CN113766573A - 考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，所述评估方法包括以下步骤：建立单个基站业务流量与功耗模型；建立单个基站休眠与负载均衡模型，并确定单个通信基站备用储能可调容量；建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量。本发明评估方法，建立分析了建立单个基站业务流量与功耗模型，并基于距离感知研究基站休眠与负载均衡策略，评估活跃基站的负载情况，以达到很好的节能效果，其次确定单个通信基站备用储能可调容量，并建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量，为通信基站备用储能参与电力系统调度、实现可再生能源消纳提供了技术支撑。

Description

考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体是考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法。

背景技术

随着第五代移动通信(5G)技术的快速发展，为保证通信可靠性，移动铁塔基站通常均配备有柴油发电机和备用储能设备，避免出现基站停电状况。基站备用需求与实时负载流量线性相关，在非满负载时，基站备用储能容量扣除动态备用需求后仍具备一定调节潜力。5G具有高传输速率、高带宽、低时延以及高可用度等性能，但是基站功耗随之大幅增加，通常采用基站休眠作为重要的节能手段。

基站休眠是根据接入通信网中业务流量负载的大小决定基站的休眠与否，采用关闭部分低负载活跃基站的措施来实现节能效果。但该策略没有评估基站关闭后的网络覆盖以及基站的负载均衡情况。现有关于评估基站备用储能设备可调潜力的研究较少，也未曾研究基站休眠技术下，考虑负载均衡、用户通信质量以及动态备用需求的基站储能设备可调容量评估与计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，建立分析了建立单个基站业务流量与功耗模型，并基于距离感知研究基站休眠与负载均衡策略，当部分基站休眠关闭后，邻近活跃基站在对休眠基站区域的用户提供通信服务前，需评估活跃基站的负载情况，避免造成基站负载不均衡，导致降低网络的服务质量的情况发生，以达到很好的节能效果，其次确定单个通信基站备用储能可调容量，并建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量，为通信基站备用储能参与电力系统调度、实现可再生能源消纳提供了技术支撑。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，所述评估方法包括以下步骤：

S1、建立单个基站业务流量与功耗模型。

S2、建立单个基站休眠与负载均衡模型，并确定单个通信基站备用储能可调容量。

S3、建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量。

进一步的，所述S1包括：某区域内N个通信基站设施，通信基站集合 B＝{1,2,…,N}，且在未实施休眠节能策略时均处于正常工作状态，建立业务模型与功耗模型。

进一步的，所述业务模型包括：设定某区域内各基站间的业务量变化相互独立，且基站日业务量呈周期性变化，而基站资源利用率与连接到基站的用户数线性相关；基站通信网络中业务流量产生模式服从排队论中经典的M/M/s/K 多服务台排队模型：服务时间服从指数分布，平均值为1/μ；用户到达间隔服从均值为1/λ的指数分布，单位是s/call。单基站可以同时提供服务的最大业务量呼叫数为：

c＝C/R

上式中：C为单基站总带宽；R表示当一个业务量呼叫发生时，基站为用户提供服务的恒定比特率，即发射功率。

基站的状态是以用户的数目为特征的，通过M/M/s/K多服务台排队论系统状态平衡方程求得：

上式中：P_n表示有n个业务量的概率；设定ρ为通信强度，可表示相对的流量负载，ρ＝λ/cμ；α为通信率，α＝λ/μ。

进一步的，所述功耗模型包括：基站功耗包括传输功耗、计算功耗和额外功耗。传输功耗由功率放大器和射频部分的耗电量构成，占比最高；计算功耗指室内基带处理单元消耗的电量；额外功耗则是指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的消耗；

基站功耗模型可模拟为线性方程，由静态功耗与动态功耗组成，动态功耗 P(t)与实时业务量相关:

上式中：P₀为处于活跃状态的基站静态功耗；P_i为有i个业务量的概率；

为处于活跃状态的基站平均动态功耗；P_TR,i为基站只提供一个业务量时的功率消耗；t_TR,i为同时提供i个业务量所需时间，t_TR,i＝1/iμ；P_r为处于空闲状态的基站静态功耗；

基站同时服务i个呼叫时的发射功率P_TR,i可表示为

上式中：

为基站业务量；β,γ为路径损耗系数；R_cell为基站服务半径；N₀为加性高斯白噪声功率谱密度；A为天线增益。

进一步的，所述S2包括：基站业务流量负载低于限值，根据网络流量负载情况以及用户与其关联基站的距离可动态地关闭多余的基站，需要采用基站休眠策略评估基站关闭前，其关联的活跃基站的负载情况，确保活跃基站的负载均衡；再对单基站备用储能可调容量进行评估。

进一步的，所述基站休眠策略包括：v_i、v_m分别表示基站i与基站m的工作状态，0为休眠，1为正常工作活跃状态；

令基站i下用户集合U_i，对于基站i下的用户u，其与关联基站的距离为d_u：

上式中：d_ii为基站i下的用户u与基站i中心的距离；d_im为基站i与基站m 的距离；d_ij为基站i与基站j的距离；

基站i下用户可关联的邻居基站集合为N_i，如果关闭基站i，则用户关联到可关联基站集合N_i中最临近的活跃基站，可关联到基站i的用户所属的基站集合为C_i；当基站负载量低于一定程度时将其休眠关闭，C_i中基站j关闭时，如果基站i是邻居基站j的最相邻活跃基站，则基站j卸载流量到基站i，即：

上式中：ρ_i为基站i原始负载；ρ’_i为基站i进行节能休眠操作后的负载；与基站i的工作状态及可关联到基站i的邻居基站的工作状态相关；ρ_j为基站j 原始负载；ρ’_j为基站j进行节能休眠操作后的负载；与基站j的工作状态及可关联到基站j的邻居基站的工作状态相关；Ρ_min为基站j的最小负荷；d_jm为基站 j与基站m的距离；d_ji为基站i与基站j的距离；

上式中：N_j为基站j的可关联基站集合；

采取休眠策略后，经S1中功耗模型可得基站实际功耗；

利用Jain公平指数(Jain Fairness Index)引入负荷均衡度指标LB，当活跃基站间的负载完全平衡，即每个基站的负载都相等时，LB＝1,LB的值越小，基站间的负载就越不平衡；

负荷均衡度指标LB计算方法如下：

可增加约束条件LB≥LB_min，LB_min表示最小负荷均衡度要求。

进一步的，所述单基站备用储能可调容量可分为两部分：一部分留作动态备用需求，另一部分为可供调用储能，可调度容量如下：

式中，Q_i为基站备用储能配置容量；

为t时刻基站i备用需求；T_backup,i为t时刻基站i所需备用时长；Q_dispatch,i为基站i可供调用储能；P_i(tt)为tt时段 (tt-1～tt)基站i功耗。

进一步的，所述S3包括建立通信基站备用储能模型；

通信基站备用储能模型如下：

充放电功率约束：

电池容量约束：

W^min≤W^t≤W^max

用户通信质量约束：

上式中：W^t为t时刻储能设备蓄电量；W^t+1为t+1时刻储能设备蓄电量；

分别为t时段调用基站储能进行充放电操作功率；W^max、W^min为储能设备容量上下限。η_c，η_d为备用储能充放电效率；α为布尔变量，备用储能充电时为1，放电时为0；Δt为单位时段，通常取1小时；P_max，P_min表示备用储能充放电功率的上下限；SINR_iu为用户u与基站i关联时的信干噪比；R_i为基站i的发射功率；G_iu、G_ju为信道传输系数；σ₀为高斯白噪声；γ_min为用户质量最小限制。

进一步的，所述S3包括各项约束下区域内基站最大调节潜力评估：

考虑一天之内负载均衡和备用需求的基站储能设施最大调节潜力评估模型如下：

约束条件：

LB≥LB_min

W^min≤W^t≤W^max

SINR_iu≥γ_min

该模型为混合整数非线性优化问题，可采用商用软件GAMS进行求解。

本发明的有益效果：

1、本发明评估方法，建立分析了建立单个基站业务流量与功耗模型，并基于距离感知研究基站休眠与负载均衡策略，当部分基站休眠关闭后，邻近活跃基站在对休眠基站区域的用户提供通信服务前，需评估活跃基站的负载情况，避免造成基站负载不均衡，导致降低网络的服务质量的情况发生，以达到很好的节能效果；

2、本发明评估方法，确定单个通信基站备用储能可调容量，并建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量，为通信基站备用储能参与电力系统调度、实现可再生能源消纳提供了技术支撑。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，评估方法包括以下步骤：

S1、建立单个基站业务流量与功耗模型

某区域内N个通信基站设施，通信基站集合B＝{1,2,…,N}，且在未实施休眠节能策略时均处于正常工作状态。

①业务模型

设定某区域内各基站间的业务量变化相互独立，且基站日业务量呈周期性变化，而基站资源利用率与连接到基站的用户数线性相关。基站通信网络中业务流量产生模式服从排队论中经典的M/M/s/K多服务台排队模型：服务时间服从指数分布，平均值为1/μ；用户到达间隔服从均值为1/λ的指数分布，单位是 s/call。单基站可以同时提供服务的最大业务量呼叫数为：

c＝C/R

上式中：C为单基站总带宽；R表示当一个业务量呼叫发生时，基站为用户提供服务的恒定比特率，即发射功率。

基站的状态是以用户的数目为特征的，通过M/M/s/K多服务台排队论系统状态平衡方程求得：

上式中：P_n表示有n个业务量的概率；设定ρ为通信强度，可表示相对的流量负载，ρ＝λ/cμ；α为通信率，α＝λ/μ。

②功耗模型

基站功耗包括传输功耗、计算功耗和额外功耗。传输功耗由功率放大器和射频部分的耗电量构成，占比最高，主要包括基带信号与无线信号之间的信号转换，以及馈电线的功耗等；计算功耗指室内基带处理单元消耗的电量，包括数字部分处理、与核心网和其他基站间通信等相关功耗；额外功耗则是指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的消耗，包括空调功耗等。基站功耗模型可模拟为线性方程，由静态功耗与动态功耗组成，动态功耗P(t)与实时业务量相关:

上式中：P₀为处于活跃状态的基站静态功耗；P_i为有i个业务量的概率；

为处于活跃状态的基站平均动态功耗；P_TR,i为基站只提供一个业务量时的功率消耗；t_TR,i为同时提供i个业务量所需时间，t_TR,i＝1/iμ；P_r为处于空闲状态的基站静态功耗。

基站同时服务i个呼叫时的发射功率P_TR,i可表示为

上式中：

为基站业务量；β,γ为路径损耗系数；R_cell为基站服务半径； N₀为加性高斯白噪声功率谱密度；A为天线增益。

S2、建立单个基站休眠与负载均衡模型，并确定单个通信基站备用储能可调容量

若基站业务流量负载低于限值，根据网络流量负载情况以及用户与其关联基站的距离可动态地关闭多余的基站，如此不仅能够降低网络的能量损耗，而且提高了基站资源的利用率。另外，在决定基站关闭之前需对活跃基站的负载进行评估，确保活跃基站的负载均衡，可以有效提高网络通信质量。

1)基站休眠策略

v_i、v_m分别表示基站i与基站m的工作状态，0为休眠，1为正常工作活跃状态；

令基站i下用户集合U_i，对于基站i下的用户u，其与关联基站的距离为d_u：

上式中：d_ii为基站i下的用户u与基站i中心的距离；d_im为基站i与基站m 的距离；d_ij为基站i与基站j的距离；

基站i下用户可关联的邻居基站集合为N_i，如果关闭基站i，则用户关联到可关联基站集合N_i中最临近的活跃基站，可关联到基站i的用户所属的基站集合为C_i；当基站负载量低于一定程度时将其休眠关闭，C_i中基站j关闭时，如果基站i是邻居基站j的最相邻活跃基站，则基站j卸载流量到基站i，即：

上式中:ρ_i为基站i原始负载；ρ’_i为基站i进行节能休眠操作后的负载；与基站i的工作状态及可关联到基站i的邻居基站的工作状态相关；ρ_j为基站j原始负载；ρ’_j为基站j进行节能休眠操作后的负载；与基站j的工作状态及可关联到基站j的邻居基站的工作状态相关；Ρ_min为基站j的最小负荷；d_jm为基站j 与基站m的距离；d_ji为基站i与基站j的距离；

上式中，N_j为基站j的可关联基站集合。

采取休眠策略后，经S1中功耗模型可得基站实际功耗。

利用Jain公平指数(Jain Fairness Index)引入负荷均衡度指标LB，当活跃基站间的负载完全平衡，即每个基站的负载都相等时，LB＝1。LB的值越小，基站间的负载就越不平衡。增加负载均衡约束一方面保证区域内的基站资源都能够充分使用，减少资源闲置，从而提升整个网络的使用效率；另一方面，随着部分用户和流量分流到了资源较为闲置的基站，用户得到的平均网络资源提高了，满意度也将提高。

负荷均衡度指标LB计算方法如下：

可增加约束条件LB≥LB_min，LB_min表示最小负荷均衡度要求。

2)备用储能可调容量评估

单基站备用储能容量可分为两部分，一部分留作动态备用需求，另一部分为可供调用储能。可调度容量如下：

上式中：Q_i为基站备用储能配置容量；

为t时刻基站i备用需求；T_backup,i为t时刻基站i所需备用时长；Q_dispatch,i为基站i可供调用储能；P_i(tt)为tt时段 (tt-1～tt)基站i功耗。

S3、建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量。

①通信基站备用储能模型如下：

充放电功率约束：

电池容量约束：

W^min≤W^t≤W^max

用户通信质量约束：

上式中：W^t为t时刻储能设备蓄电量；W^t+1为t+1时刻储能设备蓄电量；

分别为t时段调用基站储能进行充放电操作功率；W^max、W^min为储能设备容量上下限。η_c，η_d为备用储能充放电效率；α为布尔变量，备用储能充电时为1，放电时为0；Δt为单位时段，通常取1小时；P_max，P_min表示备用储能充放电功率的上下限；SINR_iu为用户u与基站i关联时的信干噪比；R_i为基站i的发射功率；G_iu、G_ju为信道传输系数；σ₀为高斯白噪声；γ_min为用户质量最小限制。

②各项约束下区域内基站最大调节潜力评估：

考虑一天之内负载均衡和备用需求的基站储能设施最大调节潜力评估模型如下：

约束条件：

LB≥LB_min

W^min≤W^t≤W^max

SINR_iu≥γ_min

该模型为混合整数非线性优化问题，可采用商用软件GAMS进行求解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述评估方法包括以下步骤：

S1、建立单个基站业务流量与功耗模型；

S2、建立单个基站休眠与负载均衡模型，并确定单个通信基站备用储能可调容量；

S3、建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量。

2.根据权利要求1所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述S1包括：某区域内N个通信基站设施，通信基站集合B＝{1,2,…,N}，且在未实施休眠节能策略时均处于正常工作状态，建立业务模型与功耗模型。

3.根据权利要求2所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述业务模型包括：设定某区域内各基站间的业务量变化相互独立，且基站日业务量呈周期性变化，而基站资源利用率与连接到基站的用户数线性相关；基站通信网络中业务流量产生模式服从排队论中经典的M/M/s/K多服务台排队模型：服务时间服从指数分布，平均值为1/μ；用户到达间隔服从均值为1/λ的指数分布，单位是s/call。单基站可以同时提供服务的最大业务量呼叫数为：

c＝C/R

上式中：C为单基站总带宽；R表示当一个业务量呼叫发生时，基站为用户提供服务的恒定比特率，即发射功率。

基站的状态是以用户的数目为特征的，通过M/M/s/K多服务台排队论系统状态平衡方程求得：

上式中：P_n表示有n个业务量的概率；设定ρ为通信强度，可表示相对的流量负载，ρ＝λ/cμ；α为通信率，α＝λ/μ。

4.根据权利要求2所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述功耗模型包括：基站功耗包括传输功耗、计算功耗和额外功耗。传输功耗由功率放大器和射频部分的耗电量构成，占比最高；计算功耗指室内基带处理单元消耗的电量；额外功耗则是指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的消耗；

基站功耗模型可模拟为线性方程，由静态功耗与动态功耗组成，动态功耗P(t)与实时业务量相关:

上式中：P₀为处于活跃状态的基站静态功耗；P_i为有i个业务量的概率；

为处于活跃状态的基站平均动态功耗；P_TR,i为基站只提供一个业务量时的功率消耗；t_TR,i为同时提供i个业务量所需时间，t_TR,i＝1/iμ；P_r为处于空闲状态的基站静态功耗；

基站同时服务i个呼叫时的发射功率P_TR,i可表示为

上式中：

为基站业务量；β,γ为路径损耗系数；R_cell为基站服务半径；N₀为加性高斯白噪声功率谱密度；A为天线增益。

5.根据权利要求1所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述S2包括：基站业务流量负载低于限值，根据网络流量负载情况以及用户与其关联基站的距离可动态地关闭多余的基站，需要采用基站休眠策略评估基站关闭前，其关联的活跃基站的负载情况，确保活跃基站的负载均衡；再对单基站备用储能可调容量进行评估。

6.根据权利要求5所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述基站休眠策略包括：v_i、v_m分别表示基站i与基站m的工作状态，0为休眠，1为正常工作活跃状态；

令基站i下用户集合U_i，对于基站i下的用户u，其与关联基站的距离为d_u：

上式中：d_ii为基站i下的用户u与基站i中心的距离；d_im为基站i与基站m的距离；d_ij为基站i与基站j的距离；

基站i下用户可关联的邻居基站集合为N_i，如果关闭基站i，则用户关联到可关联基站集合N_i中最临近的活跃基站，可关联到基站i的用户所属的基站集合为C_i；当基站负载量低于一定程度时将其休眠关闭，C_i中基站j关闭时，如果基站i是邻居基站j的最相邻活跃基站，则基站j卸载流量到基站i，即：

ρ_i为基站i原始负载；ρ’_i为基站i进行节能休眠操作后的负载；与基站i的工作状态及可关联到基站i的邻居基站的工作状态相关；ρ_j为基站j原始负载；ρ’_j为基站j进行节能休眠操作后的负载；与基站j的工作状态及可关联到基站j的邻居基站的工作状态相关；Ρ_min为基站j的最小负荷；d_jm为基站j与基站m的距离；d_ji为基站i与基站j的距离；

上式中：N_j为基站j的可关联基站集合；

采取休眠策略后，经S1中功耗模型可得基站实际功耗；

利用Jain公平指数(Jain Fairness Index)引入负荷均衡度指标LB，当活跃基站间的负载完全平衡，即每个基站的负载都相等时，LB＝1,LB的值越小，基站间的负载就越不平衡；

负荷均衡度指标LB计算方法如下：

可增加约束条件LB≥LB_min，LB_min表示最小负荷均衡度要求。

7.根据权利要求5所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述单基站备用储能可调容量可分为两部分：一部分留作动态备用需求，另一部分为可供调用储能，可调度容量如下：

上式中：Q_i为基站备用储能配置容量；

为t时刻基站i备用需求；T_backup,i为t时刻基站i所需备用时长；Q_dispatch,i为基站i可供调用储能；P_i(tt)为tt时段(tt-1～tt)基站i功耗。

8.根据权利要求1所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述S3包括建立通信基站备用储能模型；

通信基站备用储能模型如下：

充放电功率约束：

电池容量约束：

W^min≤W^t≤W^max

用户通信质量约束：

上式中：W^t为t时刻储能设备蓄电量；W^t+1为t+1时刻储能设备蓄电量；P_c ^t，P_d ^t分别为t时段调用基站储能进行充放电操作功率；W^max、W^min为储能设备容量上下限。η_c，η_d为备用储能充放电效率；α为布尔变量，备用储能充电时为1，放电时为0；Δt为单位时段，通常取1小时；P_max，P_min表示备用储能充放电功率的上下限；SINR_iu为用户u与基站i关联时的信干噪比；R_i为基站i的发射功率；G_iu、G_ju为信道传输系数；σ₀为高斯白噪声；γ_min为用户质量最小限制。

9.根据权利要求8所述的考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，其特征在于，所述S3包括各项约束下区域内基站最大调节潜力评估：

考虑一天之内负载均衡和备用需求的基站储能设施最大调节潜力评估模型如下：

约束条件：

LB≥LB_min

W^min≤W^t≤W^max

SINR_iu≥γ_min

该模型为混合整数非线性优化问题，可采用商用软件GAMS进行求解。