CN105227221A - 一种cran中高能效的基站开关选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种CRAN中高能效的基站开关选择方法，通过优化波束成形预编码矩阵降低发送功耗，根据最优的波束成形预编码矩阵调节基站开关状态和基站与用户的连接，降低链路功耗，从而降低网络总功耗：首先通过重加权法松弛网络总功耗和前传链路容量限制目标函数，对波束形成预编码矩阵进行迭代求解，在给定加权因子的条件下，采用标准凸优化方法设计波束成形预编码矩阵，再根据优化的波束成形预编码矩阵更新加权因子；然后根据最优波束形成预编码矩阵确定基站开关状态，使得在关闭部分基站的情况下满足用户需求，并且使得整个网络的总功耗最小化。本发明能够更加有效地节省网络功耗，使得协同服务于特定用户的基站数目较小，适用于有限前传的云计算无线接入网的设计。

Description

一种CRAN中高能效的基站开关选择方法

技术领域

本发明涉及一种云计算无线接入网(CloudRadioAccessNetwork，C-RAN)中，在前传链路容量受限的情况下，高效实行基站开关选择的方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

近年来，越来越严峻的环境问题摆在人类面前，节能、降耗、减排成了大势所趋。通信作为一种服务业，依赖大量的工业产品，如基站、终端设备、传输路线等。这些都会随着网络市场的大规模扩大而翻倍增加，耗能巨大，所以，“绿色通信”这个概念孕育而生。绿色通信(GreenCommunications)，是指节能减排、减少环境污染、资源浪费以及对人体和环境危害的新一代通信理念，主要通过创新的高效功放、多载波、分布式、智能温控等技术，配合灵活的站点场景模型，对基站进行积极改造，以达到降低功耗的目的，最终实现人与自然和谐相处，实现可持续发展。绿色通信主要从以下几方面进行：网络体系结构部署角度、硬件的角度、基站协作的角度和链路自适应资源分配的角度。其中网络体系结构就包括云计算无线接入网络的部署，云计算无线接入网络可以有效地实现基站协作。在云计算无线接入网络，中央处理器和基站通过前传链路连接，中央处理器可以控制基站，使得分布在网络中的基站可以协同传输，并且可以支持基站休眠以减少网络功耗。例如，若网络负载较低，可以在保证接入用户服务质量的情况下关闭部分基站，节约链路功耗，或者，可以使用多个基站的联合波束成形预编码，有效处理干扰，使得满足用户需求的同时使用更少的传输功率。然而，一部分基站的关闭会使得打开部分的基站负载加重，同时，协同传输也会使得基站服务更多的用户，增加前传链路的传输速率。在实际云计算无线接入网络中，由于前传链路容量的限制，基站的开关选择和波束成形预编码的设计变得更加复杂。因此，在前传链路容量受限的云计算无线接入网的基站开关选择和波束成形预编码设计具有很高的研究价值。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种云计算无线接入网通信中用户高效实行基站开关选择的方法，在保证用户速率要求和基站发送功率限制的情况下，最小化整个系统的功耗，适用于前传链路容量受限。

技术方案：为了解决上述问题，本发明考虑了一种云计算无线接入网传输模型，采用多天线分布式基站布局，单天线用户均匀地分布在接入网中，多个基站可以对单一用户协同传输。该网络中用户可以连接云计算无线接入网的所用基站，基站到中央处理器使用有限容量的前传链路连接。为了减少网络功耗，本基站支持休眠模式以节约链路功耗，而基站的开关选择则是通过波束成形预编码矩阵确定的。

本发明提出一种CRAN中高能效预编码和基站开关选择方法，通过优化波束成形预编码矩阵降低发送功耗，根据最优的波束成形预编码矩阵调节基站开关和基站与用户的连接，降低链路功耗，从而降低网络功耗。

在考虑基站开关的情况下，使用重加权法后，网络总功耗可以等效表示为：

其中，表示基站的集合，表示用户的集合，表示第l个基站对第k个用户的波束成形预编码向量，表示基站l的静态功耗，η_l表示基站l的传输放大增益，α_l表示对基站l总静态功率的加权系数。

基站l的前传链路容量限制表示为：

其中，表示用户的集合，C_l表示基站l的有限前传容量，表示基站l对用户k分配功率的加权系数，R_k表示用户k的传输速率，由下式表示：

其中，H_k表示对于用户k的网络信道矩阵，其定义为 表示H_k是一个1列M_t行的矩阵，M_t表示网络中所有天线的数目，表示从基站l到用户k的信道矩阵，w_k表示对于用户k的网络波束成形预编码矩阵，其定义为：表示w_k是一个M_t列1行的矩阵，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量，σ²表示噪声功率。

基站l的最大传输功率限制可以表示为：

其中，P_l表示基站l的最大传输功率，表示网络中所有用户的集合，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量。

使用用户最小信噪比限制保证用户速率要求，用户k的最小信噪比限制可以表示为：

其中，SINR_k表示用户k的信噪比，表示从基站l到用户k的信道矩阵，w_k表示对于用户k的网络波束成形预编码矩阵，σ²表示噪声功率，γ_k表示用户k所需要的最小信噪比。

由于波束成形预编码矩阵确定后，网络的总功耗就确定了，那么应该考虑如何设计波束成形预编码矩阵，使得功耗最小。本发明方法通过重加权法松弛网络总功耗和前传链路容量限制目标函数，对波束形成预编码矩阵进行迭代求解，在给定加权因子的条件下，采用标准凸优化方法设计波束成形预编码矩阵，再根据优化的波束成形预编码矩阵更新加权因子；然后根据最优波束形成预编码矩阵确定基站开关状态，使得在关闭部分基站的情况下满足用户需求，并且使得整个网络的总功耗最小化，具体包括以下步骤：

步骤1：初始化加权因子α_l、和迭代终止条件，设置的终止条件包括终止条件包括迭代次数和迭代阈值两个情况，设定迭代次数的情况下，达到迭代次数时终止迭代；设定迭代阈值的情况下，本次迭代和上次迭代的网络总功耗的差值不大于迭代阈值时终止迭代。

步骤2：以网络总功耗(公式1)为目标函数，在前传链路容量(公式2)，用户最小信噪比(公式4)和基站最大传输功率(公式5)限制下，使用标准凸优化方法求出最佳波束成形预编码向量。

步骤3：判断是否达到迭代终止条件，若是，则跳转步骤5，否则跳转步骤4。

步骤4：根据步骤2中计算出的波束成形预编码向量，使用重加权法更新用户传输速率和加权因子，并跳转至步骤2；

所述用户传输速率的更新法则如公式3所示，加权因子的更新法则如公式6和7所示：

${\mathrm{\β}}_k^l=\frac{1}{\left|\right|w_k^l|{|}_2^2+\mathrm{\τ}}---\left(7\right)$

其中，α_l表示对基站l总静态功率的加权系数，表示基站l对用户k分配功率的加权系数，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量，ε和τ表示足够小的正实数。

步骤5：根据最终求得的波束成形预编码矩阵，调节基站开关状态和用户与基站的连接关系，并根据公式3计算用户传输速率。

有益效果：本发明方法使用波束成形矩阵和加权因子进行迭代，根据波束成形矩阵确定加权因子，然后再根据加权因子确定以网络功耗为基准的波束成形预编码矩阵，最终实现最小化网络功耗，具有如下优点：

1、本发明采用基于压缩感知的重加权法，保证了网络波束成形预编码向量的稀疏性，符合云计算无线接入网中对于特定用户的协作服务基站数目不多的特性，使得协同服务于特定用户的基站数目较小，适用于有限前传的云计算无线接入网的设计；

2、本发明基于波束成形预编码向量进行基站开关选择，与基于传输功率最小化的方法相比，能够更加有效地节省网络功耗；

3、本发明考虑了前传链路的容量限制，展现了容量限制对网络功耗的影响，对实际网络设计有启示作用。

附图说明

图1为本发明的云计算无线接入网传输模型；

图2为10个基站、15个用户时，本发明方法与Cb算法在不同前传容量下的功耗对比图；

图3为10个基站、不同用户数目时，本发明方法与Cb算法在不同前传容量下的功耗对比图。

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同变换均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例以有限容量前传链路的云计算无线接入网为例，设置系统有10个2天线基站，15个单天线用户，用户和基站都均匀地分布在云计算无线接入网中，单个用户可以被多个基站协同服务，如图1所示。云计算无线接入网是边长为2000米的正方形，网络中的用户可以连接到所有基站。设置信道带宽为10MHz，假设通信信道均为理想信道，信道信息为中心处理器所知，且考虑了慢衰落、阴影衰落和快衰落。基站到用户的路损为148.1+37.6log₁₀(d)dB，d表示基站到用户的距离，单位是千米。基站的最大传输功率为1W，基站的静态功率分别为5-15W，中心处理器的功率为20W。

步骤1：初始化加权因子α_l、

步骤2：在2000米的正方形小区中随意撒放用户和基站。根据基站和用户的位置和路损公式，计算出从基站l到用户k的路损，加上衰落后计算出基站l到用户信道k的路矩阵

步骤3：在给定加权因子和最大传输功率为1W的条件下，对于不同的最小信噪比和最大前传容量，检测问题是否可行，即检测在给定场景中，问题的多个限制是否能同时满足，若可行，则使用标准凸优化方法求解对所有用户的网络波束成形矩阵；否则，终止迭代，此时，网络无法提供用户要求的服务，需要增加基站的最大前传容量或者最大传输功率；

步骤4：根据步骤3求得的波束成形矩阵，更新加权因子和用户速率；

步骤5：根据求得的波束成型矩阵，计算基站传输功耗，若基站的传输功耗低于10^-6w，认定基站的关闭，否则，认定基站打开。根据基站开关状态和给定的5-15W的基站静态功率，计算出网络的静态功耗。网络总功耗为所有基站的传输功耗和网络静态功耗之和。如果迭代前后的网络总功耗之差小于0.1W，则认为达到终止条件；

步骤6：若未达到终止条件，根据网络波束成形矩阵确定服务于特定用户的基站群，进入下一迭代周期，返回步骤3；否则停止整个迭代过程；

步骤7：根据终止时求得的波束成型矩阵，使用步骤3中的方法，给出最终的基站开关状态和网络总功耗。

图2为10个基站、15个用户时，本发明方法与Cb算法在不同前传容量下的功耗对比图，仿真中用于进行对比的Cb算法假定基站全部打开，即在相同的约束下，对基站的传输功耗进行优化。从图中可以看出，由于可以关闭一部分基站，提出的基站选择算法能够极大地节约网络能耗。同时，增加前传链路的容量，可以减少系统的功耗。

Claims (5)

1.一种CRAN中高能效的基站开关选择方法，其特征在于，通过优化波束成形预编码矩阵降低发送功耗，并且根据最优的波束成形预编码矩阵调节基站开关状态和基站与用户的连接，降低链路功耗，从而降低网络总功耗。

2.如权利要求1所述的CRAN中高能效的基站开关选择方法，其特征在于，在考虑基站开关的情况下，使用重加权法后，网络总功耗等效表示为：

其中，表示基站的集合，表示用户的集合，表示第l个基站对第k个用户的波束成形预编码向量，表示基站l的静态功耗，η_l表示基站l的传输放大增益，α_l表示对基站l总静态功率的加权系数；

基站l的前传链路容量限制表示为：

其中，表示用户的集合，C_l表示基站l的有限前传容量，表示基站l对用户k分配功率的加权系数，R_k表示用户k的传输速率，由下式表示：

其中，H_k表示对于用户k的网络信道矩阵，其定义为 表示H_k是一个1列M_t行的矩阵，M_t表示网络中所有天线的数目，表示从基站l到用户k的信道矩阵，w_k表示对于用户k的网络波束成形预编码矩阵，其定义为： 表示w_k是一个M_t列1行的矩阵，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量，σ²表示噪声功率；

基站l的最大传输功率限制可以表示为：

其中，P_l表示基站l的最大传输功率，表示网络中所有用户的集合，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量；

用户k的最小信噪比限制表示为：

其中，SINR_k表示用户k的信噪比，表示从基站l到用户k的信道矩阵，w_k表示对于用户k的网络波束成形预编码矩阵，σ²表示噪声功率，γ_k表示用户k所需要的最小信噪比。

3.如权利要求1所述的CRAN中高能效的基站开关选择方法，其特征在于，通过重加权法松弛网络总功耗和前传链路容量限制目标函数，对波束形成预编码矩阵进行迭代求解，在给定加权因子的条件下，采用标准凸优化方法设计波束成形预编码矩阵，再根据优化的波束成形预编码矩阵更新加权因子；然后根据最优波束形成预编码矩阵确定基站开关状态，使得在关闭部分基站的情况下满足用户需求，并且使得整个网络的总功耗最小化，具体包括以下步骤：

步骤1：初始化加权因子α_l、和迭代终止条件；

步骤2：以网络总功耗为目标函数，在前传链路容量，用户最小信噪比和基站最大传输功率限制下，使用标准凸优化方法求出最佳波束成形预编码向量；

步骤3：判断是否达到迭代终止条件，若是，则跳转步骤5，否则跳转步骤4；

步骤4：根据步骤2中计算出的波束成形预编码向量，使用重加权法更新用户传输速率和加权因子，并跳转至步骤2；

步骤5：根据最终求得的波束成形预编码矩阵，调节基站开关状态和用户与基站的连接关系。

4.如权利要求3所述的CRAN中高能效的基站开关选择方法，其特征在于，所述步骤1设置的终止条件包括终止条件包括迭代次数和迭代阈值两个情况，设定迭代次数的情况下，达到迭代次数时终止迭代；设定迭代阈值的情况下，本次迭代和上次迭代的网络总功耗的差值不大于迭代阈值时终止迭代。

5.如权利要求3所述的CRAN中高能效的基站开关选择方法，其特征在于，所述用户传输速率的更新法则如公式3所示，加权因子的更新法则如公式6和7所示：

其中，α_l表示对基站l总静态功率的加权系数，表示基站l对用户k分配功率的加权系数，表示基站l对用户k的波束成形预编码向量，ε和τ表示足够小的正实数。