CN104284405B - 基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法，所述方法包括：每个小区基站和中继站都配备一个虚拟主体；每个小区基站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及相邻小区的基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区基站是否进入休眠状态；每个小区中继站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区中继站是否进入休眠状态。本发明能够克服现有的蜂窝网基站休眠调度方法不适用于基站和中继站联合休眠调度而且未考虑系统频谱效率和能量效率平衡的缺点，能够适应蜂窝中继网络中信道状态和业务流量的动态变化，达到系统频谱效率和能量效率的动态平衡。

Description

基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法。

背景技术

蜂窝中继网络是未来移动通信网的基本架构，突破了传统蜂窝网固定小区覆盖的模式。中继站有家庭基站、WiFi接入点和手机等多种类型。它们拥有的资源和服务能力不如基站，但是可以分担基站的业务流量并且协助基站完成数据传送，极大地提高了蜂窝网的灵活些和可扩展性。在蜂窝网中部署中继站不仅可以拓宽覆盖范围，而且可以提高小区边缘的接收信干比，因而提高了系统容量和频谱效率。当小区中同时向基站通信或者基站通信面向的用户数较多时，部分用户通过中继站转发信号，可以减少相互干扰、缩短传输距离，提高接收信干比。蜂窝中继网络的中继转发协议、中继部署、中继选择、负载平衡、干扰抑制、功率分配(或者功率控制)、预编码(或者波束成形)、MAC协议和能效等都已经得到广泛研究，目前正朝着无定形小区这个方向快速演变。

以往蜂窝中继网络研究侧重频谱效率的提升。随着能源危机出现和可持续发展理念提出，高能效的绿色通信成为信息与通信业界的共同追求，大家转向研究无线通信的频谱效率和能量效率平衡，在满足给定的频谱效率前提下最大化能效。为了保证服务质量，传统蜂窝网的架构和资源分配是按峰值业务需求设计的。

近年来，大量实测结果表明蜂窝网的业务流量呈现时空分布不均的特征。当业务流量减少时，如果基站仍然处于饱和工作状态，大量的电能就被浪费。为此，研究人员提出蜂窝网的基站休眠调度方法，根据业务流量的动态变化间歇性地关断基站以降低能耗。在蜂窝中继网络中，中继站的状态对系统频谱效率和能耗都有很大影响。为了平衡系统频谱效率和能量效率，必须同时考虑基站和中继站的休眠调度。然而，蜂窝网基站和中继站联合休眠调度问题还很少有人研究，现有的蜂窝网基站休眠调度方法也不能直接应用到蜂窝中继网络中。

发明内容

本发明提供一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法，以克服现有的蜂窝网基站休眠调度方法不适用于基站和中继站联合休眠调度而且未考虑系统频谱效率和能量效率平衡的缺点，能够适应蜂窝中继网络中信道状态和业务流量的动态变化，达到系统频谱效率和能量效率的动态平衡。

下面阐述本发明的技术方案。

一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法，所述方法包括：每个小区基站和中继站都配备一个虚拟主体；每个小区基站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及相邻小区的基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区基站是否进入休眠状态；每个小区中继站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区中继站是否进入休眠状态。

所述方法还包括：整个多主体系统还配备有一个中心虚拟主体，负责收集所有信息并且判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡。

所述判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，依据以下原则：maxη_EEs.t.η_SE≥τ；其中：蜂窝中继网络的频谱效率定义为蜂窝中继网络的能量效率定义为τ是蜂窝中继网络频谱效率的设定目标值。

所述判断该小区基站是否进入休眠状态，依据以下原则：

(1)如果某个小区基站的信道资源90％以上被闲置或者90％以上链路的信干噪比低于能正确恢复信息的阈值，该小区的基站进入休眠状态，同时该小区的用户连接到相邻小区的基站或者中继站，如果没有相邻小区的基站或者中继站可供连接，则该小区的基站仍然处于工作状态；

(2)如果某个小区基站的信道资源利用率在10％到90％之间或者信干噪比保证能正确恢复信息的链路占总数的10％到90％，根据业务流量和信道状态评定该小区的基站是处于休眠状态还是工作状态；

(3)如果某个小区基站的信道资源90％以上被利用并且90％以上链路的信干噪比能保证正确恢复信息，该小区的基站处于工作状态。

所述判断该小区中继站是否进入休眠状态，依据以下原则：

(1)如果某个小区中继站的信道资源90％以上被闲置或者该小区基站的信道资源利用率在10％到90％之间，对应90％以上链路的信干噪比能保证正确恢复信息的小区中继站处于工作状态并接入用户，没有用户要连接的中继站则进入休眠状态；

(2)如果某个小区中继站的信道资源90％以上被利用，该小区的中继站都处于工作状态。

附图说明

图1为蜂窝中继网络模型图。

图2描述了基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法。

图3为本发明的示例图。

附图中：BS表示每个小区的基站；RS表示每个小区的中继站；MS表示每个小区的用户。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，以帮助理解本发明。

(1)蜂窝中继网络由N个小区组成，第n个小区有一个基站和K_n个固定的中继站(n＝1,,N)。第n个小区为M_n(t)个移动用户提供通信服务，它们的业务是突发性到达的。各小区的移动用户数随时间变化而且可能互不相同，即它们的业务负荷是不均等的。基站、中继站和用户都是半双工的而且只装有一根天线。离基站近的用户直接和基站通信，离基站远的用户通过最近的中继站和基站通信。每个用户在某时刻只允许连接到一个中继站，每个中继站在某时刻最多只允许连接一个用户，基站可以同时连接多个用户。信号传输分两个时隙进行，中继站采用解码转发协议转发来自基站或者用户的信号。我们不考虑基站之间以及基站和附属中继站之间的协作多点传输，各小区的基站独立完成自己的数据传送任务。另外，我们只考虑两跳中继的情形，不考虑更多跳的中继转发。

(2)我们讨论蜂窝中继网络下行传输场景。设基站和中继站的发射功率分别固定为P和信道状态信息在每个时隙保持不变。在第一时隙，每个基站发送信号给和它连接的中继站以及用户。我们不考虑小区之间的频率复用，各小区使用不同的频带，基站同时传输不会造成相互干扰。第n个小区的中继站和用户接收到的信号分别用y_n,k(k＝1,,K_n)和y_n,i(i＝K_n+1,,M_n(t))表示：

①

②

其中x_n是第n个小区基站的发射信号，g_n,k是第n个小区内从基站到第k个中继站的信道系数，g_n,i是第n个小区内从基站到第i个用户的信道系数，u_n,k和u_n,i都是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。假设E{|x_n|²}＝1，对于所有的n。在第二时隙，每个中继站将解码后的信号转发给和它连接的用户。同一小区的中继站使用同一频带传输，同时传输会造成相互干扰。第n个小区中未和基站直接连接的用户接收到的信号用z_n,k表示：

③

其中h_n,k是第k个中继站到和它连接的用户的信道系数，v_n,k是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声，Q_n,k是第n个小区内对第k个中继站的总干扰信号，方差为ξ_n,k。如果考虑小区间干扰，未和基站直接连接的用户离基站远，容易受到相邻小区的中继站发射信号干扰。因此在第二时隙未和基站直接连接的用户接收到的信号改用r_n,k表示：

④

其中I_n,k是相邻小区对第n个小区内第k个中继站所连接用户的总干扰信号，方差为δ_n,k。第n个小区内和基站直接连接的用户的接收信干比以及未和基站直接连接的用户的接收信干比分别用γ_n,i和γ_n,k表示：

⑤

⑥

第n个小区使用的频带宽度记为W_n(Hz)，每个时隙传输蜂窝中继网络占用的总带宽为第n个小区的吞吐量和蜂窝中继网络的总吞吐量分别用R_n和R(b/s)表示：

⑦

⑧

蜂窝中继网络的总功率消耗用P_tot表示：

⑨

其中Pc是每次信号传输的电路能耗。蜂窝中继网络的频谱效率定义为能量效率定义为我们在保证蜂窝中继网络频谱效率的同时最大化其能量效率，该优化问题用数学语言描述如下：

maxη_EEs.t.η_SE≥τ ⑩

其中τ是蜂窝中继网络频谱效率的目标值。

(3)针对上述优化目标，我们设计蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法。休眠调度周期性地进行，按等间隔的两个时隙划分。在每轮休眠调度起始时刻，如果某个小区的业务流量较小，该小区的基站进入休眠状态，同时该小区的用户连接到相邻小区的基站或者中继站。如果没有相邻小区的基站或者中继站可供连接，则该小区的基站仍然处于工作状态，同时没有用户要连接的中继站进入休眠状态；如果某个小区的业务流量适中，该小区的基站处于工作状态，同时没有用户要连接的中继站进入休眠状态；如果某个小区的业务流量较大，该小区的基站和中继站都处于工作状态。上述休眠调度机制不一定是最优的而且基站和中继站的状态还存在不确定性，但是蜂窝网基站和中继站联合休眠调度问题非常复杂，涉及基站间协调、基站和附属中继站协调以及同一小区的中继站协调三个层面，很难求得最优解。多主体系统具有并行性、可扩展性和交互性等优点，正好适合用来解决这个问题。每个基站和中继站都配备一个虚拟主体，它包含目标、行动和知识，目标就是上述优化问题，行动就是休眠或者工作，知识就是信道状态、业务流量和其它相关基站或者中继站的行动。每个小区基站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及相邻小区的基站和中继站的行动信息，然后判断该基站是否进入休眠状态。每个小区中继站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及基站和中继站的行动信息，然后判断该中继站是否进入休眠状态。另外还有一个虚拟的中心主体负责收集所有信息并且判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡。

(4)当信道状态和业务流量动态变化时，基站和中继站的虚拟主体实时更新信息并且决策站点是否进入休眠状态，同时虚拟的中心主体实时更新信息并且判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡。

如图3所示，蜂窝中继网络一共有3个小区，每个小区有1个基站，分别用BS₁、BS₂、BS₃表示。基站位置在小区的中心。每个小区有3个中继站，分别用RS_n,k(n＝1,2,3；k＝1,2,3)表示。在某个时刻，第一个小区有1个用户，第二个小区有3个用户，第三个小区有5个用户，分别用MS_1,1、MS_2,1、MS_2,2、MS_2,3、MS_3,1、MS_3,2、MS_3,3、MS_3,4、MS_3,5表示。基站BS₁的虚拟主体收集第一个小区的信道状态、MS_1,1的业务流量以及基站BS₂、BS₃和中继站RS_2,k、RS_3,k的行动信息，然后判断BS₁是否进入休眠状态；其它基站的情况类似。第一个小区的中继站RS_1,1收集第一个小区的信道状态、MS_1,1的业务流量以及基站BS₁和中继站RS_1,2、RS_1,3的行动信息，然后判断RS_1,1是否进入休眠状态；其它小区的中继站情况类似。还有一个虚拟的中心实体收集三个小区的信道状态、所有用户的业务流量、所有基站和中继站的行动信息，然后判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡。最终得出第一个小区的基站和中继站以及中继站RS_2,2休眠，其它站点工作。到下一轮休眠调度开始时，如果信道状态和业务流量发生变化，基站和中继站的状态也将随之改变。

Claims (2)

1.一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法，包括：

每个小区基站和中继站都配备一个虚拟主体；

每个小区基站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及相邻小区的基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区基站是否进入休眠状态；

每个小区中继站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区中继站是否进入休眠状态；

其特征在于：还包括：整个多主体系统还配备有一个中心虚拟主体，负责收集所有信息并且判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，所述判断该小区基站是否进入休眠状态，依据以下原则：

(1)如果某个小区基站的信道资源90％以上被闲置或者90％以上链路的信干噪比低于能正确恢复信息的阈值，该小区的基站进入休眠状态，同时该小区的用户连接到相邻小区的基站或者中继站，如果没有相邻小区的基站或者中继站可供连接，则该小区的基站仍然处于工作状态；

(2)如果某个小区基站的信道资源利用率在10％到90％之间或者信干噪比保证能正确恢复信息的链路占总数的10％到90％，根据业务流量和信道状态评定该小区的基站是处于休眠状态还是工作状态；

(3)如果某个小区基站的信道资源90％以上被利用并且90％以上链路的信干噪比能保证正确恢复信息，该小区的基站处于工作状态。

2.一种基于多主体系统的蜂窝网基站和中继站联合休眠调度方法，包括：

每个小区基站和中继站都配备一个虚拟主体；

每个小区基站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及相邻小区的基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区基站是否进入休眠状态；

每个小区中继站的虚拟主体负责收集自己小区的信道状态、业务流量以及基站和中继站的休眠或者工作信息，然后判断该小区中继站是否进入休眠状态；

其特征在于：还包括：整个多主体系统还配备有一个中心虚拟主体，负责收集所有信息并且判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，所述判断该小区中继站是否进入休眠状态，依据以下原则：

(1)如果某个小区中继站的信道资源90％以上被闲置或者该小区基站的信道资源利用率在10％到90％之间，对应90％以上链路的信干噪比能保证正确恢复信息的小区中继站处于工作状态并接入用户，没有用户要连接的中继站则进入休眠状态；

(2)如果某个小区中继站的信道资源90％以上被利用，该小区的中继站都处于工作状态。