CN105959043B - 一种能效驱动的多基站协作传输策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能效驱动的多基站协作传输策略，属于无线网络中的能效优化技术领域。所述传输策略采用了联盟形成博弈的技术手段，通过将基站协作集群问题建模为联盟形成博弈，利用裂并算法使得基站始终加入能够提升自身能效的协作簇，从而实现了最优的网络分簇。本发明基于能效指标进行网络分簇，对网络协作带来的吞吐量提升和能耗增加之间的权衡关系进行优化。利用联盟形成博弈的技术手段解决基于能效的协作簇构建问题，能够快速收敛到均衡点。通过限制基站和干扰邻区进行协作以及在裂并操作过程中采用历史分簇数据，使得提出的联盟形成博弈能够取得唯一稳定解。

Description

一种能效驱动的多基站协作传输策略

技术领域

本发明属于无线网络中的能效优化技术领域，涉及基于能效指标的网络协作簇构建，具体涉及一种超密集网络中，基于联盟形成博弈的动态网络分簇方法。

背景技术

随着信息化建设的加速推进以及云计算、移动互联网等新技术新业务的发展，移动流量飞速增长。到2019年，无线数据流量每月将超过24.3艾字节(exabytes)。为了满足日益增长的用户需求，超密集无线网络(UDN)应运而生，并且成为5G支撑技术之一。UDN通过大规模节点(尤其是小型基站)致密化，可以提供超高数据速率，毫秒级的端到端时延以及灵活、无缝的用户接入。然而大规模基站部署带来网络的快速膨胀，导致无线网络系统能耗以每年30％～40％的速率飞快上升。超密集无线网络的绿色演进已成为学术界、工业界关注的研究热点，网络能效提升百倍，也被国际移动通信系统2020(IMT-2020)推进组列为5G的重要目标。

能效(定义为吞吐量/能耗，bits/s/J)作为一种有效衡量网络节能性能的指标,得到了广泛的研究。在基站密集部署场景下，通过多基站协作，以网络多入多出(MIMO)形式的联合传输能够有效利用小区间干扰，极大提升网络吞吐量。然而，多基站协作带来了额外的信号处理、回程传输功耗。因此需要动态协作簇构建算法，根据用户信道条件，动态建立协作簇，进而提高网络能效，实现吞吐量提升和网络能耗增加之间的最优权衡。

现有的协作簇动态构建算法主要集中于提升网络整体吞吐量，很少考虑因此带来的网络能耗代价。其次，现存研究主要针对基站配置单天线或者只服务一个用户的场景，很少考虑基站配备多天线，进行MU-MIMO传输的场景。此外，联盟形成博弈作为一种有效解决协作问题的方法，也得到了广泛的研究。然而现有的文献主要侧重于D2D场景中用户协作场景或者网络节点间通过协作簇提高网络容量的场景。因此，现有文献缺乏针对超密集网络中多基站、多天线及MU-MIMO网络场景中，结合联盟形成博弈，考虑能效指标进行协作簇构建方面的研究。

发明内容

本发明旨在针对密集部署的无线网络，解决如何构建最佳基站协作簇，提升协作簇内每个基站能量效率的问题。采用了联盟形成博弈的技术手段，通过将基站协作集群问题建模为联盟形成博弈，利用裂并算法(Merge-Split)，使得基站始终加入能够提升自身能效的协作簇，从而实现了最优的网络分簇。

为了实现上述目的，本发明提供一种能效驱动的多基站协作传输策略，具体通过如下步骤来实现：

步骤1：假设网络中单天线用户集合为基站集合为其中每个基站b配备N根天线，并且每根天线可以服务多个用户。首先为每个用户u确定其服务基站b_u，通常选取为到用户信道最佳的基站，即其中h_bu表示基站b与用户u之间的信道向量，‖h_bu‖表示向量h_bu的l₂范数。考虑用户接入技术中的相对阈值策略(RelativeThresholding)，确定用户u的干扰基站集为：

其中ε_th表示阈值因子，可以用来调整协作簇大小，表示用户u与其服务基站b_u间的信道向量。确定每个基站b的服务用户集进而确定基站b的干扰邻区集(Interference Neighborhood，IN)

这里通过调度令每个基站的服务用户集中用户数目满足从而满足线性预编码要求。

步骤2：任一基站b通过和干扰邻区集中的基站协作来提高网络能效。令表示当前网络协作簇划分，即协作簇结构，其中S_k表示第k个协作簇，总共有K个协作簇。在每个协作簇内，采用迫零准则(ZF)进行协作预编码设计，从而消除干扰，提高能效。协作簇S_k所服务的用户集合可计算为令表示复数空间，协作簇S_k大小为|S_k|，则根据协作簇S_k中整体信道增益矩阵可确定S_k的协作预编码矩阵其中是对用户的传输功率矩阵(每个基站最大功率发送，功率平均分给所有用户)，v_ku表示协作簇S_k针对簇内第u个用户的协作预编码向量，是整体信道增益矩阵的Moore-Penrose逆矩阵：

步骤3：评估每个用户的接收信号、信干噪比及数据速率，这里以协作簇S_k中的用户u为例，每个用户u的接收信号y_u为：

其中，H_ku表示协作簇S_k与用户u之间的信道向量，s_ku表示协作簇S_k传输给用户u的信号，l表示协作簇S_k服务用户集合中除去用户u之外任一用户。j表示当前协作簇结构中除去S_k外任一协作簇，v_ji表示协作簇S_j针对其服务用户i的协作预编码向量，s_ji表示相应的传输信号。n_u表示均值为0，方差为σ_u ²的高斯白噪声。

用户u的信干噪比(SINR_u)及数据速率R_u分别为：

R_u＝log₂(1+SINR_u) (6)

步骤4：每个基站评估加入协作簇带来的能耗。以协作簇S_k中的基站b为例，其发送功耗为：

其中，Φ_b是行选择矩阵，在主对角线上对应基站b的N根天线的元素为1，其余皆为0。信号处理带来的功耗为：

表示信号处理功耗因子，|S_k|表示协作簇S_k内的基站数量。回程功耗为：

C_bh表示回程链路的容量，T_s表示符号周期，p,q用来量化额外导频和协作信令开销。

进而计算出基站b可获得的能效为：

η表示基站b的功率放大器效率。

步骤5：建立能量有效的协作簇构建博弈模型

其中满足是对基站集合的一个划分，协作簇S_k效用函数建模为：

并且令u_b(S_k)＝EE_b(S_k)。

其中，表示一个以为第b个元素的向量，表示|S_k|维的实数空间。

所述的博弈模型具有非转移效用(NTU)。

步骤6：针对现在的网络协作簇结构(即基站集合划分情况)，迭代进行如下裂并操作，直到收敛。

使用适用于NTU形式联盟形成博弈的帕雷托次序(Pareto Order,)来比较不同网络分簇的效用。

1)对任意不相交协作簇{S₁,…,S_L}，当时，合并为

2)对任意可分割协作簇当时，分裂为{S₁,…,S_L}。

表示历史分簇信息集合，用来避免重复的裂并操作。

步骤7：整个网络收敛到一个稳定的协作簇结构在该协作簇划分情况下，每个基站获得的能效高于其他网络分簇情况。

在联盟形成博弈中，如果形成的联盟中任何成员没有离开联盟的意向，则称其是稳定的，如果形成的联盟进而是帕累托最优的，则称其是稳定的(参见参考文献[1]：Apt K R,Witzel A.A generic approach to coalition formation[J].InternationalGame Theory Review,2009,11(03):347-367.)。由于所有网络分簇情况集合是有限的，并且是Bell数，因此从任意初始划分开始，本发明最终都能收敛到一个稳定网络划分。通过裂并操作，得到的最终协作簇划分是稳定的。此外由于每个基站仅和干扰邻区协作，因此所有不同于最终分簇结构的网络划分是-同构(-homogeneous)的，进而可以得出最终得到的是稳定的，即在所有网络分簇结构中，是最大的(-maximal)。

从以上技术方案可以看出，本发明主要包括基站干扰邻区(IN)感知、基站能效评估、能效驱动的协作簇构建博弈模型以及基于裂并算法的网络分簇。本方法通过联盟形成博弈策略解决原本是NP-完全问题的网络分簇问题，最终提升了基站能量效率。主要优点在于：

(1)基于能效指标进行网络分簇，对网络协作带来的吞吐量提升和能耗增加之间的权衡关系进行优化。

(2)利用联盟形成博弈的技术手段解决基于能效的协作簇构建问题，能够快速收敛到均衡点。

(3)通过限制基站和干扰邻区进行协作以及在裂并操作过程中采用历史分簇数据，使得提出的联盟形成博弈能够取得唯一稳定解。

附图说明

图1为本发明所针对的具体超密集网络场景图。

图2为本发明应用于实际网络时的分簇示意图。

图3为本发明应用于实际网络时的能效性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细阐述，所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。根据本方法的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上实现的本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的主要思想是在基站密集部署的网络场景中，使基站进行动态协作决策，当干扰较小时，独立为用户提供服务，当干扰较大时，通过合理选择协作基站，在提升用户速率的同时维持能耗在较低水平，从而实现基站能效的提升。总而言之，本发明是一种利用联盟形成博弈，面向能效优化的动态网络分簇算法。图1所示为本发明针对的具体场景图，图1中有五个基站，分别为BS1、BS2、BS3、BS4、BS5，八个用户，其中所有基站集合为用户集合为每个基站配备2根传输天线。

本发明提供的能效驱动的多基站协作传输策略，具体可分为以下步骤：

步骤1：每个用户u根据基站导频信号估计信道质量，并接入平均信道质量最好的基站，即服务基站b_u，并确定干扰基站集并回馈给服务基站。进而确定每个基站b的服务用户集并且建立干扰邻区集

步骤2：初始化网络协作簇为即每个基站构成一个独立的协作簇，为基站集合内基站的数量。采用迫零准则进行协作预编码设计，得到每个协作簇的初始协作预编码矩阵

步骤3：评估每个协作簇中每个用户u的信干噪比(SINR_u)及数据速率R_u。

步骤4：评估在当前协作簇划分模式下，每个基站评估加入协作簇带来的能耗。

步骤5：评估每个协作簇在当前协作簇划分模式下的效用值v(S_k)。

步骤6：初始协作簇中能效较低的协作簇往往受到比较严重的小区间干扰，倾向于和对其造成严重干扰的基站(干扰邻区)进行协作，从而获得能效提升，比如图1中的基站BS1和基站BS2。因此在网络初始化后，基站和干扰邻区中的基站进行迭代合并操作，重复步骤2-5。在第t次迭代过程中，对当前网络协作簇划分中还未经过合并操作的任意两个协作簇和如果有其中为历史分簇信息(为了避免重复操作)，则合并和并更新网络协作簇。当所有的协作簇都已经进行了局部合并操作之后，停止上述迭代过程，得到最终网络分簇对得到的网络分簇进行分裂操作，如果任何分裂都不能使得某基站在不降低其他基站能效的同时提升自身能效，则终止裂并操作，并令此外，如果存在协作簇在分裂后，相应基站能够获得更高的能效，则将其分裂成较小的簇，直至网络中所有的簇不能再分裂，即收敛到最优网络协作簇划分

步骤7：各基站按最终网络协作簇进行协作，并基于得到的相应协作预编码矩阵实施协作数据传输。

结果表示：

图2展示了本发明在一个0.25km²的超密集异构无线网络中的应用实例。所考虑的网络存在15个小型基站，每基站配备2根天线，同时为2个用户提供服务。可以看到，由于用户分布的随机性，存在若干位于小区边缘用户，并且经受严重小区间干扰，此时用户速率底下，能效较低。这种情形下，本发明使得临近基站根据用户分布情况动态组成了协作簇，一方面通过多基站的协作传输提高了网络吞吐量，另一方面不会形成过大的协作簇而带来更高的能耗，因此有效提升了能量效率，实现了吞吐量提升和网络能耗增加之间的最优权衡。图3显示了本发明提供的能效驱动的协作传输策略相比现有的基于ZF的无协作传输策略的性能差异对比情况，可以看到本发明在任意单基站发送功率约束下都能取得能效的提升，性能增益可达到22％。

Claims (2)

1.一种能效驱动的多基站协作传输策略，其特征在于：具体通过如下步骤来实现，

步骤1：网络中单天线用户集合为基站集合为其中每个基站b配备N根天线，并且每根天线服务多个用户；首先为每个用户u确定其服务基站b_u，确定用户u的干扰基站集为：

其中∈_th表示阈值因子，表示用户u与其服务基站b_u间的信道向量；确定每个基站b的服务用户集进而确定基站b的干扰邻区集

令每个基站的服务用户集中用户数目满足从而满足线性预编码要求；

步骤2：任一基站b通过和干扰邻区集中的基站协作来提高网络能效；令表示当前网络协作簇划分，即协作簇结构，其中S_k表示第k个协作簇，总共有K个协作簇；协作簇S_k所服务的用户集合计算为令表示复数空间，协作簇S_k大小为|S_k|，则根据协作簇S_k中整体信道增益矩阵确定S_k的协作预编码矩阵其中是对用户的传输功率矩阵，v_ku表示协作簇S_k针对簇内第u个用户的协作预编码向量，是整体信道增益矩阵的Moore-Penrose逆矩阵：

步骤3：评估每个用户的接收信号、信干噪比及数据速率，以协作簇S_k中的用户u为例，每个用户u的接收信号y_u为：

其中，H_ku表示协作簇S_k与用户u之间的信道向量，s_ku表示协作簇S_k传输给用户u的信号，l表示协作簇S_k服务用户集合中除去用户u之外任一用户；j表示当前协作簇结构中除去S_k外任一协作簇，v_ji表示协作簇S_j针对其服务用户i的协作预编码向量，s_ji表示相应的传输信号；n_u表示均值为0，方差为σ_u ²的高斯白噪声；

用户u的信干噪比SINR_u及数据速率R_u分别为：

R_u＝log₂(1+SINR_u) (6)

步骤4：每个基站评估加入协作簇带来的能耗；以协作簇S_k中的基站b为例，其发送功耗为：

其中，Φ_b是行选择矩阵，在主对角线上对应基站b的N根天线的元素为1，其余皆为0；信号处理带来的功耗为：

表示信号处理功耗因子，|S_k|表示协作簇S_k内的基站数量；回程功耗为：

C_bh表示回程链路的容量，T_s表示符号周期，p,q用来量化额外导频和协作信令开销；

进而计算出基站b获得的能效为：

η表示基站b的功率放大器效率；

步骤5：建立能量有效的协作簇构建博弈模型

其中满足是对基站集合的一个划分，协作簇S_k效用函数建模为：

并且令u_b(S_k)＝EE_b(S_k)；

其中，表示一个以为第b个元素的向量，表示|S_k|维的实数空间；

步骤6：针对现在的网络协作簇结构，迭代进行如下裂并操作，直到收敛；

所述的裂并操作中，使用适用于非转移效用形式联盟形成博弈的帕雷托次序来比较不同网络分簇的效用，

1)对任意不相交协作簇{S₁,...,S_L}，当时，合并为

2)对任意可分割协作簇当时，分裂为{S₁,...,S_L}；表示历史分簇信息集合；

步骤7：各基站按最终网络协作簇进行协作，并基于得到的相应协作预编码矩阵实施协作数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种能效驱动的多基站协作传输策略，其特征在于：所述的服务基站b_u选取为到用户信道最佳的基站，即其中h_bu表示基站b与用户u之间的信道向量，‖h_bu‖表示向量h_bu的l₂范数。