CN104159279A - 一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，包含以下顺序的步骤：初始化基站、中继、用户的基本数据；生成用户的业务需求和父本群体；用业务需求和系统基本数据计算得到所有父本个体相对应的基站—中继—用户关联关系、带宽分配、吞吐量、能耗以及能效指标；根据每个个体的能效指标利用遗传算法迭代得到网络系统最优的基站、中继开/关组合。本发明的系统及方法，采用基于能效的判断选择标准，基于用户未来的业务需求建模，采用遗传算法进行迭代求解得到最优组合；各模块设计简单且易于实现，能有效降低网络能耗，提高网络能效。

Description

一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，特别涉及一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统及方法。

背景技术

随着3G、4G无线网络建设的逐步推进和用户数量的不断增长，移动通信基站的数量不断增多，意味着无线网络系统能耗越来越大。在过去几十年的发展中，以增大功率为代价，移动通信更多地关注如何提高系统容量。根据近几年运营商数据统计，移动通信基站及其机房耗电量占网络总耗电量60％-70％，只有提高基站能耗主要环节的能源利用效率才能有效提高基站整体的能源利用率，实现整个无线网络节能的目的。因此，基站的节能降耗对移动通信网络实现节能减排目标有十分重要的意义。

综合商业区等一些人口聚集地通信业务具有明显的潮汐效应。基站(BS:Base Station)布置的密度可以满足高峰期的流量需求且一直保持工作状态，可将基站分布密集且流量随时间变化潮汐效应明显的无线网络系统中通信量较小的若干个基站关闭(或休眠)，同时属于关闭基站原覆盖区域的用户设备(SS:Subscriber Station)接入到周围保持开启的基站中，在通信量较大时恢复供电(或激活)，从整体上考虑节省该区域的能耗，提高能效水平。

一种由江苏省东南大学衡伟等人发明的“一种基站的用户接入方法”(中国发明专利申请公布号：CN103200649A)。该发明专利申请的技术方案用于将所属休眠基站的用户接入其相邻的活跃基站中，根据该用户到该活跃基站的负载与其本小区负载，判断所述用户是否能够接入该活跃基站。若能，则将所述用户接入该活跃基站，若不能，则另选一活跃基站进行判断接入，直至用户接入一活跃基站，并将该用户从所述休眠基站的用户集合中删除。该发明专利申请的技术方案考虑了休眠小区的用户重新接入周围活跃基站的问题，没有引入基于能效准则的判断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统，包括顺序相连的数据生成模块、数据处理模块、判断选择模块和操作模块，所述

数据生成模块，用于生成用户设备在一段时间内服从泊松过程到达的业务需求以及一个父本群体，该群体的每个个体表示一种基站、无线中继开、关的选择策略，其中开状态用“1”表示，关状态用“0”表示；

数据处理模块，用于计算每个个体作用下无线网络单个时隙的下行链路吞吐量F_s及能耗E_s，并进行求和得到一段时间内无线网络下行链路吞吐量及能耗进一步求得这段时间的能效值其中下标s表示当前时隙，ST表示这段时间的时隙总数；

判断选择模块，包括判断单元和选择单元，判断单元用于判断当前循环次数是否达到既定值；若未达到既定值，则进入选择单元，新的一代群体作为选择结果进入数据处理模块，若达到既定值，则搜索当前群体得到最优个体发送到操作模块；

操作模块，将最优个体映射到相对应的基站和无线中继，执行开/关操作。

所述的单个时隙网络下行吞吐量F_s和能耗E_s采用如下计算方法：

$F_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\·b_{n,m}\·T\·(C_{n,s}^c+C_{n,s}^v)$

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}})$

其中：

M、R、N:分别表示基站、无线中继和用户设备的数量；

m、r、n：分别表示第m个基站、第r个无线中继、第n个用户设备；

T：单个时隙间隔；

s：第s个时隙；

第s个时隙恒定速率CBR业务的速率，设为15Kbps；

第s个时隙可变速率VBR业务的速率，可由香浓公式计算得到；

b_n,m、c_n,r：分别表示用户设备与基站、无线中继的关联关系，

b_n,m、c_n,r∈{0,1}，0表示无关联，1表示建立关联；

p_m、q_r：分别表示基站和无线中继的开或关，p_m、q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

δ^b、δ^r：可变能耗比率，为固定值；

基站、无线中继的固定功率；

P^b、P^r：基站、无线中继的发送功率；

第s个时隙用户设备占用基站、中继资源的时隙占空比， ${\mathrm{\ω}}_{n,s}^r\∈\left[\mathrm{0,1}\right];$

第s个时隙用户设备n通信占用基站、无线中继的资源；

ρ_mth、ρ_rth：基站、无线中继所拥有的资源总量。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，包含以下顺序的步骤：

(1)初始化基站、中继、用户的基本数据；

(2)生成用户的业务需求和父本群体；

(3)用业务需求和系统基本数据计算得到所有父本个体相对应的基站—中继—用户关联关系、带宽分配、吞吐量、能耗以及能效指标；

(4)根据每个个体的能效指标利用遗传算法迭代得到网络系统最优的基站、中继开/关组合。

所述的基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，具体包含以下顺序的步骤：

S1.初始化：导入基站小区、无线中继、用户设备的地理分布位置；

S2.假设用户设备的业务需求到达服从泊松过程，数据生成模块以时隙为单位生成该地区用户在一段时间内服从泊松过程到达的业务需求；同时生成一组父本群体，该群体的每个个体表示一种基站、无线中继开、关的选择策略,其中开状态用“1”表示，关状态用“0”表示；

S3.数据处理模块进行如下数据的计算处理：

①对于父本中的第一个个体，先假设当前基站、无线中继开/关组合符合该个体要求，以设备接收到的最强信号为选取原则，用户设备或与开启基站直接进行通信，或通过开启的无线中继进行通信，建立开启基站—开启无线中继—用户设备之间的关联关系；

②在已选取的时间段内，根据已生成的用户业务需求以时隙为单位逐个分析，为有业务需求的用户设备分配带宽资源，计算所有时隙的网络系统能耗E_s以及用户下行数据量F_s；

③将②中结果进行求和得到这段时间的系统能耗和用户下行链路数据量计算网络系统在这段时间内的能效J＝F/E；

④从父本群体第二个个体开始，重复执行①至③，得到这段时间所有个体的能效；

S4.数据处理模块将所有父本个体的能效发送至选择判断模块，判断单元先判断循环次数是否已达到预定值：若达到，则进入步骤S5的操作模块；若未达到，则经过选择单元，选择单元采用遗传算法进行选择、交叉、变异，得到新一代父本群体后再回到数据处理模块,重新进入步骤S3；

S5.操作模块根据输入的最优个体，将个体中的每位元素映射到具体的基站、无线中继，执行开/关操作。

所述的基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，具体包含以下顺序的步骤：

A、初始化：初始化参数，包括基站、中继以及用户设备的数量、位置坐标，单个基站、无线中继的总带宽，发送功率，噪声功率；其数量分别为M、R、N；

B、数据生成模块进入工作模式：

假设一段较长时间内，每个用户设备的下行链路业务需求到达服从泊松过程，即数据包到达的时间间隔服从某个均值的指数分布，根据这一假设生成该地区所有用户在所有时隙的业务需求矩阵Traff＝(traff_n,s)_N×ST；

其中，N为用户设备总数，ST为时隙总数，业务需求以单个时隙为单位，业务需求到达的时隙间隔数服从指数分布，其中单个时隙设为1s，时隙间隔数设为500；

同时，所述数据生成模块随机产生20个初始串结构数据，每个串结构数据称为一个个体，个体以向量形式[p₁,p₂,...,p_m,...p_M,q₁,q₂,...,q_r,...,q_R]表示，20个个体构成了一个父本群体，遗传算法以这20个串结构数据作为初始点开始迭代；

其中，p_m,q_r分别表示基站、中继的开启或关闭，p_m,q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

C、数据处理模块进入工作模式：

对应父本群体的每一个个体，均进行如下数据处理：

选取开启的基站和无线中继，建立无线中继和基站、用户设备和基站、用户设备和无线中继之间一一对应的关联关系，以无线中继、用户设备当前接收到的最强活跃信号为关联选取原则，信道模型采用路径衰落模型；

基站—用户设备链路，用户SS_n接收到的信噪比可表示为

${\mathrm{SNR}}_{m,n}=\frac{P_t^b}{l_{m,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(1\right)$

基站—无线中继链路、无线中继—用户设备链路，用户SS_n及无线中继RS_r接收的信噪比分别为

${\mathrm{SNR}}_{m,r}=\frac{P_t^b}{l_{m,r}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(2\right)$

${\mathrm{SNR}}_{r,n}=\frac{P_t^r}{l_{r,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(3\right)$

其中，l_m,n、l_m,r、l_r,n分别表示基站BS_m和用户SS_n、基站BS_m和中继RS_r、中继RS_r和用户SS_n之间的距离，α为路径损耗指数；

无线中继和基站、用户设备和无线中继、用户设备和基站之间的关联可以分别用关联矩阵A＝(a_r,m)_R×M、C＝(c_n,r)_N×R、B＝(b_n,m)_N×M来表示；

在构建的模型中，无线中继和基站、用户设备和基站之间建立一一对应的关系，因此关联矩阵每行元素只有一个“1”，其余为“0”，表示无线中继只与一个基站建立关联，用户设备只与一个基站关联，满足关系式 而用户设备根据接收到的信号强度可直接与基站建立关联，亦可与无线中继关联后再关联到基站，因此满足

若用户设备通过与无线中继关联接入网络，则用户设备和基站之间的关联可以通过用户与中继、中继与基站之间的关联来建立的；有如下关系式：B(n,:)＝C(n,:)·A_R×M；

在一段较长时间内，根据所建立的基站—中继—用户设备间的关联关系，数据处理模块以时隙为单位进行如下物理量的计算：

①带宽分配：在每个时隙的开始时刻，以当前未关闭的基站为单位，根据业务类型和需求对当前请求接入的用户设备进行相应的带宽分配；用户设备的业务类型分两类，第一类是恒定速率业务即CBR，恒定速率设为15Kbps,第二类是可变速率业务即VBR，VBR设为固定的5M大小的数据包，在进行带宽分配时优先考虑CBR的业务需求，再考虑VBR业务需求；

对于CBR用户设备SS_n，若该用户直接与基站BS_m进行通信，即满足用户设备SS_n与基站BS_m建立基站—用户设备链路，该链路完全享用基站给用户设备分配的带宽资源，由香农定理可以计算在第s个时隙基站BS_m为该用户设备SS_n分配的带宽

${\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})}---\left(4\right)$

若用户设备SS_n通过无线中继间接与基站通信，满足则用户设备与无线中继建立无线中继—用户设备链路，无线中继与基站建立基站—无线中继链路；无线中继负责转发数据，工作在全双工状态，此时基站—无线中继和无线中继—用户链路的数据传输速率要保证相同；

假设第s时隙基站分配给这两条链路的总带宽为无线中继—用户链路占带宽的比例为λ，根据传输速率相等可以建立式子

$(1-\mathrm{\λ})\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})=\mathrm{\λ}\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})---\left(5\right)$

求解得到λ＝[1+log(1+SNR_m,r)/log(1+SNR_r,n)]^-1    (6)

$\begin{array}{c}{\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\\ =\frac{C_n^c}{{[1+\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})/\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})]}^{-1}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\end{array}---\left(7\right)$

对于同一个开启基站覆盖下的活跃VBR用户设备，在考虑完活跃CBR用户设备的带宽分配后，将该基站的剩余带宽平均分配给当前时隙有业务需求的VBR用户，若VBR用户通过无线中继接入到基站，利用式子(6)得到基站—无线中继、无线中继—用户设备之间链路带宽资源的分配，并计算得到用户设备的下行速率

$C_m^v={\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\{\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})\}---\left(8\right)$

②时隙占空比：对于所有的用户设备，业务需求是以时隙为单位完成的；因此，在单个时隙内，若计算得到系统为某用户设备发送的数据量Δtraff小于用户设备当前需求量traff_n,s，则该用户的时隙占空比为用户设备当前业务需求traff_n,s减去在此时隙接收到的数据量Δtraff为用户设备在下一个时隙的业务需求，到下一个时隙完成；若计算得到系统为某用户发送的数据量Δtraff大于用户设备的需求量traff_n,s，则实际上用户设备占用带宽资源的时隙占空比为用户设备的业务需求得以完成；

③系统能耗：基站和无线中继采用相同的能耗模型，单个时隙的网络系统能耗

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}})---\left(9\right)$

将①、②得到的物理量代入能耗模型式子(9)，得到单个时隙的网络系统能耗；

④系统吞吐量：用户业务类型包括CBR和VBR，系统吞吐量需要分类计算，有如下表达式

$\left[\begin{array}{c}{F}_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T(C_n^c+C_n^v)\\ =\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T\{C_m^c+{\mathrm{BW}}_{n,s}^m(\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n}))\}\end{array}\right]$

⑤系统能效： $J=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_s/\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{E}_s---\left(11\right)$

D、判断选择模块进入工作模式：

该模块包括判断和选择两个单元；

先进行判断：是否已达到既定遗传算法循环次数，循环次数设为50，若达到，则进入步骤E的操作模块，若未达到，则进入选择单元；

选择单元以数据处理模块得到的能效为适应度，采用遗传算法，进行选择、交叉、变异，得到新一代父本群体，将新一代父本群体传送至数据处理模块，即重复步骤2；

E、操作模块进入工作模式；

穷举搜索得到最后一组群体中的能效最优值及相对应的个体，将该个体向量的元素映射到相应的基站和无线中继，将状态为“0”的设备关闭，状态为“1”的设备保持开启。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明考虑到在节省能耗方面，动态基站控制机制(如基站/中继关闭、进入休眠模式等)，以及通过部署无线中继(RS:Relay Station)、分布式基站来提高系统的能效指标是非常有效的两种方式。对于在基站小区内部署有无线中继的网络来说，在业务量低峰期除了可以考虑将部分基站关闭之外，还可将部分无线中继关闭，达到无线网络系统全面节能的目的。

2、本发明的方法采用基于能效的判断选择标准，基于用户未来的业务需求建模，采用遗传算法进行迭代求解得到最优组合。本发明系统的各模块设计简单且易于实现，能有效降低网络能耗，提高网络能效。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法的流程图；

图2为本发明所述的一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统的结构示意图；

图3为图2所述系统的基站和无线中继系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，具体包含以下顺序的步骤：

A、初始化：初始化参数，包括基站、中继以及用户设备的数量、位置坐标，单个基站、无线中继的总带宽，发送功率，噪声功率；其数量分别为M、R、N；

B、数据生成模块进入工作模式：

假设一段较长时间内，每个用户设备的下行链路业务需求到达服从泊松过程，即数据包到达的时间间隔服从某个均值的指数分布，根据这一假设生成该地区所有用户在所有时隙的业务需求矩阵Traff＝(traff_n,s)_N×ST；

其中，N为用户设备总数，ST为时隙总数，业务需求以单个时隙为单位，业务需求到达的时隙间隔数服从指数分布，其中单个时隙设为1s，时隙间隔数设为500；

同时，所述数据生成模块随机产生20个初始串结构数据，每个串结构数据称为一个个体，个体以向量形式[p₁,p₂,...,p_m,...p_M,q₁,q₂,...,q_r,...,q_R]表示，20个个体构成了一个父本群体，遗传算法以这20个串结构数据作为初始点开始迭代；

其中，p_m,q_r分别表示基站、中继的开启或关闭，p_m,q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

C、数据处理模块进入工作模式：

对应父本群体的每一个个体，均进行如下数据处理：

选取开启的基站和无线中继，建立无线中继和基站、用户设备和基站、用户设备和无线中继之间一一对应的关联关系，以无线中继、用户设备当前接收到的最强活跃信号为关联选取原则，信道模型采用路径衰落模型；

基站—用户设备链路，用户SS_n接收到的信噪比可表示为

${\mathrm{SNR}}_{m,n}=\frac{P_t^b}{l_{m,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(1\right)$

基站—无线中继链路、无线中继—用户设备链路，用户SS_n及无线中继RS_r接收的信噪比分别为

${\mathrm{SNR}}_{m,r}=\frac{P_t^b}{l_{m,r}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(2\right)$

${\mathrm{SNR}}_{r,n}=\frac{P_t^r}{l_{r,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(3\right)$

其中，l_m,n、l_m,r、l_r,n分别表示基站BS_m和用户SS_n、基站BS_m和中继RS_r、中继RS_r和用户SS_n之间的距离，α为路径损耗指数；

无线中继和基站、用户设备和无线中继、用户设备和基站之间的关联可以分别用关联矩阵A＝(a_r,m)_R×M、C＝(c_n,r)_N×R、B＝(b_n,m)_N×M来表示；

在构建的模型中，无线中继和基站、用户设备和基站之间建立一一对应的关系，因此关联矩阵每行元素只有一个“1”，其余为“0”，表示无线中继只与一个基站建立关联，用户设备只与一个基站关联，满足关系式 而用户设备根据接收到的信号强度可直接与基站建立关联，亦可与无线中继关联后再关联到基站，因此满足

若用户设备通过与无线中继关联接入网络，则用户设备和基站之间的关联可以通过用户与中继、中继与基站之间的关联来建立的；有如下关系式：B(n,:)＝C(n,:)·A_R×M；

在一段较长时间内，根据所建立的基站—中继—用户设备间的关联关系，数据处理模块以时隙为单位进行如下物理量的计算：

①带宽分配：在每个时隙的开始时刻，以当前未关闭的基站为单位，根据业务类型和需求对当前请求接入的用户设备进行相应的带宽分配；用户设备的业务类型分两类，第一类是恒定速率业务即CBR，恒定速率设为15Kbps,第二类是可变速率业务即VBR，VBR设为固定的5M大小的数据包，在进行带宽分配时优先考虑CBR的业务需求，再考虑VBR业务需求；

对于CBR用户设备SS_n，若该用户直接与基站BS_m进行通信，即满足用户设备SS_n与基站BS_m建立基站—用户设备链路，该链路完全享用基站给用户设备分配的带宽资源，由香农定理可以计算在第s个时隙基站BS_m为该用户设备SS_n分配的带宽

${\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})}---\left(4\right)$

若用户设备SS_n通过无线中继间接与基站通信，满足则用户设备与无线中继建立无线中继—用户设备链路，无线中继与基站建立基站—无线中继链路；无线中继负责转发数据，工作在全双工状态，此时基站—无线中继和无线中继—用户链路的数据传输速率要保证相同；

假设第s时隙基站分配给这两条链路的总带宽为无线中继—用户链路占带宽的比例为λ，根据传输速率相等可以建立式子

$(1-\mathrm{\λ})\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})=\mathrm{\λ}\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})---\left(5\right)$

求解得到λ＝[1+log(1+SNR_m,r)/log(1+SNR_r,n)]^-1     (6)

$\begin{array}{c}{\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\\ =\frac{C_n^c}{{[1+\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})/\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})]}^{-1}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\end{array}---\left(7\right)$

对于同一个开启基站覆盖下的活跃VBR用户设备，在考虑完活跃CBR用户设备的带宽分配后，将该基站的剩余带宽平均分配给当前时隙有业务需求的VBR用户，若VBR用户通过无线中继接入到基站，利用式子(6)得到基站—无线中继、无线中继—用户设备之间链路带宽资源的分配，并计算得到用户设备的下行速率

$C_m^v={\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\{\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})\}---\left(8\right)$

②时隙占空比：对于所有的用户设备，业务需求是以时隙为单位完成的；因此，在单个时隙内，若计算得到系统为某用户设备发送的数据量Δtraff小于用户设备当前需求量traff_n,s，则该用户的时隙占空比为用户设备当前业务需求traff_n,s减去在此时隙接收到的数据量Δtraff为用户设备在下一个时隙的业务需求，到下一个时隙完成；若计算得到系统为某用户发送的数据量Δtraff大于用户设备的需求量traff_n,s，则实际上用户设备占用带宽资源的时隙占空比为用户设备的业务需求得以完成；

③系统能耗：基站和无线中继采用相同的能耗模型，单个时隙的网络系统能耗

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}})---\left(9\right)$

将①、②得到的物理量代入能耗模型式子(9)，得到单个时隙的网络系统能耗；

④系统吞吐量：用户业务类型包括CBR和VBR，系统吞吐量需要分类计算，有如下表达式

$\left[\begin{array}{c}{F}_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T(C_n^c+C_n^v)\\ =\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T\{C_m^c+{\mathrm{BW}}_{n,s}^m(\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n}))\}\end{array}\right]$

⑤系统能效： $J=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_s/\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{E}_s---\left(11\right)$

D、判断选择模块进入工作模式：

该模块包括判断和选择两个单元；

先进行判断：是否已达到既定遗传算法循环次数，循环次数设为50，若达到，则进入步骤E的操作模块，若未达到，则进入选择单元；

选择单元以数据处理模块得到的能效为适应度，采用遗传算法，进行选择、交叉、变异，得到新一代父本群体，将新一代父本群体传送至数据处理模块，即重复步骤2；

E、操作模块进入工作模式；

穷举搜索得到最后一组群体中的能效最优值及相对应的个体，将该个体向量的元素映射到相应的基站和无线中继，将状态为“0”的设备关闭，状态为“1”的设备保持开启。

如图2，一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统，包括顺序相连的数据生成模块、数据处理模块、判断选择模块和操作模块，所述

数据生成模块，用于生成用户设备在一段时间内服从泊松过程到达的业务需求以及一个父本群体，如图3，该群体的每个个体表示一种基站、无线中继开、关的选择策略，其中开状态用“1”表示，关状态用“0”表示；

数据处理模块，用于计算每个个体作用下无线网络单个时隙的下行链路吞吐量F_s及能耗E_s，并进行求和得到一段时间内无线网络下行链路吞吐量及能耗进一步求得这段时间的能效值其中下标s表示当前时隙，ST表示这段时间的时隙总数；

所述的单个时隙网络下行吞吐量F_s和能耗E_s采用如下计算方法：

$F_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\·b_{n,m}\·T\·(C_{n,s}^c+C_{n,s}^v),$

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}});$

其中：

M、R、N:分别表示基站、无线中继和用户设备的数量；

m、r、n：分别表示第m个基站、第r个无线中继、第n个用户设备；

T：单个时隙间隔；

s：第s个时隙；

第s个时隙恒定速率CBR业务的速率，设为15Kbps；

第s个时隙可变速率VBR业务的速率，可由香浓公式计算得到；

b_n,m、c_n,r：分别表示用户设备与基站、无线中继的关联关系，

b_n,m、c_n,r∈{0,1}，0表示无关联，1表示建立关联；

p_m、q_r：分别表示基站和无线中继的开或关，p_m、q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

δ^b、δ^r：可变能耗比率，为固定值；

基站、无线中继的固定功率；

P^b、P^r：基站、无线中继的发送功率；

第s个时隙用户设备占用基站、中继资源的时隙占空比， ${\mathrm{\ω}}_{n,s}^r\∈\left[\mathrm{0,1}\right];$

第s个时隙用户设备n通信占用基站、无线中继的资源；

ρ_mth、ρ_rth：基站、无线中继所拥有的资源总量；

判断选择模块，包括判断单元和选择单元，判断单元用于判断当前循环次数是否达到既定值；若未达到既定值，则进入选择单元，新的一代群体作为选择结果进入数据处理模块，若达到既定值，则搜索当前群体得到最优个体发送到操作模块；

操作模块，将最优个体映射到相对应的基站和无线中继，执行开/关操作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于能效准则的基站及中继开/关选择系统，其特征在于：包括顺序相连的数据生成模块、数据处理模块、判断选择模块和操作模块，所述

数据生成模块，用于生成用户设备在一段时间内服从泊松过程到达的业务需求以及一个父本群体，该群体的每个个体表示一种基站、无线中继开、关的选择策略，其中开状态用“1”表示，关状态用“0”表示；

数据处理模块，用于计算每个个体作用下无线网络单个时隙的下行链路吞吐量F_s及能耗E_s，并进行求和得到一段时间内无线网络下行链路吞吐量及能耗进一步求得这段时间的能效值其中下标s表示当前时隙，ST表示这段时间的时隙总数；

判断选择模块，包括判断单元和选择单元，判断单元用于判断当前循环次数是否达到既定值；若未达到既定值，则进入选择单元，新的一代群体作为选择结果进入数据处理模块，若达到既定值，则搜索当前群体得到最优个体发送到操作模块；

操作模块，将最优个体映射到相对应的基站和无线中继，执行开/关操作。

2.根据权利要求1所述的基于能效准则的基站及中继开/关选择系统，其特征在于，所述的单个时隙网络下行吞吐量F_s和能耗E_s采用如下计算方法：

$F_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\·b_{n,m}\·T\·(C_{n,s}^c+C_{n,s}^v)$

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}})$

其中：

M、R、N:分别表示基站、无线中继和用户设备的数量；

m、r、n：分别表示第m个基站、第r个无线中继、第n个用户设备；

T：单个时隙间隔；

s：第s个时隙；

第s个时隙恒定速率CBR业务的速率，设为15Kbps；

第s个时隙可变速率VBR业务的速率，可由香浓公式计算得到；

b_n,m、c_n,r：分别表示用户设备与基站、无线中继的关联关系，

b_n,m、c_n,r∈{0,1}，0表示无关联，1表示建立关联；

p_m、q_r：分别表示基站和无线中继的开或关，p_m、q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

δ^b、δ^r：可变能耗比率，为固定值；

基站、无线中继的固定功率；

P^b、P^r：基站、无线中继的发送功率；

第s个时隙用户设备占用基站、中继资源的时隙占空比， ${\mathrm{\ω}}_{n,s}^r\∈\left[\mathrm{0,1}\right];$

第s个时隙用户设备n通信占用基站、无线中继的资源；

ρ_mth、ρ_rth：基站、无线中继所拥有的资源总量。

3.一种基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：

(1)初始化基站、中继、用户的基本数据；

(2)生成用户的业务需求和父本群体；

(3)用业务需求和系统基本数据计算得到所有父本个体相对应的基站—中继—用户关联关系、带宽分配、吞吐量、能耗以及能效指标；

(4)根据每个个体的能效指标利用遗传算法迭代得到网络系统最优的基站、中继开/关组合。

4.根据权利要求3所述的基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，其特征在于，具体包含以下顺序的步骤：

S1.初始化：导入基站小区、无线中继、用户设备的地理分布位置；

S2.假设用户设备的业务需求到达服从泊松过程，数据生成模块以时隙为单位生成该地区用户在一段时间内服从泊松过程到达的业务需求；同时生成一组父本群体，该群体的每个个体表示一种基站、无线中继开、关的选择策略,其中开状态用“1”表示，关状态用“0”表示；

S3.数据处理模块进行如下数据的计算处理：

①对于父本中的第一个个体，先假设当前基站、无线中继开/关组合符合该个体要求，以设备接收到的最强信号为选取原则，用户设备或与开启基站直接进行通信，或通过开启的无线中继进行通信，建立开启基站—开启无线中继—用户设备之间的关联关系；

②在已选取的时间段内，根据已生成的用户业务需求以时隙为单位逐个分析，为有业务需求的用户设备分配带宽资源，计算所有时隙的网络系统能耗E_s以及用户下行数据量F_s；

③将②中结果进行求和得到这段时间的系统能耗和用户下行链路数据量计算网络系统在这段时间内的能效J＝F/E；

④从父本群体第二个个体开始，重复执行①至③，得到这段时间所有个体的能效；

S4.数据处理模块将所有父本个体的能效发送至选择判断模块，判断单元先判断循环次数是否已达到预定值：若达到，则进入步骤S5的操作模块；若未达到，则经过选择单元，选择单元采用遗传算法进行选择、交叉、变异，得到新一代父本群体后再回到数据处理模块,重新进入步骤S3；

S5.操作模块根据输入的最优个体，将个体中的每位元素映射到具体的基站、无线中继，执行开/关操作。

5.根据权利要求4所述的基于能效准则的基站及中继开/关选择方法，其特征在于，具体包含以下顺序的步骤：

A、初始化：初始化参数，包括基站、中继以及用户设备的数量、位置坐标，单个基站、无线中继的总带宽，发送功率，噪声功率；其数量分别为M、R、N；

B、数据生成模块进入工作模式：

假设一段较长时间内，每个用户设备的下行链路业务需求到达服从泊松过程，即数据包到达的时间间隔服从某个均值的指数分布，根据这一假设生成该地区所有用户在所有时隙的业务需求矩阵Traff＝(traff_n,s)_N×ST；

其中，N为用户设备总数，ST为时隙总数，业务需求以单个时隙为单位，业务需求到达的时隙间隔数服从指数分布，其中单个时隙设为1s，时隙间隔数设为500；

同时，所述数据生成模块随机产生20个初始串结构数据，每个串结构数据称为一个个体，个体以向量形式[p₁,p₂,...,p_m,...p_M,q₁,q₂,...,q_r,...,q_R]表示，20个个体构成了一个父本群体，遗传算法以这20个串结构数据作为初始点开始迭代；

其中，p_m,q_r分别表示基站、中继的开启或关闭，p_m,q_r∈{0,1}，0表示关闭，1表示开启；

C、数据处理模块进入工作模式：

对应父本群体的每一个个体，均进行如下数据处理：

选取开启的基站和无线中继，建立无线中继和基站、用户设备和基站、用户设备和无线中继之间一一对应的关联关系，以无线中继、用户设备当前接收到的最强活跃信号为关联选取原则，信道模型采用路径衰落模型；

基站—用户设备链路，用户SS_n接收到的信噪比可表示为

${\mathrm{SNR}}_{m,n}=\frac{P_t^b}{l_{m,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(1\right)$

基站—无线中继链路、无线中继—用户设备链路，用户SS_n及无线中继RS_r接收的信噪比分别为

${\mathrm{SNR}}_{m,r}=\frac{P_t^b}{l_{m,r}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(2\right)$

${\mathrm{SNR}}_{r,n}=\frac{P_t^r}{l_{r,n}^{\mathrm{\α}}\·n_0}---\left(3\right)$

其中，l_m,n、l_m,r、l_r,n分别表示基站BS_m和用户SS_n、基站BS_m和中继RS_r、中继RS_r和用户SS_n之间的距离，α为路径损耗指数；

无线中继和基站、用户设备和无线中继、用户设备和基站之间的关联可以分别用关联矩阵A＝(a_r,m)_R×M、C＝(c_n,r)_N×R、B＝(b_n,m)_N×M来表示；

在构建的模型中，无线中继和基站、用户设备和基站之间建立一一对应的关系，因此关联矩阵每行元素只有一个“1”，其余为“0”，表示无线中继只与一个基站建立关联，用户设备只与一个基站关联，满足关系式而用户设备根据接收到的信号强度可直接与基站建立关联，亦可与无线中继关联后再关联到基站，因此满足 $\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\≤1;$

若用户设备通过与无线中继关联接入网络，则用户设备和基站之间的关联可以通过用户与中继、中继与基站之间的关联来建立的；有如下关系式：B(n,:)＝C(n,:)·A_R×M；

在一段较长时间内，根据所建立的基站—中继—用户设备间的关联关系，数据处理模块以时隙为单位进行如下物理量的计算：

①带宽分配：在每个时隙的开始时刻，以当前未关闭的基站为单位，根据业务类型和需求对当前请求接入的用户设备进行相应的带宽分配；用户设备的业务类型分两类，第一类是恒定速率业务即CBR，恒定速率设为15Kbps,第二类是可变速率业务即VBR，VBR设为固定的5M大小的数据包，在进行带宽分配时优先考虑CBR的业务需求，再考虑VBR业务需求；

对于CBR用户设备SS_n，若该用户直接与基站BS_m进行通信，即满足用户设备SS_n与基站BS_m建立基站—用户设备链路，该链路完全享用基站给用户设备分配的带宽资源，由香农定理可以计算在第s个时隙基站BS_m为该用户设备SS_n分配的带宽

${\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})}---\left(4\right)$

若用户设备SS_n通过无线中继间接与基站通信，满足则用户设备与无线中继建立无线中继—用户设备链路，无线中继与基站建立基站—无线中继链路；无线中继负责转发数据，工作在全双工状态，此时基站—无线中继和无线中继—用户链路的数据传输速率要保证相同；

假设第s时隙基站分配给这两条链路的总带宽为无线中继—用户链路占带宽的比例为λ，根据传输速率相等可以建立式子

$(1-\mathrm{\λ})\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})=\mathrm{\λ}\·{\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})---\left(5\right)$

求解得到λ＝[1+log(1+SNR_m,r)/log(1+SNR_r,n)]^-1    (6)

$\begin{array}{c}{\mathrm{BW}}_{n,s}^m=\frac{C_n^c}{\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\\ =\frac{C_n^c}{{[1+\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,r})/\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})]}^{-1}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})}\end{array}---\left(7\right)$

对于同一个开启基站覆盖下的活跃VBR用户设备，在考虑完活跃CBR用户设备的带宽分配后，将该基站的剩余带宽平均分配给当前时隙有业务需求的VBR用户，若VBR用户通过无线中继接入到基站，利用式子(6)得到基站—无线中继、无线中继—用户设备之间链路带宽资源的分配，并计算得到用户设备的下行速率

$C_m^v={\mathrm{BW}}_{n,s}^m\·\{\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\mathrm{\λ}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n})\}---\left(8\right)$

②时隙占空比：对于所有的用户设备，业务需求是以时隙为单位完成的；因此，在单个时隙内，若计算得到系统为某用户设备发送的数据量Δtraff小于用户设备当前需求量traff_n,s，则该用户的时隙占空比为用户设备当前业务需求traff_n,s减去在此时隙接收到的数据量Δtraff为用户设备在下一个时隙的业务需求，到下一个时隙完成；若计算得到系统为某用户发送的数据量Δtraff大于用户设备的需求量traff_n,s，则实际上用户设备占用带宽资源的时隙占空比为用户设备的业务需求得以完成；

③系统能耗：基站和无线中继采用相同的能耗模型，单个时隙的网络系统能耗

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,m}{p}_{m}T(P_0^b+{\mathrm{\δ}}^b{P}^b{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^m}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bth}}})+\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}{q}_{r}T(P_0^r+{\mathrm{\δ}}^r{P}^r{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m\frac{{\mathrm{\ρ}}_{n,s}^r}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rth}}})---\left(9\right)$

将①、②得到的物理量代入能耗模型式子(9)，得到单个时隙的网络系统能耗；

④系统吞吐量：用户业务类型包括CBR和VBR，系统吞吐量需要分类计算，有如下表达式

$\left[\begin{array}{c}{F}_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T(C_n^c+C_n^v)\\ =\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{n,s}^m{b}_{n,m}T\{C_m^c+{\mathrm{BW}}_{n,s}^m(\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r}\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{r,n})+(1-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,r})\·\log (1+{\mathrm{SNR}}_{m,n}))\}\end{array}\right]$

⑤系统能效 $J=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_s/\underset{s=1}{\overset{\mathrm{ST}}{\mathrm{\Σ}}}{E}_s---\left(11\right)$

D、判断选择模块进入工作模式：

该模块包括判断和选择两个单元；

先进行判断：是否已达到既定遗传算法循环次数，循环次数设为50，若达到，则进入步骤E的操作模块，若未达到，则进入选择单元；

选择单元以数据处理模块得到的能效为适应度，采用遗传算法，进行选择、交叉、变异，得到新一代父本群体，将新一代父本群体传送至数据处理模块，即重复步骤2；

E、操作模块进入工作模式；

穷举搜索得到最后一组群体中的能效最优值及相对应的个体，将该个体向量的元素映射到相应的基站和无线中继，将状态为“0”的设备关闭，状态为“1”的设备保持开启。