CN104469910B

CN104469910B - 一种降低基站能耗的方法

Info

Publication number: CN104469910B
Application number: CN201410691106.0A
Authority: CN
Inventors: 王莹; 张媛; 陈勇策
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2018-04-24
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN104469910A

Abstract

本发明公开一种降低基站能耗的方法，其特征在于，所述方法包括：宏基站MBS根据当前MBS能量值选择MBS的工作模式和供电来源，所述工作模式为通信或休眠，所述供电来源包括电网和能量采集设备；小小区接入点SAP根据当前SAP能量值和相邻SAP的个数，选择SAP的工作模式和供电来源，所述相邻SAP的工作模式为通信。相比于现有技术，本发明的降低基站能耗的方法通过基于双门限判决的基站模式和供电来源选择，能够在有效的保证网络覆盖和终端用户QoS情况下，减小对电网电量的消耗。本发明还根据MBS/SAP的活动概率，调节存储电网能量的电池的容量，以达到进一步的节能目的。

Description

一种降低基站能耗的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种降低基站能耗的方法。

背景技术

无线通信系统，尤其是无线通信系统中的基站，维持正常运行需消耗大量的电网能源。为响应5G提高谱效能效的号召，现有的基站减小能耗的措施包括：1、采用降低能耗的技术，如基站的开关控制和资源分配的优化策略；2、引入可再生能源，如太阳能、风能等，宏基站(Macro Base Station,MBS)能耗较大，通过能量采集技术，使可再生能源代替MBS部分固定能源的消耗，针对异构网络中能耗较小的小小区接入点(Small cell Access Point，SAP)，采集的能量如能满足SAP的能量需求，可高效的减小SAP对固定能源的消耗。

在通信量较低的情况下(如晚上或者放假的校园)，不需要的基站通过启用休眠模式，可直接的降低网络对固定能源的消耗。在基站休眠过程中，同时进行能量储存，以供基站通信耗能需求，可更进一步提高系统的能效。从周围环境中采集的可再生能源是绿色且安全的，但可再生能源存在高动态和不确定性，限制了能量采集技术在异构网络中的应用。MBS通信需要耗费相当多的能量，采集的能量根本无法满足MBS通信需求，为满足网络覆盖和终端用户的QoS(small cell用户的通信服务质量)，研究由电网和能量采集共同为MBS通信提供能量来源是有必要的。而需求能量较小的SAP在通信量较小的情况下，可完全由采集的能量作为能量来源，具体的能量来源还需由SAP的储存能量情况和相邻SAP共同确定。

尽管目前已有研究涉及到由电网和能量采集共同为基站提供通信需求，以降低消耗电网提供的能量为目的的网络。但并没有研究涉及到基站的工作模式，因此并未有分析在保证终端用户的QoS(由采集的能量单独提供SAP通信需求)和网络覆盖(MBS的休眠模式)的条件下如何降低系统对电网提供能源消耗的内容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何利用基站的工作模式以及供电来源来降低基站的能耗。

为此目的，本发明提出一种降低基站能耗的方法，所述方法包括：

宏基站MBS根据当前MBS能量值选择MBS的工作模式和供电来源，所述工作模式为通信或休眠，所述供电来源包括电网和能量采集设备；

小小区接入点SAP根据当前SAP能量值和相邻SAP的个数，选择SAP的工作模式和供电来源，所述相邻SAP的工作模式为通信。

可选的，所述宏基站MBS根据当前MBS能量值确定MBS的工作模式和供电来源，包括：

宏基站MBS在确定当前MBS能量值小于预设临界值N_min之后，选择MBS的工作模式为休眠，并进入充电状态，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电；

宏基站MBS在确定当前MBS能量值大于等于预设临界值N_min之后，监控MBS能量值的变化，在确定MBS能量值小于预设临界值N_min之后，选择MBS的工作模式为休眠，并进入充电状态，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电；

宏基站MBS在休眠工作模式下，监控MBS能量值的变化，在确定MBS能量值大于预设临界值N_c之后，选择MBS的工作模式为通信。

可选的，所述小小区接入点SAP根据当前SAP能量值和相邻SAP的个数，选择SAP的工作模式和供电来源，包括：

小小区接入点SAP在确定当前SAP能量值小于预设临界值N’_min，并且相邻SAP的个数大于等于1之后，选择SAP的工作模式为休眠，并进入充电状态，且在充电状态由能量采集设备单独供电；

小小区接入点SAP在确定当前SAP能量值小于预设临界值N’_min，并且相邻SAP的个数为0之后，选择SAP的工作模式为通信，并进入充电状态，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电；

小小区接入点SAP在确定当前SAP能量值大于等于预设临界值N’_min之后，监控SAP能量值的变化，在确定SAP能量值小于预设临界值N’_min之后，根据相邻SAP的个数，选择SAP的工作模式；

小小区接入点SAP在充电状态下，监控SAP能量值的变化，在确定SAP能量值大于预设临界值N_c’之后，选择SAP的工作模式为通信。

可选的，所述MBS和SAP设置有第一能量存储设备和第二能量存储设备，所述第一能量存储设备用于存储来自能量采集设备的能量，所述第二能量存储设备用于存储来自电网的能量。

可选的，所述MBS和SAP的工作模式为通信时，先消耗所述第一能量存储设备中的能量，再消耗所述第二能量存储设备中的能量。

可选的，所述方法进一步包括：

宏基站MBS根据MBS的活动概率，调节MBS的所述第二能量存储设备中用于存储电网能量的电池的容量；

小小区接入点SAP根据SAP的活动概率，调节SAP的所述第二能量存储设备中用于存储电网能量的电池的容量。

可选的，所述MBS的活动概率ρ_m为：

其中，E[]代表取均值操作，表示MBS工作模式为通信，MBS消耗第一能量存储设备中的能量的时间，表示MBS工作模式为通信，MBS消耗第二能量存储设备中的能量的时间，代表第二能量存储设备存储来自电网的能量的时间，代表第一能量存储设备存储来自能量采集设备的能量的时间；

所述SAP的活动概率ρ_s为：

其中，p代表检测到S(J_D)大于等于1的概率，S(J_D)为相邻SAP个数，1-p代表检测到S(J_D)等于0的概率；代表检测到S(J_D)大于等于1且SAP工作模式为休眠时，SAP的第一能量存储设备存储能量的平均时间；表示SAP工作模式为通信，SAP消耗第一能量存储设备中的能量的时间；表示SAP的工作模式为通信且进入充电状态的时间，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电；表示SAP工作模式为通信，SAP的第一能量存储设备先存储能量采集设备的能量，SAP再消耗第一能量存储设备的能量的时间；表示SAP工作模式为通信，SAP消耗第二能量存储设备中的能量的时间。

相比于现有技术，本发明的降低基站能耗的方法通过基于双门限判决的基站模式和供电来源选择，能够在有效的保证网络覆盖的情况下减小对电网电量的消耗，并且能够在有效的保证终端用户QoS情况下减小对电网电量的消耗。本发明还根据MBS/SAP的活动概率，调节存储电网能量的电池的容量，以达到进一步的节能目的。

附图说明

图1示出了实施例中降低基站能耗的方法流程图；

图2示出了实施例所基于的异构网络系统模型图；

图3(a)和3(b)示出了实施例中宏基站MBS和小小区接入点SAP能量衍生服从的生灭过程示意图；

图4(a)和4(b)示出了实施例中宏基站MBS和小小区接入点SAP的通信与休眠时间循环示意图；

图5示出了实施例中降低基站能耗的方法的详细方案流程图；

图6(a)和6(b)示出了实施例中宏基站MBS和小小区接入点SAP的活动概率仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种降低基站能耗的方法，因为基站类型有两种，即宏基站MBS和小小区接入点SAP，所以本实施例的降低基站能耗的方法包括两部分，第一部分为宏基站MBS降低能耗的方法，第二部分为小小区接入点SAP降低能耗的方法。

宏基站MBS降低能耗的方法如下：

宏基站MBS根据当前MBS能量值选择MBS的工作模式和供电来源，所述工作模式为通信或休眠，所述供电来源包括电网和能量采集设备。

具体地：

宏基站MBS在休眠工作模式下，监控MBS能量值的变化，在确定MBS能量值大于预设临界值N_c之后，选择MBS的工作模式为通信。N_c表示MBS结束休眠状态的能量临界值，N_c与MBS端的能量达到率以及能量利用率有关，并直接影响了MBS的通信时间。

MBS端的能量达到率包括：电网的能量到达MBS的平均速率μ′_m、采集能量设备的能量到达MBS的平均速率μ_m。采集能量设备的能量到达MBS的过程服从泊松分布。

MBS端的能量利用率包括：MBS消耗电网能量的平均速率ν′_m、MBS消耗采集能量设备的能量的平均速率ν_m，ν_m为

其中，λ_u表示与MBS通信的用户分布密度；

P_m是MBS与用户终端通信所发射的功率；

λ_m表示MBS的分布密度；

ρ_m表示MBS的活动概率。

小小区接入点SAP降低能耗的方法如下：

具体地：

小小区接入点SAP在确定当前SAP能量值小于预设临界值N’_min，并且相邻SAP的个数为0之后，选择SAP的工作模式为通信，并进入充电状态，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电，即由电网和能量采集设备共同为SAP供电，以保证SAP的工作模式为通信；

小小区接入点SAP在充电状态下，监控SAP能量值的变化，在确定SAP能量值大于预设临界值N_c’之后，选择SAP的工作模式为通信。N_c’表示SAP结束休眠状态的能量临界值，N_c’与SAP端的能量达到率以及能量利用率有关，并直接影响了SAP的通信时间。

SAP端的能量达到率包括：电网的能量到达SAP的平均速率μ_s′、采集能量设备的能量到达SAP的平均速率μ_s。采集能量设备的能量到达SAP的过程服从泊松分布。

SAP端的能量利用率包括：SAP消耗电网能量的平均速率ν_s′、SAP消耗采集能量设备的能量的平均速率ν_s，ν_s为

其中，λ_u′表示与SAP通信的用户分布密度；

P_s是SAP与用户终端通信所发射的功率；

λ_s表示SAP的分布密度；

ρ_s表示SAP的活动概率。

MBS和SAP均设置有第一能量存储设备和第二能量存储设备，第一能量存储设备用于存储来自能量采集设备的能量，第二能量存储设备用于存储来自电网的能量，且MBS的第二能量存储设备的容量为N₀，SAP的第二能量存储设备的容量为N₀’。

MBS和SAP的工作模式为通信时，先消耗第一能量存储设备中的能量，再消耗第二能量存储设备中的能量。

图2示出了本实施例的宏基站MBS和小小区接入点SAP所基于的异构网络系统模型图，MBS和SAP分布满足相互独立的泊松(Poisson Point Process，PPP)分布。

图3(a)和3(b)示出了实施例中宏基站MBS和小小区接入点SAP能量衍生服从的生灭过程示意图；由生灭过程的平稳分布可得基站的活动概率为：

其中，N_k取值为N_c或N_c’，N_k为N_c时，ρ_k代表MBS的活动概率，N_k为N_c’时，ρ_k代表代表SAP的活动概率。

图4(a)示出了本实施例中宏基站MBS的通信与休眠时间循环示意图；

一个循环周期如下：首先通过判定当前MBS的能量值与临界值N_min的关系，选择MBS的模式，若当前MBS的能量值小于N_min，MBS进入休眠和充电状态，反之重复判定过程。MBS经充电过程后再次进行能量检测，若当前MBS的能量值小于N_c，MBS继续保持休眠和充电状态，反之重复判定过程，至MBS的能量值大于或者等于N_c时，MBS才开始进入通信模式。

MBS的活动概率可表达为：

其中，E[]代表取均值操作，和分别代表MBS在一个充放电循环周期内的平均通信时间与平均休眠时间，其中，代表第二能量存储设备存储(即充电)来自电网的能量的平均时间，代表第一能量存储设备存储(即充电)来自能量采集设备的能量的平均时间：

根据平均达到时间的理论，表示MBS工作模式为通信即通信状态下，MBS消耗第一能量存储设备中的能量(即能量采集设备的能量)的平均时间，表示MBS工作模式为通信即通信状态下，MBS消耗第二能量存储设备中的能量(即电网的能量)的平均时间：

图4(b)示出了本实施例中小小区接入点SAP的通信与休眠时间循环示意图；

一个循环周期如下：首先判定SAP的当前能量值与临界值N’_min的关系，若SAP的当前能量值小于N’_min，且相邻SAP个数大于等于1时，当前SAP进入休眠和由能量采集设备的能量进行充电的状态，若相邻SAP的个数为0，当前SAP将由电网和能量采集设备联合提供的能量进行充电，若SAP的当前能量值大于N’_min重复判定过程。SAP经充电过程后再次进行能量检测，若当前SAP的储存能量值小于N_c’，SAP继续保持休眠和充电状态，反之重复判定过程，至SAP的储存能量值大于或者等于N_c’时，SAP才开始进入通信模式。SAP的活动概率可表达为：

其中，S(J_D)为相邻SAP个数，p代表检测到S(J_D)大于等于1的概率，1-p代表检测到S(J_D)等于0的概率；

代表检测到S(J_D)大于等于1、SAP工作模式为休眠的情况下，SAP的第一能量存储设备存储(即充电)能量(即能量采集设备的能量)的平均时间。

根据平均达到时间的理论，表示SAP工作模式为通信即通信状态下，SAP消耗第一能量存储设备中的能量(即能量采集设备的能量)的平均时间；表示SAP的工作模式为通信，并进入充电状态的平均时间，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电，即由电网和能量采集设备共同为SAP供电，以保证SAP的工作模式为通信；表示SAP工作模式为通信即通信状态下，SAP第一能量存储设备(对应能量采集设备的能量)先充电再放电的平均时间，即SAP的第一能量存储设备先存储能量采集设备的能量，SAP再消耗第一能量存储设备的能量的平均时间；表示SAP工作模式为通信即通信状态下，SAP消耗第二能量存储设备中的能量(即电网的能量)的平均时间：

图5示出了本实施例中降低基站能耗的方法的详细方案流程图：

其中图6(a)表示在电网能量供应与需求比值采集能量供应与需求比值场景下，采用本实施例的方法，在不同存储电网能量的电池容量(即第二能量存储设备中用于存储电网能量的电池容量)下，MBS的活动概率与能量储存值的关系图，仿真结果表明，在达到一定的能量储存值时，MBS的活动概率受电池容量的影响很小。在满足基本覆盖的约束下(ρ_m≥ε_m，ε_m表示满足基本覆盖的MBS最小活动概率)，MBS的能量储存值N_c越小表示消耗电网能量越小，因此在满足的条件下，对应的代表消耗电网能量最小时的临界值。因此本实施例所提供的降低基站能耗的方法能够在有效的保证网络覆盖的情况下减小对电网电量的消耗。

(b)表示在电网能量供应与需求比值采集能量供应与需求比值p＝0.5场景下，采用本实施例的方法，在不同存储电网能量的电池容量下，SAP的活动概率与能量储存值的关系图，仿真结果表明，在一定的能量储存值下，SAP的活动概率几乎不受电池容量的影响，同理在满足(ε_s表示满足终端用户基本QoS下的SAP最小活动概率)的条件下，对应的临界值代表消耗电网能量最小的能量储存值。因此本实施例所提供的降低基站能耗的方法能够在有效的保证终端用户QoS情况下减小对电网电量的消耗。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种降低基站能耗的方法，其特征在于，所述方法包括：

其中，宏基站MBS在确定当前MBS能量值小于预设临界值N_min之后，选择MBS的工作模式为休眠，并进入充电状态，且在充电状态由电网和能量采集设备共同供电；

宏基站MBS在休眠工作模式下，监控MBS能量值的变化，在确定MBS能量值大于预设临界值N_c之后，选择MBS的工作模式为通信；

小小区接入点SAP根据当前SAP能量值和相邻SAP的个数，选择SAP的工作模式和供电来源，所述相邻SAP的工作模式为通信；

其中，小小区接入点SAP在确定当前SAP能量值小于预设临界值N’_min，并且相邻SAP的个数大于等于1之后，选择SAP的工作模式为休眠，并进入充电状态，且在充电状态由能量采集设备单独供电；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MBS和SAP设置有第一能量存储设备和第二能量存储设备，所述第一能量存储设备用于存储来自能量采集设备的能量，所述第二能量存储设备用于存储来自电网的能量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述MBS和SAP的工作模式为通信时，先消耗所述第一能量存储设备中的能量，再消耗所述第二能量存储设备中的能量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征还在于，所述方法进一步包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述MBS的活动概率ρ_m为：

所述SAP的活动概率ρ_s为：