CN112584335A - 一种融合社交属性d2d通信的混合能源基站节能方法 - Google Patents

一种融合社交属性d2d通信的混合能源基站节能方法 Download PDF

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CN112584335A CN202011486145.9A CN202011486145A CN112584335A CN 112584335 A CN112584335 A CN 112584335A CN 202011486145 A CN202011486145 A CN 202011486145A CN 112584335 A CN112584335 A CN 112584335A
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Abstract

本发明公开了一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法，包括如下步骤：1）构建异构网小区数据传输模型；2）得到D2D通信用户集合；3）可再生能源自适应感知用户‑基站关联；4）D2D用户对发射端一对一复用距离其最近的蜂窝用户的频谱资源；5）获得最优的带宽分配比例；6）计算相应用户在该基站上最终获得的发射功率；7）最终系统中基站总能源成本最优化。这种方法能有效降低宏基站上的负载压力、均衡各基站上的业务负载、在提高可再生能源利用效率的同时降低系统中基站消耗的总能源成本。

Description

一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体是一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，移动设备数量的大规模增加与通信业务的持续上涨，网络流量的需求也持续走高，根据思科公司的预测报告数据显示，到2022年，全球通信设备数量将有285亿个，高于2017年的180亿个。全球IP流量将从2017年的122艾字节/月，到2022年将增加到396艾字节/月，而视频数据将占全部IP流量的82％。结果表明，数据流量的激增导致基站(BS)能耗的急剧增长，使用常规能源为基站供能已经不能满足当今的科技发展趋势，绿色无污染的清洁能源的利用应运而生。由于可再生能源捕获具有随机性和不确定性，采用混合能源的形式为基站联合供能来保证为用户提供连续的服务。而设备到设备(Device-to-Device Communication，简称D2D)的直连通信技术是未来通信技术的发展方向，是蜂窝通信的有效补充手段，两种类型的用户同时使用同一信道，由此可以提升频谱的利用率，帮助蜂窝通信缓解一定的负载压力。
但是，由于D2D通信适用于近距离通信，经常发生在学校、办公室等场景，此时用户之间的社交关系、兴趣的相似性将会显著影响D2D通信发生的意愿，将社交因素考虑到资源管理问题中将有利于系统性能的提升和链路的稳定性。因此，如何更加有效地将D2D通信技术与蜂窝通信有效结合以实现混合能源供电下基站能耗的高效利用是目前需要解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法。这种方法能有效减轻宏基站上的负载压力、均衡各基站上的业务负载、在提高可再生能源利用效率的同时降低系统中基站消耗的总能源成本。
实现本发明目的的技术方案是：
一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法，包括如下步骤：
1)构建异构网小区数据传输网络模型：假设融合社交属性D2D通信用户和蜂窝用户通信的网络模型中有1个位于小区中心的宏基站MBS，在MBS覆盖范围内的有L个均匀分布的小蜂窝基站SCBSs和I个随机分布的用户UE，其中，L∈Ω，I∈U，传输网络内分布有两种通信模式的用户：具有社交属性的D2D通信用户DUE和传统蜂窝模式通信用户CUE，假设在一个时隙内1个CUE只能被1个BS服务，而一个BS可以同时服务多个CUE，每个基站有10MHz的可用带宽B；
2)筛选符合社交属性的D2D用户：先使传输网络中满足条件的用户建立D2D通信链接，初步缓解小区中基站上的负载，构建社交向量qu＝(a1,a2,...,ak,b1,b2,...,bk)，其中ai∈(0,1)，bi∈(0,1)，ai代表用户对不同事物的兴趣与否，bi则代表用户社交关系的远近程度，计算用户i1和i2之间的社交相似性ω(i1,i2)、社交距离
Figure BDA0002839404180000021
社交成本
Figure BDA0002839404180000022
公式如下：
Figure BDA0002839404180000023
Figure BDA0002839404180000024
Figure BDA0002839404180000025
其中，C为常数因子，则融合社交属性的D2D用户筛选策略为：
2-1)计算得到的社交距离
Figure BDA0002839404180000026
获得社会距离矩阵S；
2-2)若S中所有的用户间的社交距离都为∞，进入步骤2-6)；
2-3)从社交距离矩阵S中按顺序提取
Figure BDA0002839404180000027
2-4)若满足
Figure BDA0002839404180000028
且满足
Figure BDA0002839404180000029
与
Figure BDA00028394041800000210
则用户i1和用户i2成功建立D2D通信连接，
Figure BDA00028394041800000211
属于D2D通信用户集合，将第i1行和第i2列从S中剔除，更新S，同时从传输网络总服务用户集合中将i1，i2删掉，更新传输网络总服务用户集合
Figure BDA00028394041800000220
2-5)若不能同时满足
Figure BDA00028394041800000212
和
Figure BDA00028394041800000213
令
Figure BDA00028394041800000214
更新S，进入步骤2-3)；
2-6)重复步骤2-3)-2-5)，若
Figure BDA00028394041800000215
为空，则输出结果：D2D通信用户集合
Figure BDA00028394041800000216
蜂窝通信用户集合
Figure BDA00028394041800000217
否则进入步骤2-3)，实际场景中同时满足各种约束能够直接进行D2D通信的用户比较少，所以直接进行D2D通信的D2D用户数量应该小于BS上服务的蜂窝用户数量，即
Figure BDA00028394041800000218
3)可再生能源自适应感知用户-基站关联：结合可再生能源时间和空间上的多样性，将传输网络中的CUE进行可再生能源自适应感知用户-基站关联，进一步减轻宏基站上的负载，并均衡各基站上的业务负载，通过与能源短缺率
Figure BDA00028394041800000219
相关的权重因子ωj扩展小蜂窝基站的覆盖范围来卸载MBS上的负载压力，当小蜂窝基站的可再生能源存储富余时，扩大SCBSs覆盖范围吸引更多的蜂窝用户连接到小蜂窝基站上，当SCBSs的可再生能源存储不足时，缩小SCBSs的覆盖范围，舍弃一些蜂窝使SCBSs能更好地为其它关联蜂窝用户CUE提供服务，最佳用户-基站关联准则为：
Figure BDA0002839404180000031
Figure BDA0002839404180000032
Figure BDA0002839404180000033
Figure BDA0002839404180000034
其中，RSRPij代表最大参考信号接收功率，β为用户数量相关因子，Gj表示刚进入时隙τ时，SCBSj存储的可再生能源，Ej c表示基站BSj在时间间隔τ内的能源消耗量，二进制变量xij表示时间间隔内的基站和蜂窝用户的关联关系，
Figure BDA0002839404180000035
代表SCBSj的可再生能源短缺率，如果
Figure BDA0002839404180000036
则SCBSj存储的可再生能源不足以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，必须由电网能源供电，如果
Figure BDA0002839404180000037
则SCBSj存储的可再生能源可以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，甚至还有能源富余；
4)确定D2D用户对发射端一对一复用蜂窝用户的频谱资源：确定蜂窝用户关联方案后，考虑同频干扰，D2D用户对发射端一对一复用距离D2D用户对发射端最近的蜂窝用户的频谱资源；
5)带宽比例分配：引入带宽分配比例系数，利用拉格朗日对偶法和折半搜索迭代法获得最优的带宽分配比例bij *，由于Pij是假设用户占用相应基站的所有频率资源后的总发射功率，该总发射功率并不能代表该用户在该基站上最终获得的发射功率，因此，利用Pijbij正确反映用户i在获得部分基站j的资源后，带宽比例分配策略为公式(5)所示：
Figure BDA0002839404180000038
6)计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij：将获得的
Figure BDA0002839404180000039
代入
Figure BDA00028394041800000310
计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij；
7)计算系统中各基站的总能源成本W，使最终系统中基站总能源成本最优化：将蜂窝用户在基站上最终获得的发射功率pij进行求和并代入
Figure BDA00028394041800000311
得到基站的总消耗功率，其中μj为基站传输数据消耗的功率因子，
Figure BDA00028394041800000312
为静态电路消耗功率，在时间间隔τ内任意基站只能由一种能源供能，Ej c＝Pj allτ为基站在时间间隔τ内的能源消耗量，
Figure BDA0002839404180000041
代表刚进入时隙τ时，小蜂窝基站存储的可再生能源，θj为电池中低点能量阈值，
Figure BDA0002839404180000042
为可再生能源捕获量，G为上个时隙电池中存储的可再生能源，系统内各基站最终的总能源成本W为：
Figure BDA0002839404180000043
Figure BDA0002839404180000044
其中，m，n分别表示电网能源和可再生能源的单位价格，m＞n＞0，δj为基站消耗能量类型的指示函数，δj＝0表示只能使用电网能源。
本技术方案在步骤2)中，将现实场景中用户之间具有社会属性这一特征作为D2D通信用户筛选方案的判断准则，更加符合实际，D2D通信作为蜂窝通信的有效补充手段，有效减轻了蜂窝通信中基站的部分负载压力，在步骤3)中引入与能源短缺率相关的权重系数，让基站能够自适应地调节自身的负载，在进一步减轻了由电网能源供电的宏基站上的负载的同时也使各基站上的负载更加均衡。
这种方法能有效减轻宏基站上的负载压力、均衡各基站上的业务负载、在提高可再生能源利用效率的同时降低系统中基站消耗的总能源成本。
附图说明
图1为实施例中融合社交属性D2D通信用户和蜂窝用户通信的网络模型示意图；
图2为实施例中方法流程示意图；
图3为实施例方法中在系统用户数目递增的条件下各社交限制参数对D2D用户数目的影响示意图；
图4为实施例方法与其他方法在相同系统用户数目的条件下用户-基站关联情况对比示意图；
图5为实施例方法与其他方法在系统用户递增的条件下基站总能源成本的曲线图对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图2，一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法，包括如下步骤：
1)构建异构网小区数据传输网络模型：如图1所示，假设融合社交属性D2D通信用户和蜂窝用户通信的网络模型中有1个位于小区中心的宏基站MBS，在MBS覆盖范围内的有L个均匀分布的小蜂窝基站SCBSs和I个随机分布的用户UE，其中，L∈Ω，I∈U，传输网络内分布有两种通信模式的用户：具有社交属性的D2D通信用户DUE和传统蜂窝模式通信用户CUE，假设在一个时隙内1个CUE只能被1个BS服务，而一个BS可以同时服务多个CUE，每个基站有10MHz的可用带宽B；
2)筛选符合社交属性的D2D用户：先使传输网络中满足条件的用户建立D2D通信链接，初步缓解小区中基站上的负载，构建社交向量qu＝(a1,a2,...,ak,b1,b2,...,bk)，其中ai∈(0,1)，bi∈(0,1)，ai代表用户对不同事物的兴趣与否，bi则代表用户社交关系的远近程度，计算用户i1和i2之间的社交相似性
Figure BDA0002839404180000051
社交距离
Figure BDA0002839404180000052
社交成本
Figure BDA0002839404180000053
公式如下：
Figure BDA0002839404180000054
Figure BDA0002839404180000055
Figure BDA0002839404180000056
其中，C为常数因子，则融合社交属性的D2D用户筛选策略为：
2-1)计算得到的社交距离
Figure BDA0002839404180000057
获得社会距离矩阵S；
2-2)若S中所有的用户间的社交距离都为∞，进入步骤2-6)；
2-3)从社交距离矩阵S中按顺序提取
Figure BDA0002839404180000058
2-4)若满足
Figure BDA0002839404180000059
且满足
Figure BDA00028394041800000510
与
Figure BDA00028394041800000511
则用户i1和用户i2成功建立D2D通信连接，
Figure BDA00028394041800000512
属于D2D通信用户集合，将第i1行和第i2列从S中剔除，更新S，同时从传输网络总服务用户集合中将i1，i2删掉，更新传输网络总服务用户集合
Figure BDA00028394041800000513
2-5)若不能同时满足
Figure BDA00028394041800000514
和
Figure BDA00028394041800000515
令
Figure BDA00028394041800000516
更新S，进入步骤2-3)；
2-6)重复步骤2-3)-2-5)，若
Figure BDA00028394041800000517
为空，则输出结果：D2D通信用户集合
Figure BDA00028394041800000518
蜂窝通信用户集合
Figure BDA00028394041800000519
否则进入步骤2-3)，实际场景中同时满足各种约束能够直接进行D2D通信的用户比较少，所以直接进行D2D通信的D2D用户数量应该小于BS上服务的蜂窝用户数量，即
Figure BDA00028394041800000520
3)可再生能源自适应感知用户-基站关联：结合可再生能源时间和空间上的多样性，将传输网络中的CUE进行可再生能源自适应感知用户-基站关联，进一步减轻宏基站上的负载，并均衡各基站上的业务负载，通过与能源短缺率
Figure BDA0002839404180000061
相关的权重因子ωj扩展小蜂窝基站的覆盖范围来卸载MBS上的负载压力，当小蜂窝基站的可再生能源存储富余时，扩大SCBSs覆盖范围吸引更多的蜂窝用户连接到小蜂窝基站上，当SCBSs的可再生能源存储不足时，缩小SCBSs的覆盖范围，舍弃一些蜂窝使SCBSs能更好地为其它关联蜂窝用户CUE提供服务，最佳用户-基站关联准则为：
Figure BDA0002839404180000062
Figure BDA0002839404180000063
Figure BDA0002839404180000064
Figure BDA0002839404180000065
其中，RSRPij代表最大参考信号接收功率，β为用户数量相关因子，Gj表示刚进入时隙τ时，SCBSj存储的可再生能源，Ej c表示基站BSj在时间间隔τ内的能源消耗量，二进制变量xij表示时间间隔内的基站和蜂窝用户的关联关系，
Figure BDA0002839404180000066
代表SCBSj的可再生能源短缺率，如果
Figure BDA0002839404180000067
则SCBSj存储的可再生能源不足以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，必须由电网能源供电，如果
Figure BDA0002839404180000068
则SCBSj存储的可再生能源可以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，甚至还有能源富余；
4)确定D2D用户对发射端一对一复用蜂窝用户的频谱资源：确定蜂窝用户关联方案后，考虑同频干扰，D2D用户对发射端一对一复用距离D2D用户对发射端最近的蜂窝用户的频谱资源；
5)带宽比例分配：引入带宽分配比例系数，利用拉格朗日对偶法和折半搜索迭代法获得最优的带宽分配比例bij *，由于Pij是假设用户占用相应基站的所有频率资源后的总发射功率，该总发射功率并不能代表该用户在该基站上最终获得的发射功率，因此，利用Pijbij正确反映用户i在获得部分基站j的资源后，带宽比例分配策略为公式(5)所示：
Figure BDA0002839404180000069
6)计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij：将获得的
Figure BDA00028394041800000610
代入
Figure BDA0002839404180000071
计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij；
7)计算系统中各基站的总能源成本W，使最终系统中基站总能源成本最优化：将蜂窝用户在基站上最终获得的发射功率pij进行求和并代入
Figure BDA0002839404180000072
得到基站的总消耗功率，其中μj为基站传输数据消耗的功率因子，
Figure BDA0002839404180000073
为静态电路消耗功率，在时间间隔τ内任意基站只能由一种能源供能，Ej c＝Pj allτ为基站在时间间隔τ内的能源消耗量，
Figure BDA0002839404180000074
代表刚进入时隙τ时，小蜂窝基站存储的可再生能源，θj为电池中低点能量阈值，
Figure BDA0002839404180000075
为可再生能源捕获量，G为上个时隙电池中存储的可再生能源，系统内各基站最终的总能源成本W为：
Figure BDA0002839404180000076
Figure BDA0002839404180000077
其中，m，n分别表示电网能源和可再生能源的单位价格，m＞n＞0，δj为基站消耗能量类型的指示函数，δj＝0表示只能使用电网能源。
经过仿真验证结果证明本例方法相比未引入社交D2D的最大参考信号接收功率方案和未引入社交D2D的基站喜好因子方案，提升了传输网络中可再生能源的利用率，减轻了用户密集场景下的宏基站和小蜂窝基站负载，本例方法仿真参数见表1-表3
表1：
Figure BDA0002839404180000078
表2：
Figure BDA0002839404180000081
表3：
Figure BDA0002839404180000082
如图3所示，图3-(a)中在用户物理距离上下边界Dmin，Dmax和社交距离αth不变时，DUE用户数目随着社交成本λth的降低而减少，当λth＝3时，传输网络内所有用户都无法建立D2D通信连接，图3-(b)中显示，当固定用户社交距离和社交成本时，调节用户物理距离，也将会使一些原本社交关系强，但因物理距离过窄而无法进行D2D通信的用户成功建立D2D通信连接，另外从图3-(c)中还可看出，放宽社交距离也能使一些社交关系较弱的用户成功进行D2D通信。验证了本例方法的有效性；
如图4所示，在固定服务用户数量为50个，小蜂窝基站可再生能源捕获量为160J的情况下，与其他两种方案相比，本例方法明显卸载了宏基站基站上的负载，同时使小蜂窝基站上的用户负载更加均衡；
如图5所示，随着服务用户数的增加，传输网络中基站所花费的能源成本也随之提高，与其他方案相比，运用本例方法，能够在相同的条件下通过融合社会属性D2D通信和对用户-基站的自适应关联降低系统中各基站的总能源成本。
仿真结果证明本例方法能够有效提高可再生能源利用效率，减轻宏基站上的负载压力，降低系统中基站消耗的总能源成本。

Claims (1)

1.一种融合社交属性D2D通信的混合能源基站节能方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)构建异构网小区数据传输网络模型：假设融合社交属性D2D通信用户和蜂窝用户通信的网络模型中有1个位于小区中心的宏基站MBS，在MBS覆盖范围内的有L个均匀分布的小蜂窝基站SCBSs和I个随机分布的用户UE，其中，L∈Ω，I∈U，传输网络内分布有两种通信模式的用户：具有社交属性的D2D通信用户DUE和传统蜂窝模式通信用户CUE，假设在一个时隙内1个CUE只能被1个BS服务，而一个BS可以同时服务多个CUE，每个基站有10MHz的可用带宽B；
2)筛选符合社交属性的D2D用户：先使传输网络中满足条件的用户建立D2D通信链接，初步缓解小区中基站上的负载，构建社交向量qu＝(a1,a2,...,ak,b1,b2,...,bk)，其中ai∈(0,1)，bi∈(0,1)，ai代表用户对不同事物的兴趣与否，bi则代表用户社交关系的远近程度，计算用户i1和i2之间的社交相似性ω(i1,i2)、社交距离
Figure FDA0002839404170000011
社交成本
Figure FDA0002839404170000012
公式如下：
Figure FDA0002839404170000013
Figure FDA0002839404170000014
Figure FDA0002839404170000015
其中，C为常数因子，则融合社交属性的D2D用户筛选策略为：
2-1)计算得到的社交距离
Figure FDA0002839404170000016
获得社会距离矩阵S；
2-2)若S中所有的用户间的社交距离都为∞，进入步骤2-6)；
2-3)从社交距离矩阵S中按顺序提取
Figure FDA0002839404170000017
i1,
Figure FDA0002839404170000018
i1≠i2；
2-4)若满足
Figure FDA0002839404170000019
且满足
Figure FDA00028394041700000110
与
Figure FDA00028394041700000111
则用户i1和用户i2成功建立D2D通信连接，
Figure FDA00028394041700000112
属于D2D通信用户集合，将第i1行和第i2列从S中剔除，更新S，同时从传输网络总服务用户集合中将i1，i2删掉，更新传输网络总服务用户集合
Figure FDA00028394041700000113
2-5)若不能同时满足
Figure FDA00028394041700000114
和
Figure FDA00028394041700000115
令
Figure FDA00028394041700000116
更新S，进入步骤2-3)；
2-6)重复步骤2-3)-2-5)，若
Figure FDA00028394041700000117
为空，则输出结果：D2D通信用户集合
Figure FDA00028394041700000118
蜂窝通信用户集合
Figure FDA00028394041700000119
否则进入步骤2-3)，直接进行D2D通信的D2D用户数量小于BS上服务的蜂窝用户数量，即
Figure FDA00028394041700000120
3)可再生能源自适应感知用户-基站关联：结合可再生能源时间和空间上的多样性，将传输网络中的CUE进行可再生能源自适应感知用户-基站关联，通过与能源短缺率
Figure FDA0002839404170000021
相关的权重因子ωj扩展小蜂窝基站的覆盖范围来卸载MBS上的负载压力，当小蜂窝基站的可再生能源存储富余时，扩大SCBSs覆盖范围吸引更多的蜂窝用户连接到小蜂窝基站上，当SCBSs的可再生能源存储不足时，缩小SCBSs的覆盖范围，舍弃一些蜂窝使SCBSs能更好地为其它关联蜂窝用户CUE提供服务，最佳用户-基站关联准则为：
Figure FDA0002839404170000022
Figure FDA0002839404170000023
Figure FDA0002839404170000024
Figure FDA0002839404170000025
其中，RSRPij代表最大参考信号接收功率，β为用户数量相关因子，Gj表示刚进入时隙τ时，SCBSj存储的可再生能源，Ej c表示基站BSj在时间间隔τ内的能源消耗量，二进制变量xij表示时间间隔内的基站和蜂窝用户的关联关系，
Figure FDA0002839404170000026
代表SCBSj的可再生能源短缺率，如果
Figure FDA0002839404170000027
则SCBSj存储的可再生能源不足以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，必须由电网能源供电，如果
Figure FDA0002839404170000028
则SCBSj存储的可再生能源可以为其服务的蜂窝用户提供数据传输服务，甚至还有能源富余；
4)确定D2D用户对发射端一对一复用蜂窝用户的频谱资源：确定蜂窝用户关联方案后，考虑同频干扰，D2D用户对发射端一对一复用距离D2D用户对发射端最近的蜂窝用户的频谱资源；
5)带宽比例分配：引入带宽分配比例系数，利用拉格朗日对偶法和折半搜索迭代法获得最优的带宽分配比例bij *，Pij是假设用户占用相应基站的所有频率资源后的总发射功率，利用Pijbij正确反映用户i在获得部分基站j的资源后，带宽比例分配策略为公式(5)所示：
Figure FDA0002839404170000029
6)计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij：将获得的
Figure FDA00028394041700000210
代入
Figure FDA00028394041700000211
计算相应用户i在该基站j上最终获得的发射功率pij；
7)计算系统中各基站的总能源成本W，使最终系统中基站总能源成本最优化：将蜂窝用户在基站上最终获得的发射功率pij进行求和并代入
Figure FDA0002839404170000031
得到基站的总消耗功率，其中μj为基站传输数据消耗的功率因子，
Figure FDA0002839404170000032
为静态电路消耗功率，在时间间隔τ内任意基站只能由一种能源供能，Ej c＝Pj allτ为基站在时间间隔τ内的能源消耗量，
Figure FDA0002839404170000033
代表刚进入时隙τ时，小蜂窝基站存储的可再生能源，θj为电池中低点能量阈值，
Figure FDA0002839404170000034
为可再生能源捕获量，G为上个时隙电池中存储的可再生能源，系统内各基站最终的总能源成本W为：
Figure FDA0002839404170000035
Figure FDA0002839404170000036
其中，m，n分别表示电网能源和可再生能源的单位价格，m＞n＞0，δj为基站消耗能量类型的指示函数，δj＝0表示只能使用电网能源。
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