CN105682192A - 一种中继蜂窝网络用户选择基站的高效能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种包含两个半双工、译码转发中继的蜂窝网络中用户高效地选择其服务基站的方法，适用于各个基站负载不高，且保证每个用户速率要求的情况下，最小化整个系统的功耗。其高效性体现在以更低的复杂度，达到最低的功耗。该方法先给定了用户的初始服务基站，且根据当前的连接方式，选取一位改变其服务基站并选取合适的时频资源块可取得最大功耗减少的用户，并将该用户连接至相应基站和资源块。重复上述步骤直至所有用户都被考虑。最后将负载低于0.2的中继关闭。本发明提出的蜂窝网络中用户选择其服务基站的方法可以高效地节省整个系统的功耗。

Description

一种中继蜂窝网络用户选择基站的高效能方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种在使用两个半双工、译码转发中继的蜂窝网络中，考虑基站在负载不高的情况下，高效地选择用户所通信基站，降低系统总功耗的方法。

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)，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，主要采用创新的高效功放、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，以达到降低能耗的目的，最终实现人与自然和谐相处，实现可持续发展。

绿色通信主要通过以下几方面进行：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中继的部署，中继结点是一种高效的方法来拓宽户外的覆盖范围，因为避免了高花费的回程链路。而在中继覆盖范围内的用户则存在是通过中继进行通信，还是直接与主基站通信的问题。例如，若主基站到该用户的信道衰减严重，那么该用户通过中继进行通信必然会节省不少的能耗，但是当中继的负载低，且主基站到该用户的通信信道相对良好时，将用户连接到主基站是一个不错的选择。由此可见，用户基站的选择是一个权衡的过程，且当用户数目增多，这样的问题会变得更加复杂。因此，有关用户基站选择的绿色通信具有很高的研究价值和意义。

发明内容

本发明的目的是，提出一种包含两个半双工、译码转发中继的蜂窝网络中用户高效地选择其服务基站的方法，适用于各个基站负载不高，且保证每个用户速率要求的情况下，最小化整个系统的功耗。

本文主要考虑一个主基站，两个半双工、译码转发中继的蜂窝网布局，用户均匀分布在圆内，如图1所示。其中主基站与中继拥有相同数量的时频资源块，由于是半双工的中继，主基站与中继通信所使用的资源块将不能再被中继用来与所服务的用户通信。

由于在用户的服务基站都已确定的情况下，整个系统的总功耗就确定了，那么就应该考虑如何给用户分配基站，可以使得总功耗最小。给用户分配基站的准则为：在当前状态下，选出一个调整其服务基站及时频资源块，可使得整个系统的功耗最小的用户，在各个基站不会超载的情况下，调整该用户到相应的基站，并固定不动，对剩下的用户进行同样的操作。

具体实施方法如下：

1)初始化所有用户连接到中心基站。

2)在未考虑的用户中(刚开始就是所有用户)，找到一个在当前状态下，改变其服务基站和时频资源块能达到最低功耗的用户。其中时频资源块可大致划分为如下形式：

图1时频资源块分布简略图

其中和分别表示中心基站和中继1和中继2通信所使用的时频资源块，且由于中继的半双工特性，导致连接在中继1和中继2上的用户只能使用和及和两类资源块。根据EARTHPROJECT(MAImran,EKatranaras,GAuer,OBlume,VGiannini,IGodor,YJading,MOlsson,DSabella,PSkillermark,etal.Energyefficiencyanalysisofthereferencesystems,areasofimprovementsandtargetbreakdown.Technicalreport,Tech.Rep.ICT-EARTHdeliverable,2011.)，基站的功耗可由如下式计算：

$P^{in}=\left\{\begin{array}{cc}{P}^0+{\mathrm{\&Delta;pLP}}^{max},& 0<L\&le;1\\ P^S,& L=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Pⁱⁿ为中心基站(或中继)的总功耗，P⁰为基站闲置时的功耗，Δp为基站的功率放大效率，P^max为基站的最大传输功率，P^S为基站休眠时的功耗，L为基站的负载。而中心基站和中继的负载可由以下公式计算：

$\begin{array}{c}{L}_M=\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;M}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_{1b}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{2b}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}+n_0})}}{N_{RB}}+\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R1}\frac{r_1}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS1}}{{\mathrm{\&rho;}}_{2a}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,RS1}+n_0})}}{N_{RB}}\\ +\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS2}}{{\mathrm{\&rho;}}_{1a}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}{N_{RB}}\end{array}---\left(2\right)$

$L_{R1}\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_B\&CenterDot;p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{2b}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}+n_0})}}{N_{RB}}\left(or\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{N_{RB}}\right)---\left(3\right)$

$L_{R2}=\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_B\&CenterDot;p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{1b}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}+n_0})}}{N_{RB}}\left(or\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS2}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{N_{RB}}\right)---\left(4\right)$

其中i∈M、i∈R1、i∈R2表示服务于中心基站、中继1和中继2的用户，W为一个资源块所占用的带宽，p为一个资源块上的传输功率，H为信道增益，n₀为高斯白噪声，N_RB为基站所拥有的总的资源块。而ρ_1a、ρ_2a、ρ_B、ρ_1b和ρ_1b均为干扰因子，其定义如下：

${\mathrm{\&rho;}}_{1a}\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{{\&Sigma;}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS2}}{{\mathrm{\&rho;}}_{1a}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_{2a}=\frac{{\&Sigma;}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{{\&Sigma;}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS1}}{{\mathrm{\&rho;}}_{2a}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}---\left(6\right)$

其中N_RB、和分别表示总的资源块、中心基站与中继1通信所使用的资源块以及中心基站与中继2通信所使用的资源块。

3)若将该用户连到该基站的相应资源块上会比之前状态(该用户连在中心基站，其他用户不变)的功耗小，且不会使中心基站及两个中继超负载，那么就将该用户固定在该基站上。而中心基站及中继的约束条件可由以下公式表示：

L_MB_S≤1(10)

4)重复步骤2、3直至所有用户都被考虑过一遍。

5)将此时的功耗与初始所有用户都连接在中心基站时的功耗相比，取最小功耗的连接方式。

6)若此时中继1或中继2的负载低于0.2，则将之关闭。

本发明具有以下有益效果：本发明是一种在使用两个半双工、译码转发中继的蜂窝网络中，考虑基站在负载不高的情况下，高效地选择用户所通信基站，降低系统总功耗的方法，具有如下优点：

1、本方法每一个循环所考虑的用户数在逐个减少，其复杂度与遍历相比大大缩减。

2、本方法与传统的根据用户收到的信干噪比来决定连接基站的方法(SNRB)，及所有用户均连接在中心基站(MBSO)的方法相比，均得到不小的功耗增益。

附图说明

图1为设备分布图。

图2为2到20个用户该算法与SNRB、MBSO算法在功耗上的对比。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本实例以蜂窝网为例，设置系统内有一个主基站，两个半双工、译码转发中继，用户均匀地分布在蜂窝网中。其中主基站和中继的覆盖范围分别为1000米和300米，两基站之间的距离为七百米。若用户在中继的覆盖范围内，该用户即可以与中继通信，也可直接与主基站通信；反之，用户只能与主基站通信。设置一个时频资源块的大小为180KHz*1ms，主基站与中继所能使用的频带宽度均为6MHz，即有30000个时频资源块。设置蜂窝网络内的用户数为2到20，他们对传输速率的要求随机分布在128～512kbps之间。噪声功率为在主基站覆盖范围边缘收到的功率强度(考虑到周围小区对该小区的干扰)。设置所有的通信信道均为理想信道，且只考虑慢衰落。

步骤1：初始化所有用户连接到中心基站。

步骤2：在所有用户中，找到一个在当前状态下，改变其服务基站及时频资源块能达到最低功耗的用户，编号为1。

步骤3：若将用户1连到该基站以及该时频资源块会比之前状态(所有用户均连在中心基站)的功耗小，且不会使中心基站及中继超负载，那么就将用户1固定在该基站上。

步骤4：在用户1固定在该基站上，余下的用户仍连在中心基站的情况下，找到一个改变其服务基站和时频资源块能达到最低功耗的用户，编号为2。

步骤5：若满足步骤3的几个条件，也就将用户2固定在该基站上。

步骤6：以此类推，对所有用户重复以上操作，直至所有用户均被考虑。

步骤7：将此时的功耗与初始所有用户都连接在中心基站时的功耗相比，取最小功耗的连接方式。

步骤8：若此时中继1或中继2的负载低于0.2，则将之关闭。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种中继蜂窝网络用户选择基站的高效能方法，其特征在于，该方法以降低每个用户的通信功耗为原则，以低复杂度的方式为其选择合适的服务基站；在使用两个半双工、译码转发中继的蜂窝网络中，考虑基站在负载不高的情况下，高效地选择用户所通信基站，给定用户初始服务基站，并根据当前状态动态地为用户选择功耗更小的通信基站，具体步骤如下：

步骤1：初始化所有用户连接到中心基站；

步骤2：在未考虑的用户中，初始时为所有用户，找到一个在当前状态下，改变其服务基站和时频资源块能达到最低功耗的用户，其中时频资源块可大致分为和三块。和分别表示中心基站和中继1和中继2通信所使用的时频资源块，且由于中继的半双工特性，导致连接在中继1和中继2上的用户只能使用和及和两类资源块，基站的功耗可由如下式计算：

$P^{in}=\left\{\begin{array}{cc}{P}^0+{\mathrm{\&Delta;pLP}}^{max},& 0<L\&le;1\\ P^S,& L=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Pⁱⁿ为中心基站(或中继)的总功耗，P⁰为基站闲置时的功耗，Δp为基站的功率放大效率，P^max为基站的最大传输功率，P^S为基站休眠时的功耗，L为基站的负载；而中心基站和中继的负载可由以下公式计算：

$\begin{array}{c}{L}_M=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;M}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_{1b}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{2b}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}+n_0})}}{N_{RB}}+\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS1}}{{\mathrm{\&rho;}}_{2a}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,RS1}+n_0})}}{N_{RB}}\\ +\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS2}}{{\mathrm{\&rho;}}_{1a}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}{N_{RB}}\end{array}---\left(2\right)$

$L_{R1}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_B\&CenterDot;p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{2b}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}+n_0})}}{N_{RB}}\left(or\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{N_{RB}}\right)---\left(3\right)$

$L_{R2}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}}{{\mathrm{\&rho;}}_B\&CenterDot;p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+{\mathrm{\&rho;}}_{1b}\&CenterDot;p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}+n_0})}}{N_{RB}}\left(or\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS2,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{N_{RB}}\right)---\left(4\right)$

其中i∈M、i∈R1、i∈R2表示服务于中心基站、中继1和中继2的用户，W为一个资源块所占用的带宽，p为一个资源块上的传输功率，H为信道增益，n₀为高斯白噪声，N_RB为基站所拥有的总的资源块；而ρ_1a、ρ_2a、ρ_B、ρ_1b和ρ_1b均为干扰因子，其定义如下：

${\mathrm{\&rho;}}_{1a}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R1}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS2}}{p_{1a}\&CenterDot;p_{\mathrm{RS}1}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_{2a}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{RS1}\&CenterDot;H_{RS1,i}}{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,i}+n_0})}}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;R2}\frac{r_i}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{p_{MBS}\&CenterDot;H_{MBS,RS1}}{{\mathrm{\&rho;}}_{2a}\&CenterDot;p_{RS2}\&CenterDot;H_{RS1,RS2}+n_0})}}---\left(6\right)$

其中N_RB、和分别表示总的资源块、中心基站与中继1通信所使用的资源块以及中心基站与中继2通信所使用的资源块；

步骤3：若将该用户连到该基站的相应资源块上会比之前状态(该用户连在中心基站，其他用户不变)的功耗小，且不会使中心基站及两个中继超负载，那么就将该用户固定在该基站上；而中心基站及中继的约束条件可由以下公式表示：

L_MBS≤1(10)

步骤4：重复步骤2、3直至所有用户都被考虑过一遍；

步骤5：将此时的功耗与初始所有用户都连接在中心基站时的功耗相比，取最小功耗的连接方式；

步骤6：若此时中继1或中继2的负载低于0.2，则将之关闭。

2.根据权利要求1所述的中继蜂窝网络用户选择基站的高效能方法，其特征在于，首先从所有用户中挑选出一个调整其服务基站及时频资源块可达到功耗减少最多的用户，在不使基站超载的前提下，将该用户调整至最优基站，并在固定该用户的服务基站不变的情况下，对剩余用户重复以上操作，直至所有用户都连至最佳基站。

3.根据权利要求1所述的中继蜂窝网络用户选择基站的高效能方法，其特征在于，每一个循环所考虑的用户数在逐个减少，其复杂度与遍历相比大大缩减。