特点，当某些地区的网络通信负载较低时，选择将一些基站关闭，以达到节能的目的。此类方案中基站关闭的控制可集中式实现，网络改动小，节能的整体效果明显，在未来无线通信领域中具有广泛的应用前景。

但基站关闭所需要考虑的因素较复杂，不仅要判断关闭哪个基站，还需要考虑如何将待关闭基站的用户切换到其它的基站。

在LTE网络下，关闭基站是在网络的系统层面进行节能的有效手段,基站的负载信息通过信令统计至集中式的OAM（Operation Administration andMaintenance）单元，OAM通过分析进行基站的开启与关闭操作。一般的基站关闭方法有两种：第一种由运营商定义的阈值控制，即在基站负载低于阈值的情况下进行基站的关闭；第二种由集中式服务器的进行分析穷举，即将基站与用户的所有组合进行能耗计算，从而按照网络能耗最低的组合选择基站进行关闭。第一种方式的优点是计算量较小，但由于不同地区与时段的业务量差异较大，定义合理的阈值需要进行长期的分析与统计，难以达到最优的节能效果。第二种方式的优点是节能效果好，但完成决策所需的计算量高达小区的用户次方，在现有服务器计算能力下完成动态决策的时间长，难以在现网规模应用。

发明内容

发明目的：结合现有方法的优点与不足，本发明的目的是提供一种低复杂度，高效的基站关闭方法，优先关闭能够实现网络节能的基站，并将拟关闭基站中的用户合理切换至邻基站中，保证用户的服务质量需求。采用本发明的优选基站关闭方法，能够减少网络能量整体消耗，性能接近穷举求解的最优值，同时使得计算的复杂度大大降低。

技术方案：一种基于优选关闭基站的网络节能方法，首先定义用户的接入函数、基站的负载函数与能耗函数，利用定义的函数估计关闭某个基站给整个网络带来的负载增加的代价，设计基于网络代价大小的基站排序方法，最后根据基站排序，优先关闭节能效果好的基站，将用户按照网络负载增加最小的原则完成切换。

1关闭基站的方法

在分析网络负载时，首先利用定义的网络负载代价函数，在基站关闭后对整体网络负载的增加进行评估，避免依靠原有阈值方法而影响节能效果。然后按照评估的基站排序，在保障用户速率的基础上完成基站关闭的流程，减低穷举方法的计算量。

2基站关闭导致的网络负载增加代价函数的定义

假设网络中基站的数量为B，每个基站用户数量为K；根据LTE网络的定义，用户k在基站b中的信噪比SNR（signal-noise-ratio）为：

${\mathrm{SNR}}_{b,k}=\frac{P_b^{\max }{G}_{b,k}}{N_{\mathrm{BS}}{n}_0}\left[\mathrm{dB}\right]---\left(1\right)$

其中为基站的最大发射功率，N_BS是基站TFRB（Time-Frequency ResourceBlock）的数量。假设基站的发射功率在所有TFRB上平均分配，则

表示每个TPRB上的发射功率。n₀是高斯白噪声，G_b,k是用户k到基站b的增益。按照香农定理的定义，用户k在基站b的可达速率R为：

R_b,k＝BW·log₂(1+SNR_b,k)[bps]    (2)

假设用户的速率需求为r_k(bps)，那么基站满足用户的速率需求，必须分配足够的TFRB资源给该用户。根据用户占用的基站资源，该用户k给基站b带来的负载可以定义为：

代表基站b为用户k分配的TFRB数量,N_BS为基站b的TFRB数量总数，因此基站b服务用户k时所消耗的射频功率为：

$P_{b,k}^{\mathrm{RF}}=\mathrm{\Δ}{P}_b{L}_{b,k}{P}_b^{\max }---\left(4\right)$

其中L_b,k代表该基站b的负载百分比，Δp_b为基站的功放效率，

为基站的最大发射功率。因此，基站消耗的总功率

$P_b^{\mathrm{in}}=\left\{\begin{array}{c}{P}_b^0+\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}},0<L_b<1\\ P_b^S,L_b=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

根据基站的工作状态不同，当基站关闭时，其工作功率较低，可用表示。当基站工作时，基站消耗的功率为

其中

为基站工作时的电路功耗；

是基站的射频功耗。基站关闭的工作功率

远低于工作时的待机功耗

假设x_b,k为1时，代表用户k由基站b提供服务；y_b为1时，代表基站b在工作状态。网络的整体功率消耗为每个基站功率消耗之和P可表示为：

$\begin{array}{c}P=P^{\mathrm{RF}}+P^{\mathrm{circuit}}\\ =\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}+\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}(y_b{P_b}^0+(1-y_b)P_b^S)\end{array}---\left(6\right)$

由公式(6)可知，假设关闭一个基站b，网络的功耗将发生变化，其中网络的射频功耗P^RF将增加，而网络的电路功耗P^circuit将减少。关闭基站所导致的网络功率变化ΔP为：

$\mathrm{\&Delta;P}=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b^{\&prime;}\&Element;B-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b^{\&prime;},k}{P}_{b^{\&prime;},k}^{\mathrm{RF}}-\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}+({P_b}^s-P_b^o)---\left(7\right)$

由公式(7)可知，ΔP小于0时，整体网络才能有节能的效果。由于为定值，为了使ΔP最小，需要减小基站关闭后的射频功耗

即基站关闭导致的网络功耗增加为：

$F=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b^{\&prime;}\&Element;B-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b^{\&prime;},k}\mathrm{\&Delta;}{P}_{b^{\&prime;}}{L}_{b^{\&prime;},k}{P}_{b^{\&prime;}}^{\max }-\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}---\left(8\right)$

除固定的参数外，L_b',k为关闭基站b后，用户k接入新基站b’所产生的负载。由公式（8）可知，基站关闭后，用户接入邻基站的负载L_b’,k是网络功耗增加的唯一关键因素。由于基站关闭后，用户切换是到哪个邻居基站是不确定的。为了估算基站关闭后的射频功耗，采用基于SNR接入方式完成射频功耗的估算：

1）首先根据公式（3），计算每个拟关闭基站b中用户k切换至SNR最大的邻居小区b’产生的负载L_b’,k。

2）对一个基站中每个用户的邻区负载L_b’,k进行求和，L_b→n即代表了关闭基站b后，对整体网络的负载增加代价：

$L_{b\&RightArrow;n}=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}{L}_{b^{\&prime;},k},\&ForAll;b^{\&prime;}\&Element;B-1---\left(9\right)$

3基站排序与关闭流程

由公式(9)可知，整体网络的负载增加值L_b→n越小，网络节能的效果越好。因此，本发明对每个基站对网络的负载进行排序，找到对最优的关闭基站，在确定节能的基础上关闭该基站并切换该基站中的用户，步骤为：

1）按照公式（6）统计拟节能网络中所有基站功耗，记下此时网络整体能量消耗为X；

2）按照公式（9），对每个基站的网络的负载增加值L_b→n进行计算与排序，从小到大排列。

3）在未检查的基站中，选取L_b→n值最小的基站b，进行关闭的评估。评估时将b中所有用户按照SNR最大的原则切换至邻居基站中。即如果某个被切换的基站负载超过100％，则将用户切换至SNR次优的基站。计算此时的网络能量消耗Y。

4）如果Y>X，则关闭b基站，并按照上述原则切换用户。

5）基站b关闭后，根据用户与基站新的对应关系，重新计算对每个基站的网络的负载增加值L_b→n。

6）重复2～6，直到所有基站被检查完。

有益效果：本发明依据所定义的网络负载增加代价函数，不仅考虑的基站本身的负载，更考虑了基站关闭后对网络的影响，给出了一种新的优选关闭基站，并评估决策计算方法，更好的实现网络节能。

基于本发明的优选关闭基站方法具有如下优点：

1.计算量低：假设用户数为K，基站数为B；利用穷举计算完成基站决策的计算量为Bk，本发明的计算量仅为(KB+B)×B，计算量大大减少。

2.节能效果好：本发明以网络负载增加的代价进行基站的评估，相比传统SNR接入，或靠阀值判断基站关闭的方式性能更优，根据3GPP大尺度衰弱模型下的仿真分析，本发明节约的能耗在10％以上，性能接近穷举算法。

3.保证用户速率：本发明的基站排序与关闭流程，保证用户可切换至其余的基站中，避免造成用户掉话。

4.避免基站过载：本发明的基站关闭流程，考虑邻居基站的负载情况，在用户切换的过程中，避免邻基站过载的情况。

附图说明

图1为本发明实施例的7基站的网络示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

以如图1所示的7基站网络为例，对基于优选关闭基站的网络节能方法进行介绍，其步骤如下：

（1）根据公式（6）计算网络中7基站的功率消耗之和，记下此时网络整体能量消耗X；

假设x_b,k为1时，代表用户k由基站b提供服务；y_b为1时，代表基站b在工作状态。网络的整体功率消耗为每个基站功率消耗之和P可表示为：

$\begin{array}{c}P=P^{\mathrm{RF}}+P^{\mathrm{circuit}}\\ =\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}+\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}(y_b{P_b}^0+(1-y_b)P_b^S)\end{array}---\left(6\right)$

（2）根据公式（9），对每个基站关闭对网络的负载增加值进行计算，对一个基站中所有用户切换至SNR最强邻基站增加的负载进行求和。如图例所示，基站b中用户k(1)测量的所有邻基站SNR中，b(1)的SNR最强，则计算用户k(1)接入基站b(1)时，b(1)基站的负载增加L_b,k(1)→n。同理，k(2)接入基站b(3)，k(3)接入基站b(5)增加的负载分别为L_b,k(2)→n与L_b,k(3)→n。由此可得基站b关闭后对网络负载增加的代价L_b→n为L_b,k(1)→n+L_b,k(2)→n+L_b,k(3)→n。同理可计算出其余基站关闭对网络负载增加的代价为L_b(i)→n，最后对每个基站网络负载增加值从小到大进行排序。

$L_{b\&RightArrow;n}=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}{L}_{b^{\&prime;},k},\&ForAll;b^{\&prime;}\&Element;B-1---\left(9\right)$

（3）在未检查的基站中，选取L_b→n值最小的基站b，计算当用户k(1)、k(2)、k(3)分别接入至基站b(1)、b(3)、b(5)时，这些基站的新负载L'_b(i)→n（i=1、3、5）。如用户接入新基站b(i)后，基站b(i)过载，则将用户接入SNR次优的新基站中。在所有基站新负载不大于1的情况下，OAM根据公式(6)，通过新负载L'_b(i)→n计算此时的网络能量消耗Y。

（4）如果Y>X，OAM通知基站b进行关闭，MME通知用户按照SNR最大的原则切换至邻基站中，如图中虚线箭头所示，将用户k(1)、k(2)、k(3)分别接入至基站b(1)、b(3)、b(5)中。如果Y<=X，OAM保留基站b，不切换任何用户。

（5）基站b关闭后，根据用户与基站新的对应关系，OAM重新计算当剩余基站关闭时，网络的负载增加值L_b(i)→n。

（6）重复（2）～（6），直到所有其它基站b(1)～b(6)被检查完。

Claims (3)

1.一种基于优选关闭基站的网络节能方法，其特征在于：首先定义用户的接入函数、基站的负载函数与能耗函数；利用定义的网络负载与能耗函数估计关闭某个基站给整个网络带来的负载增加的代价，设计基于网络代价大小的基站排序方法，最后根据基站排序，优先关闭节能效果好的基站，将用户按照网络负载增加最小的原则完成切换。

2.如权利要求1所述的基于优选关闭基站的网络节能方法，其特征在于，用户的接入函数、基站的负载函数与能耗函数的定义如下：

假设网络中基站的数量为B，每个基站用户数量为K；根据LTE网络的定义，用户k在基站b中的信噪比SNR为：

${\mathrm{SNR}}_{b,k}=\frac{P_b^{\max }{G}_{b,k}}{N_{\mathrm{BS}}{n}_0}\left[\mathrm{dB}\right]---\left(1\right)$

其中

为基站的最大发射功率，N_BS是基站TFRB的数量；假设基站的发射功率在所有TFRB上平均分配，则

表示每个TPRB上的发射功率；n₀是高斯白噪声，G_b,k是用户k到基站b的增益；按照香农定理的定义，用户k在基站b的可达速率R为：

R_b,k＝BW·log₂(1+SNR_b,k)[bps]    (2)

假设用户的速率需求为r_k(bps)，根据用户占用的基站资源，该用户k给基站b带来的负载可以定义为：

代表基站b为用户k分配的TFRB数量,N_BS为基站b的TFRB数量总数，因此基站b服务用户k时所消耗的射频功率为：

$P_{b,k}^{\mathrm{RF}}=\mathrm{\&Delta;}{P}_b{L}_{b,k}{P}_b^{\max }---\left(4\right)$

其中L_b,k代表该基站b的负载百分比，Δp_b为基站的功放效率，

为基站的最大发射功率；因此，基站消耗的总功率

$P_b^{\mathrm{in}}=\left\{\begin{array}{c}{P}_b^0+\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}},0<L_b<1\\ P_b^S,L_b=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

根据基站的工作状态不同，当基站关闭时，其工作功率较低，可用

表示；当基站工作时，基站消耗的功率为

其中为基站工作时的电路功耗；

是基站的射频功耗；基站关闭的工作功率

远低于工作时的待机功耗

假设x_b,k为1时，代表用户k由基站b提供服务；y_b为1时，代表基站b在工作状态；网络的整体功率消耗为每个基站功率消耗之和P可表示为：

$\begin{array}{c}P=P^{\mathrm{RF}}+P^{\mathrm{circuit}}\\ =\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}+\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}(y_b{P_b}^0+(1-y_b)P_b^S)\end{array}---\left(6\right)$

关闭基站所导致的网络功率变化ΔP为：

$\mathrm{\&Delta;P}=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b^{\&prime;}\&Element;B-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b^{\&prime;},k}{P}_{b^{\&prime;},k}^{\mathrm{RF}}-\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}+({P_b}^s-P_b^o)---\left(7\right)$

基站关闭导致的网络功耗增加为：

$F=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b^{\&prime;}\&Element;B-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b^{\&prime;},k}\mathrm{\&Delta;}{P}_{b^{\&prime;}}{L}_{b^{\&prime;},k}{P}_{b^{\&prime;}}^{\max }-\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{b,k}{P}_{b,k}^{\mathrm{RF}}---\left(8\right)$

L_b',k为关闭基站b后，用户k接入新基站b’所产生的负载；为了估算基站关闭后的射频功耗，采用基于SNR接入方式完成射频功耗的估算：

1）首先根据公式（3），计算每个拟关闭基站b中用户k切换至SNR最大的邻居小区b’产生的负载L_b’,k；

2）对一个基站中每个用户的邻区负载L_b’,k进行求和，L_b→n即代表了关闭基站b后，对整体网络的负载增加代价：

$L_{b\&RightArrow;n}=\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}{L}_{b^{\&prime;},k},\&ForAll;b^{\&prime;}\&Element;B-1---\left(9\right).$

3.如权利要求2所述的基于优选关闭基站的网络节能方法，其特征在于，基站排序与关闭流程如下：

1）按照公式（6）统计拟节能网络中所有基站功耗，记下此时网络整体能量消耗为X；

2）按照公式（9），对每个基站的网络的负载增加值L_b→n进行计算与排序，从小到大排列；

3）在未检查的基站中，选取L_b→n值最小的基站b，进行关闭的评估；评估时将b中所有用户按照SNR最大的原则切换至邻居基站中；即如果某个被切换的基站负载超过100％，则将用户切换至SNR次优的基站；计算此时的网络能量消耗Y；

4）如果Y>X，则关闭b基站，并按照上述原则切换用户；

5）基站b关闭后，根据用户与基站新的对应关系，重新计算对每个基站的网络的负载增加值L_b→n；

6）重复2～6，直到所有基站被检查完。

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