CN111447669B

CN111447669B - 一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法

Info

Publication number: CN111447669B
Application number: CN202010208640.7A
Authority: CN
Inventors: 黄霖宇; 卢亮
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111447669A

Abstract

本申请属于通讯领域，尤其涉及一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，移动用户终端通过定位系统获取用户当前经度、纬度、移动速度和移动方向数据，并将以上数据通过上行数据通道上传到关联基站；基于移动的用户上传的历史经度、纬度、移动速度和移动方向数据，每个基站预测各自关联的每个移动的用户U_i在接下来T个时隙的地理位置；再对未来T时隙内各基站传输数据给各用户所需的最小传输功率进行估计；进一步各时隙每个基站需要发送数据的目标用户进行确定，基站的发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，从而将在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件时总传输能耗降低。

Description

一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法

技术领域

本申请属于通讯领域，尤其涉及一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法。

背景技术

随着移动通信技术的迅速发展，移动用户的数量以及移动网络所传输的数据量一直保持高速增长。在频谱资源有限的前提下，为满足急剧增长的移动流量和服务质量需求，高效率的资源分配，即如何合理高效地分配和调度通信系统资源，是移动通信系统中的重要问题。资源分配主要是指信道分配、发送功率控制、发送时隙调度、中继选择、调制和编码方案选择等一系列决策机制，其目标通常是为了更加有效的利用无线频谱资源，从而达到应对动态变化的信道状况、终端分布以及用户需求，提升系统效率、满足用户QoS需求的目的。

在多基站移动通信系统中，经常出现处于移动或静止状态的多个移动用户终端同时向不同基站请求相同音频/视频文件的应用场景。基站可通过无线广播技术实现文件传输。但由于无线通信信道自身的不稳定性和衰减性，决定了：(1)基站传输的部分数据包用户无法成功收到并需要重新传输，(2)尽管无线信道持续动态变化，用户所接收到的信号强度通常与用户的位置具有一定的相关性。如果系统能提前预知用户未来的位置、信道状况以及需求等移动特征信息，则可估算用户的信道增益，从而降低资源分配的难度，提升分配的精确度和资源利用率。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明基于对移动用户未来位置的预测，设计出一种通过对传输时序和基站发射功率进行控制的资源预分配，提升基站传输能耗效率的一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法。

为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：一个时隙广播的多基站蜂窝网系统下有M个基站，标记任意一个基站为BS_j，j＝1,2,...,M；基站通过核心网络连接到基站控制中心(BSC)；在进行数据传输时，数据首先从服务器端传输到基站控制中心，再从基站控制中心传输到各个基站，最后由基站无线传输到各个用户，基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，BSC起着路由和基站资源分配的作用。多基站蜂窝网系统内有K个移动的用户终端，用户在基站间自由移动，标记任意一个用户为U_i，i＝1,2,...,K；移动用户终端通过定位系统获取当前经度、纬度、移动速度和移动方向数据，并将以上数据通过上行数据通道以固定频率或不定时方式上传到关联基站；基于移动的用户上传的历史经度、纬度、移动速度和移动方向数据，每个基站基于CTrack算法或其他现有算法预测各自关联的每个移动的用户U_i在接下来T个时隙的地理位置；再对未来T时隙内各基站传输数据给各用户所需的最小传输功率进行估计；基站控制中心基于该估计结果对各时隙内每个基站需要传输数据的目标用户和传输功率进行选择，最终只覆盖部分用户，发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，从而将在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件时总传输能耗降低。

进一步地，一个时隙广播的多基站蜂窝网系统内的用户需要在T时隙内分别获取到同一文件，T的取值由对所请求文件的服务质量(QoS)决定。基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，基站在每个时隙可发送一个数据包。N的取值由信道容量以及所请求的文件大小决定。具体计算方法如下：

其中L[Kb]为所请求的文件大小,c[Kb/slot]为广播信道单个时间间隙所传输的数据量。基站对文件进行分割时，如文件长度不足，则在后面增加零补足长度。

进一步地，一个时隙广播的多基站蜂窝网系统需要在未来T个时隙内决定每个时隙内每个基站的发射功率以及传输内容。系统根据用户未来的移动路径以及信道质量决定每个时隙需要覆盖的目标用户，并选择合适的发射功率去覆盖上述目标用户。在完成“在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件”这样一个工作任务的时候，传统方案可能是每个时刻都覆盖所有用户，并且选择基站的最大传输功率去传输。而本方案的工作就是每个时隙只覆盖一部分用户，因此发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，没必要使用最大功率。本方案决定了每个时隙到底需要覆盖哪些用户、以及覆盖这些用户应该使用多大的传输功率。在完成在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件的工作任务时使用的总传输能耗比传统方法更少。

具体的，

进一步地，当预测到移动用户未来的地理位置后，每个基站获取各自关联的每个用户U_i在第t个时隙相对基站BS_j的欧氏距离d_ijt，单位为千米；

基站控制中心预测各基站BS_j在t时隙成功传输数据给每个移动的用户U_i所需的最小传输功率的理论值Λ_ijt；

再进一步地，

传输功率的理论值Λ_ijt具体预测方法如下：

首先根据PL＝128.1+37.6log₁₀(max(0.035,d_ijt))[dB]计算路径损耗PL，其中max(0.035,d_ijt)表示在0.035Km和d_ijt之间取较大的值；

根据η_ijt＝-174+10*log(w_ijt)+N_F[dB]计算由基站BS_j在第t个时隙传输数据给用户U_i的噪声功率η_ijt，其中w_ijt[MHz]为在t时隙基站BS_j与用户U_i的通信带宽；N_F[dB]为噪声系数，w_ijt和N_F由具体的基站和终端设备确定。

根据Λ_ijt＝γ+PL+η_ijt-α_BS-α_m模型计算最小传输功率的理论值Λ_ijt，其中α_BS和α_m分别为基站天线增益和移动终端天线增益，由具体使用的设备决定；γ为移动用户终端所需的信噪比(SNR)阈值，信噪比阈值根据系统中移动用户所使用终端的信号来决定，默认值为3dB。

进一步地，定义变量X_ijt来表征用户U_i是否是基站BS_j在第t个时隙的目标用户，当用户U_i是该目标用户时X_ijt＝1，否则X_ijt＝0；

令

表示基站BS_j在第t个时隙需要的发射功率，构建问

题如下：

C3:X_ijt＝0,if Λ_ijt>P_jmax,for i＝1,2,...,K,

j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T.

C4：P_jt≥Λ_ijt·X_ijt，其中i＝1,2,...,K,

j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T；

其中P_jmax为基站BS_j允许的最大发射功率，由具体使用设备决定；使用标准割平面法对上述优化问题进行求解，可得出X_ijt；由于每个X_ijt都是未知数，X_ijt代表了在t个时隙，基站BS_j是否需要传输数据或者说用信号去覆盖用户U_i；上述公式的目的就是去解这个未知数，确定每个X_ijt到底应该取0还是取1。

在接下来的t个时隙(t∈[1,T])内，BSC控制各基站BS_j(j∈[1,M])按照如下方式传输数据包，首先计算P_jt：

如果P_jt＝0，则基站BS_j在第t个时隙不发送任何数据；

否则基站BS_j基于分割后的N个原始数据包，在有限域GF(256)通过线性随机编码算法生成一个编码包，然后以P_jt的传输功率广播给自己基站内的所有移动用户。

进一步地，T个时隙后，每个用户利用高斯-约当消元法对自己所收到的数据包进行解码后按照数据包标头依次顺序进行拼合并删除末尾的连续0后，即可得到所请求的文件，传输过程完成。

本申请的优点在于：

1、本方法通过预测用户未来的位置，去决定每个基站在每个时间点到底应该传输数据给哪些用户，确定了需要传输数据的用户，再决定每个基站应该用多大的功率去传输，最终达到完成传输文件给用户的前提下，减少基站用的总能耗。

2、本方法解决了如何合理分配信道/频谱、调整发射功率和选择合适的传输内容是提高无线通信资源利用率的重要问题。本申请能在满足用户传输时间需求的前提下，为降低系统传输能耗提供了很好的解决方法。

3、本发明根据现代移动通信网络新兴特征，跟随智能终端普及化的趋势，充分利用智能终端自带GPS等定位系统设备优势，提出基于位置信息的资源预分配算法，关注了温室效应和节能减排等社会热点，满足了更高速率、更大网络容量和更强移动性的用户需求，顺应了下一代通信技术绿色节能的发展趋势。

4、本方法独立于物理层传输方式，容易扩展应用于其他蜂窝式结构的无线通信系统，具有广泛的应用场景和潜力。

附图说明

图1本方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，包括如下内容，在一个时隙广播的多基站蜂窝网系统下有M个基站，标记任意一个基站为BS_j，j＝1,2,...,M；基站通过核心网络连接到基站控制中心(BSC)；在进行数据传输时，数据首先从服务器端传输到基站控制中心，再从基站控制中心传输到各个基站，最后由基站无线传输到各个用户，基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，BSC起着路由和基站资源分配的作用。多基站蜂窝网系统内有K个移动的用户终端，用户在基站间自由移动，标记任意一个用户为U_i，i＝1,2,...,K；移动用户终端通过定位系统获取当前经度、纬度、移动速度和移动方向数据，并将以上数据通过上行数据通道以固定频率或不定时方式上传到关联基站；基于移动的用户上传的历史经度、纬度、移动速度和移动方向数据，每个基站基于CTrack算法或其他现有算法预测各自关联的每个移动的用户U_i在接下来T个时隙的地理位置；再对未来T时隙内各基站传输数据给各用户所需的最小传输功率进行估计；基站控制中心基于该估计结果对各时隙内每个基站需要传输数据的目标用户和传输功率进行选择，最终只覆盖部分用户，发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，从而将在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件时总传输能耗降低。

一个时隙广播的多基站蜂窝网系统内的用户需要在T时隙内分别获取到同一文件，T的取值由对所请求文件的服务质量(QoS)决定。基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，基站在每个时隙可发送一个数据包。N的取值由信道容量以及所请求的文件大小决定。具体计算方法如下：

其中L[Kb]为所请求的文件大小,c[Kb/slot]为广播信道单个时间间隙所传输的数据量。基站对文件进行分割时，如文件长度不足，则在后面增加零补足长度。一个时隙广播的多基站蜂窝网系统需要在未来T个时隙内决定每个时隙内每个基站的发射功率以及传输内容。系统根据用户未来的移动路径以及信道质量决定每个时隙需要覆盖的目标用户，并选择合适的发射功率去覆盖上述目标用户。在完成“在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件”这样一个工作任务的时候，传统方案可能是每个时刻都覆盖所有用户，并且选择基站的最大传输功率去传输。而本方案的工作就是每个时隙只覆盖一部分用户，因此发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，没必要使用最大功率。本方案决定了每个时隙到底需要覆盖哪些用户、以及覆盖这些用户应该使用多大的传输功率。在完成在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件的工作任务时使用的总传输能耗比传统方法更少。

具体的，

当预测到移动用户未来的地理位置后，每个基站获取各自关联的每个用户U_i在第t个时隙相对基站BS_j的欧氏距离d_ijt，单位为千米；

传输功率的理论值Λ_ijt具体预测方法如下：

定义变量X_ijt来表征用户U_i是否是基站BS_j在第t个时隙的目标用户，当用户U_i是该目标用户时X_ijt＝1，否则X_ijt＝0；

令

表示基站BS_j在第t个时隙需要的发射功率，构建问

题如下：

C3:X_ijt＝0,ifΛ_ijt>P_jmax,for i＝1,2,...,K,

j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T.

C4：P_jt≥Λ_ijt·X_ijt，其中i＝1,2,...,K,

j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T；

如果P_jt＝0，则基站BS_j在第t个时隙不发送任何数据；

T个时隙后，每个用户利用高斯-约当消元法对自己所收到的数据包进行解码后按照数据包标头依次顺序进行拼合并删除末尾的连续0后，即可得到所请求的文件，传输过程完成。

如图1所示，首先等待用户请求数据，然后判断是否需要广播数据，如果结果为否，则继续等待用户请求数据；如果结果为是，则先预测用户未来位置，然后计算每个用户与各基站的预测距离，再计算每个用户相对个基站的预测信道增益，计算各基站传输数据包给个用户所需理论最小功率，再解算优化问题确定传输时序和传输功率，基站生成线性网络编码数据包，基站按照计算功率一次传输编码数据包，最后用于解码数据包。

例如某用户坐在行驶的汽车上的手机用户通过手机观看在线视频。现在要决定基站未来30秒(T)如何传数据给用户。该用户即将进入隧道里行驶15秒再出隧道行驶15秒，基站需要用10秒钟可传完用户需要观看的视频。传统方案之一是基站不管用户是否进入隧道，一直发送数据给用户。因此通常会选择前面10秒钟发送数据给用户。然而用户进入隧道后信号通常很差，因此基站要用较大的功率，比如20瓦，才能把数据发给用户，因此需要使用比较多的能耗。

但是换做本申请的方案，需要通过用户的移动轨迹判断用户未来的位置d_ijt.并且判断出将要进入隧道而且在隧道里面信号差，根据系统参数(基站天线增益、分配的带宽等)计算如果要传输数据给用户需要20瓦(Λ_ijt)的传输功率，但是等用户离开隧道后信号会变好，基站可能只用15瓦(Λ_ijt)就可以把数据传输给用户。下一步则是要判断到底应该选择哪些时间点传输数据给用户，也就是决定X_ijt在每个时隙到底是等于0还是等于1。比如本申请的方案可能就会选择等出了隧道再选10秒钟信号最好的点发送数据给用户。通过这种方式来减少基站传输数据用的能耗。该案例只有一个用户和一个基站，实际方案中涉及多个基站和多个用户，计算更为复杂。

实施例2

在实施例1的基础上，一个时隙广播的多基站蜂窝网系统下有2个基站，BS₁和BS₂，且基站通过核心网络(有线骨干网络)连接到基站控制中心(BSC)。每个基站半径为0.5Km,BS₁和BS₂基站中心距离为0.866Km。基站是由通信运营商所安装，因此基站的经纬度地理位置为已知参数。每个时隙间隔设置为0.167秒，基站广播信道速率值设定为250Kb/slot，广播信道带宽为2MHz。基站内有10个用户随机地分布在两个基站覆盖区域内，以一定的速度保持移动。每位用户以1秒/次的频率固定往基站上传自己当前GPS经纬度以及移动速度。系统中噪声系数N_F＝7dB；根据所使用的基站和移动终端，设置基站天线增益α_BS＝15dBi，用户终端天线增益α_m＝0dBi，基站最大发射功率P_1max＝P_2max＝46dBm；根据所选择移动终端的接收机灵敏度，设置移动用户终端所需的信噪比(SNR)阈值γ为3dB。

在某一时刻，分布在不同位置的用户需要同时通过移动网络观看某热门视频片段，该视频文件长度为3980Kb，对传输时间的QoS要求为5.01秒内完成传输。根据用户对QoS的要求，可确定系统需要进行预先资源分配的时间间隙数量T＝5.01/0.167＝30个。以及系统需要将文件切分的数据包个数：

由于分割16个数据所需总数据长度为16*250＝4000Kb，因此首先对原文件尾部顺序添加20Kb的二进制“0”补足长度为4000Kb后，再将文件切分为每个长度为250Kb的16个等长数据包。

进一步地，利用CTrack算法基于每位用户移动历史轨迹数据，对每位用户未来30个间隙内的移动轨迹进行预测，可计算出每位用户在未来30个间隙点的经纬度数据。基于基站中心点经纬度数据和预估的用户经纬度数据，可计算出每个时间间隙、每位用户分别距离每个基站的欧式距离d_ijt。

进一步的，将计算所得d_ijt以及系统参数w_ijt＝2MHz，N_F＝7dB代入

η_ijt＝-174+10*log(w_ijt)+N_F和PL＝128.1+37.6log₁₀(max(0.035,d_ijt))

即可获得噪声功率和路径损耗值。

进一步地，基于计算所得频率、η_ijt以及系统参数γ＝3dB，α_BS＝15dBi，α_m＝0dBi可根据Λ_ijt＝γ+PL+η_ijt-α_BS-α_m计算最小传输功率的理论值Λ_ijt。

进一步的，利用计算所得Λ_ijt以及系统参数P_1max＝P_2max＝46dBm，并定义变量

可建立优化问题：

C3:X_ijt＝0,ifΛ_ijt>P_jmax,for i＝1,2,...,10,j＝1,2,t＝1,2,...,30.

C4：P_jt≥Λ_ijt·X_ijt，其中i＝1,2,...,10,j＝1,2,t＝1,2,...,30；

进一步地，使用标准割平面法对上述优化问题进行求解，可得出X_ijt；

在接下来的t个时隙(t∈[1,30])内，BSC控制基站BS₁和BS₂按照如下方式传输数据包，首先计算P_jt：

如果P_jt＝0，则基站BS_j在第t个时隙不发送任何数据；

否则基站BS_j基于分割后的16个原始数据包，在有限域GF(256)通过线性随机编码算法生成一个编码包，然后以P_jt的传输功率广播给自己基站内的所有移动用户。

进一步地，30个时隙后，每个用户利用高斯-约当消元法对自己所收到的数据包进行解码后按照数据包标头依次顺序进行拼合，并去除末尾的连续0后，即可得到所请求的文件，传输过程完成。

Claims

1.一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：一个时隙广播的多基站蜂窝网系统下有M个基站，标记任意一个基站为BS_j，j＝1,2,...,M；基站通过核心网络连接到基站控制中心；在进行数据传输时，数据首先从服务器端传输到基站控制中心，再从基站控制中心传输到各个基站，最后由基站无线传输到各个用户，基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，多基站蜂窝网系统内有K个移动的用户终端，用户在基站间移动，标记任意一个用户为U_i，i＝1,2,...,K；移动用户终端通过定位系统获取当前经度、纬度、移动速度和移动方向数据，并将以上数据通过上行数据通道上传到关联基站；基于移动的用户上传的历史经度、纬度、移动速度和移动方向数据，每个基站预测各自关联的每个移动的用户U_i在接下来T个时隙的地理位置；再对未来T时隙内各基站传输数据给各用户所需的最小传输功率进行估计；基站控制中心基于估计结果对各时隙内每个基站需要传输数据的目标用户和传输功率进行选择，最终只覆盖部分用户，发射功率只需要使得信号覆盖这部分目标用户即可，从而将在规定T个时隙内向K个用户传输同一文件时总传输能耗降低；

当预测到移动用户未来的地理位置后，每个基站获取各自关联的每个用户U_i在第t个时隙相对基站BS_j的欧氏距离d_ijt；

传输功率的理论值Λ_ijt具体预测方法如下：

根据η_ijt＝-174+10*log(w_ijt)+N_F[dB]计算由基站BS_j在第t个时隙传输数据给用户U_i的噪声功率η_ijt，其中w_ijt[MHz]为在t时隙基站BS_j与用户U_i的通信带宽；N_F[dB]为噪声系数，w_ijt和N_F由具体的基站和终端设备确定；

根据Λ_ijt＝γ+PL+η_ijt-α_BS-α_m计算最小传输功率的理论值Λ_ijt，其中α_BS和α_m分别为基站天线增益和移动终端天线增益，由具体使用的设备决定；γ为移动用户终端所需的信噪比阈值，信噪比阈值根据系统中移动用户所使用终端的信号来决定，默认值为3dB；

令

表示基站BS_j在第t个时隙需要的发射功率，构建问题如下：

Minimize

Subject to C1:

for i＝1,2,...,K,

C2:

for i＝1,2,...,K,t＝1,2,...,T,

C3:X_ijt＝0,if Λ_ijt>P_jmax,for i＝1,2,...,K,j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T；

C4：P_jt≥Λ_ijt·X_ijt，其中i＝1,2,...,K,j＝1,2,...,M,t＝1,2,...,T；

其中P_jmax为基站BS_j允许的最大发射功率，由具体使用设备决定；使用标准割平面法对优化问题进行求解，可确定每个X_ijt到底取0还是取1。

2.根据权利要求1所述的一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：一个时隙广播的多基站蜂窝网系统内的用户需要在T时隙内分别获取到同一文件，基站传输文件时先将该文件分成N个等长的数据包后分时隙发送，基站在每个时隙发送一个数据包，基站对文件进行分割时，如文件长度不足，则在后面增加零补足长度。

3.根据权利要求1所述的一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：一个时隙广播的多基站蜂窝网系统需要在未来T个时隙内决定每个时隙内每个基站的发射功率以及传输内容，系统根据用户未来的移动路径以及信道质量决定每个时隙需要覆盖的目标用户，并选择合适的发射功率去覆盖上述目标用户。

4.根据权利要求1所述的一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：在接下来的t个时隙(t∈[1,T])内，BSC控制各基站BS_j(j∈[1,M])按照如下方式传输数据包，首先计算P_jt：

如果P_jt＝0，则基站BS_j在第t个时隙不发送任何数据；

否则基站BS_j基于分割后的N个原始数据包，在有限域通过线性随机编码算法生成一个编码包，然后以P_jt的传输功率广播给自己基站内的所有移动用户。

5.根据权利要求4所述的一种提高移动广播通信系统传输能耗效率的方法，其特征在于：T个时隙后，每个用户对自己所收到的数据包进行解码后按照数据包标头依次顺序进行拼合并删除末尾的连续0后，即可得到所请求的文件，传输过程完成。