一種超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能量有效資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能量有效資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提升無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率，滿足用戶爆炸式的的數(shù)據(jù)速率需求，3GPP LTE-A提出一種在傳統(tǒng)蜂窩宏站覆蓋范圍內(nèi)密集部署同頻微微站、毫微微站和中繼等低功 率小站的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) [1]。通過超密集部署小站可以提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量和覆蓋 范圍，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)中基站之間的互干擾也大幅提升，限制了網(wǎng)絡(luò)性能 的進(jìn)一步提升。十二五以來，我國(guó)越來越注重環(huán)境保護(hù)以及二氧化碳的排放，節(jié)能減排，降 低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，綠色通信成為了通信行業(yè)的主旋律。因此，通信行業(yè)內(nèi)專家們認(rèn)為如何克 服網(wǎng)絡(luò)性能的提升與網(wǎng)絡(luò)中能量消耗和干擾的提升之間的沖突，提升網(wǎng)絡(luò)能量效率將成為 下一階段通信行業(yè)研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)際上兩大合作項(xiàng)目MVCE和EARTH也都投入了大量的 人力和物力進(jìn)行有關(guān)能量效率的研究 [2'3]。
[0003] 現(xiàn)有的關(guān)于能量效率的技術(shù)方案中，一部分僅考慮同類基站之間的資源分配以達(dá) 到抑制同層干擾或跨層干擾的問題。另一部分雖然考慮了干擾的不同情況，但是這些方案 卻導(dǎo)致了頻譜效率利用率低和子載波分配自由度低的問題，這些在實(shí)際系統(tǒng)中很難被應(yīng) 用。在文獻(xiàn)[4]中，作者提出一種在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于改進(jìn)粒子群算法的微微站發(fā)射功率和小 區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)的優(yōu)化算法。該算法將各個(gè)微微站的發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)建模成 一個(gè)優(yōu)化問題，約束條件包括微微站的功率小于最大值和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)小于最大值， 采用改進(jìn)粒子群算法對(duì)該問題進(jìn)行求解，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)化微微站能量效率的目的。
[0004] 文獻(xiàn)[4]的算法具體步驟如下：
[0005] 網(wǎng)絡(luò)模型和系統(tǒng)參數(shù):假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中有0個(gè)宏站、P個(gè)微微站和U個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)中 總的站點(diǎn)集合記為C= {Cm，Cp}。其中，宏站集合記為Cm= {mi，m2，"_，me}，宏站發(fā)射功率均為 Pm。微微站集合記為CP= {Pl，p2,…，pP}，微微站的發(fā)射功率可調(diào)，最大的發(fā)射功率記為。 微微站的小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)可調(diào)，最大的小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)記為sr5 ,迭代次數(shù)和重新初 始化次數(shù)分別記為t、s，最大迭代次數(shù)和最大重新初始化次數(shù)分別為tlter、tre5S，初始化迭代 次數(shù)t = 0和重新初始化次數(shù)s = 0。
[0006] 第一步:初始每個(gè)微微站候選發(fā)射功率集合，小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合，微微站的功 率調(diào)整尺度集合和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度集合。隨機(jī)初始化N個(gè)微微站候選發(fā)射功率 集合廬(〇(/ = 1,2，~，]\〇和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合漢(〇(/ = 1,:2>"。況），以及相應(yīng)的功率調(diào)整 尺度集合夕(〇(，? = U,…，#)和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度集合(/ = I,2,…TV)。其中， 每個(gè)候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合、發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度集合 均包含P個(gè)微微站的候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)、功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺 度，即 #(，)={以 漢(，)=K(，)，〇)，…O)}， 以(，)={&(，)，&⑷，…，&⑷}和 = 7； (〇,???,〇)卜微微站的候選發(fā)射功率，候選小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)，功率調(diào) 整尺度和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)需滿足g 4〇，fx]，^ ep,5^x]^ 和 r；；e[-5；a\5；-],jep
[0007]第二步：計(jì)算各候選功率集合和候選小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能量效 率。用戶u(ueu)計(jì)算其接收到的來自各個(gè)站點(diǎn)的參考信號(hào)接收功率RSRPu>c；(ueU，CeC)和 相應(yīng)的小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)B。，用戶選擇最大RSRP U,C+BC的作為其服務(wù)小區(qū)記為Cu，并將相關(guān) 信息反饋給服務(wù)小區(qū)，各個(gè)服務(wù)小區(qū)計(jì)算用戶在每個(gè)候選功率集合和候選小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏 執(zhí)集合下的可達(dá)速率^十）。然后，微微站計(jì)算每個(gè)候選功率和候選小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合 對(duì)應(yīng)的吞吐量T(PUt))，如公式1所示，并反饋給宏站。最后，宏站統(tǒng)計(jì)其覆蓋范圍下的微微 站的總吞吐量和相應(yīng)的功率消耗，計(jì)算系統(tǒng)中微微站的能量效率，如公式2所示。
[0010] 其中，T為微微站的吞吐量，即為微微站內(nèi)用戶的速率之和； < 為小區(qū)i內(nèi)的第u個(gè) 用戶的速率;Wu為第i個(gè)粒子中用戶u所分配的帶寬； < 第i個(gè)粒子中u的服務(wù)小區(qū)Cu所對(duì)應(yīng) 的發(fā)射功率;PP為網(wǎng)絡(luò)微微站所消耗的功率總和;L為負(fù)載因子，當(dāng)微微站內(nèi)有用戶時(shí)該值 為1，否則為〇; At為微微站的發(fā)射功率功放乘子；#為微微站處于空閑狀態(tài)時(shí)功率消耗； P/為微微站處于休眠狀態(tài)時(shí)功率消耗。
[0011] 第三步:更新自身和全局最優(yōu)的發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合。若迭代輪數(shù)t = 〇，各站點(diǎn)將當(dāng)前發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合作為自身最優(yōu)集合，記為g (〇)和玟.(〇)， 其中，F(xiàn) (0) = F (0)和雙（0)=漢（0)比較上一步(若t=〇,則就是當(dāng)前時(shí)刻)得到的所有候選 集合對(duì)應(yīng)的各個(gè)能量效率，將能量效率最大的集合作為當(dāng)前全局最優(yōu)集合，記為巧(〇)和叫0)， 其中，''V川=arg max"丨(7，'（0)，F(xiàn) (〇))和民（0) = arg max VJ{r) ' 得到的各候選集合的能量效率與上一輪自身迭代及全局最優(yōu)集合的能量效率做比較，若對(duì) V/ e [丨，叫，飛,(P'⑴，漢⑴)> (C (卜-丨)，& (，.-丨》^ 緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合e (，)=穸(，)和玟(0 =玫(0，否則，V (，) = C (r - 1)和琿(r)=琿(r-1);若 1)及(卜i))，則更新全局最優(yōu)功率集合巧(0=畔=叫4^ 和最優(yōu)小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合 AG)^^-1)。由于和坎⑷以及R⑴和巧⑴是由尹⑷和玫⑴替換得到，因此 如..^'⑴A (0)以及％,..(以0及⑶可由能量效率計(jì)算公式⑵得到。
[0012 ] 第四步：更新迭代輪數(shù)t = t+l。
[0013] 第五步:更新候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度以及候選發(fā)射功率和小 區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合。計(jì)算新的功率調(diào)整尺度集合SHt)和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度集 合f (f)以及候選發(fā)射功率集合P (f)和候選小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合F (小如公式3到公式 6所示：
[0014] S ⑴=(，-1) + % (尸'(卜 1) - (，- 1)) + cV.2 (巧(卜 1)-浐(/ - 1)) G )
[0015] P,(/) = 7-7/(/-l) + 5,(〇 (4)
[0016] 廠(./) = .(wF' ( / - 1).+Wi (耳:(f - 1.)-.沒! (/ - 1)).+cy2 (I1 .，1) - -.1)) (5 )
[0017] 5/(〇 = F(^-l) + T/(/) C6)
[0018] 其中，參數(shù)ri、r2為在[0，1]區(qū)間之內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，為了保證算法迭代過程的收斂性， 限制慣性權(quán)重因子《及算法加速因子(^、(3 2的取值范圍如式7所示： 0 < (B < 1
[0019] " 0 < c^] +c2r2 < 4 (7) co> -rc-.r.)/2 -1
[0020] 第六步:算法結(jié)束條件判斷。若t〈tlter，且所有候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展集合 與全局最優(yōu)發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合間的距離之和大于規(guī)定門限值￡，則算法回 到第二步，計(jì)算各更新的候選功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合對(duì)應(yīng)的微微站能量效率并更新 自身及全局最優(yōu)發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合;否則，算法進(jìn)行第七步。
[0021 ]第七步:算法中重新初始化結(jié)束條件判斷。若S〈tras，則設(shè)置重新初始化次數(shù)為s = s+1。令t = 0,重新初始化N-1種候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合，與當(dāng)前全局最優(yōu)功 率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合一起作為新的N種候選發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合，并 重新初始化N種發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)調(diào)整尺度，算法返回到第二步;計(jì)算各新的候 選集合對(duì)應(yīng)的微微站能量效率并更新自身及全局最優(yōu)發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合； 否則，進(jìn)行第八步。
[0022]第八步：停止，按照得到的全局最優(yōu)發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)集合設(shè)置各微 微站的發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)。
[0023]上述方法存在如下的缺點(diǎn)：
[0024] 1、忽略宏站資源分配。由于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，宏站才是網(wǎng)絡(luò)中的主要能量消耗源，但 是現(xiàn)有的方案中沒有考慮對(duì)宏站資源的分配。
[0025] 2、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型忽略用戶速率限制。在進(jìn)行資源分配的過程中，由于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化 目標(biāo)是能量效率，網(wǎng)絡(luò)中的基站將會(huì)以節(jié)能為首要目標(biāo)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的用戶速率沒有 辦法保證。
[0026] 3、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)只考慮微微站能量效率?，F(xiàn)有方案對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的建模只是考慮了微 微站的能量效率，而沒有考慮全網(wǎng)能量效率。由于在優(yōu)化發(fā)射功率和小區(qū)邊緣擴(kuò)展偏執(zhí)過 程中，用戶的服務(wù)基站是動(dòng)態(tài)變化的，會(huì)發(fā)生用戶的不斷切換，網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量會(huì)發(fā)生變 化，因此，只考慮微微站的能量效率對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)不夠準(zhǔn)確。
[0027]縮略語(yǔ)和關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)定義
[0028] HetNets Heterogeneous Networks 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)
[0029] 3GPP the 3rd Generation Partnership Project 第三代合作伙伴項(xiàng)目
[0030] LTE-A Long Term Evolution-Advanced 先進(jìn)的長(zhǎng)期演進(jìn)
[0031] MVCE Mobile Virtual Centre of Excellence 卓越移動(dòng)虛擬中心
[0032] EARTH Energy Aware Radio and neTwork tecHnologies 能量有效無線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
[0033] EE Energy Efficiency 能量效率
[0034] RSRP Reference Signal Receiving Power 參考信號(hào)接收功率
[0035] MUE Macrocell User Equipment 宏站用戶
[0036] PUE Picocell