小小区基站网络中能量有效的分布式动态开关策略

骆 喆，丁 铭，罗汉文

(1．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240;2．中国夏普研究所，上海201203)

0 引言

由于小小区技术能有效的增加系统传输速率，它被引入了最近的LTE Release 12标准的讨论中［1］．小小区相关技术的研究在最近也吸引了学术界的关注，例如文献［2－3］．在3GPP(3rd Generation Partnership Project)定义的小小区场景2a中，小小区基站使用相同的频率资源，并且被密集布置在一个区域．为了减少小小区间的干扰和节约能量消耗，动态开关技术被3GPP所采用，其开关的间隔为1～40 ms．

以前关于小区开关技术的研究，例如文献［4－5］，基本上集中在流量均衡方面．这种适用于半静态场景的开关技术并不适合3GPP提出的动态开关场景．本文作者设计了一种新的能量有效的分布式动态开关策略来优化数据包速率．数据包速率被定义为数据包的大小比上传输一个数据包所需的时间，包括数据包在队列的等待时间．这个指标被广泛地在ftp传输模型中使用［1］．由于小区开关技术具有节约能量消耗的特点，本开关策略也考虑了能量有效性．能量有效性反映了系统在单位能耗下的性能指标，文献［2，4，6］在不同的场景中研究了能量有效性．

1 系统模型

在小小区网络中，小小区基站在热点区域被密集地布置，从而形成簇结构．考虑一个下行传输的小小区簇，其有M个小小区基站Bi和N个用户设备Uj．一个小小区基站同时只能选择一个用户服务，或者处于关闭状态．当小小区基站Bi服务用户Uj时，其信噪比为:其中γi，j表示Bi到Uj的信道衰落，P是小小区基站的发射功率，xk=0或xk=1表示小小区基站Bk的状态为关或开，σj表示用户Uj的白噪声与收到的来自其他簇小小区基站的干扰能量．

在动态开关策略中，每个小小区基站Bi在每个开关周期里需要决定其开关状态xi和其要服务的用户Uvi．每个小小区基站Bi有一个候选用户集合Ui．由于后台的时延限制，小小区基站只知道其候选用户集合中用户的瞬时信息．当小小区基站Bi处于关闭状态，则其不消耗能量．不考虑多个小小区基站之间的协作．如果一个用户同时被多个小小区基站服务，用户将单独解码每个小小区基站发送的数据．

2 能量有效的分布式动态开关策略

本文作者提出了一种在小小区网络中能量有效的分布式动态开关策略，其目标是在兼顾能量消耗下优化系统的数据包速率．定义小小区基站Bi的效用函数为:

其中SINRi，vi如(1)所定义，bj表示在用户Uj的队列中所有未传完的数据包的总等待时间，x=［x1，x2，…，xM］表示所有小小区基站的开关状态．在本分布式动态开关策略中，小小区基站的目标是通过选取服务用户vi，使得效用函数Ri(x，vi)最大化．如果最大的Ri(x，vi)无法达到一个阈值α，则关闭此小小区基站．然而，由于小小区基站并不知道其他小小区基站的信息与最终决策，其效用函数Ri(x，vi)为一个随机变量．因此，小小区基站只能使用Ri(x，vi)的期望作为优化目标．优化的开关决策x*i与优化的服务用户序号v*i为:的下界，为:

其中Ex表示其他的小小区基站处于开状态的概率．通过替换公式(3)和(4)中的Eγk，j，σj，bj)为这个下界V(xi=1，vi)，得到了一个分布式的低复杂度的动态开关策略，即解下述问题(6)和(7)．

需要注意的是在此策略中，阈值α的取值会影响小小区基站的开关概率．大的α导致小小区基站倾向于关闭，反之小小区基站倾向于开启．大的开关概率Ex可以提高数据包速率，但会消耗更多的能量．当开关概率Ex(或者阈值α)给定时，对应的阈值α(或者开关概率Ex)可以通过离线仿真或者实际测量得到．通过上层实体配置Ex(或者α)给小小区基站，小小区基站得到对应的α(或者Ex)，然后使用(6)和(7)得到分布式决策．

3 仿真对比

为了评估作者提出的能量有效的分布式动态开关策略，使用了系统级仿真平台进行验证．对比了两个基线方案，包括随机开关策略和用户与数据包接入策略．在随机开关策略中，小小区基站根据给定概率随机决定开关状态．在用户与数据包接入策略中，如果小小区基站的候选用户的队列非空，则小小区基站开启．在这两个基线策略中，如果小小区基站开启，则从候选的队列非空的用户中选取传输速率最大的用户进行服务．

系统级仿真场景遵从［1］中的场景2a，仿真系统共有21个小区，每个小区有10个小小区基站与50个用户．每个用户的包到达率为0．075包/s(泊松到达)，每个包为0．5 M字节，传输带宽为1 MHz，小小区基站发射功率1 W，开关周期为40 ms，bj的单位为开关周期．对于一个用户来说，如果一个小小区基站的信号强度相比其收到最大的小小区基站信号强度大于－10 dB，则此用户是那个小小区基站的候选用户．上层实体配置的小小区基站开启概率为50%，对应的阈值α为12．

图1 性能对比:数据包速率的累积分布函数

图2 性能对比:数据包速率每单位能量的累积分布函数

图1展示了数据包速率的累积分布函数的对比图，图2展示了数据包速率每单位能量的累积分布函数的对比图．从图1和图2中可以看出，提出的分布式动态开关策略相比随机开关策略和用户与数据包接入策略具有更好的数据包速率与数据包速率每单位能量．相比随机开关策略，用户与数据包接入策略具有较好的数据包速率，但其需要消耗更多的能量．在能量有效性上随机开关策略和用户与数据包接入策略具有相似的性能．而提出的分布式动态开关策略相比用户与数据包接入策略，不仅在数据包速率上有轻微的增益，而且只需要消耗很少的能量．仿真结果验证了提出的策略具有能量有效性，并且可以使数据包速率提升．

4 结论

本文作者提出了一种在小小区基站网络中新颖的能量有效的分布式动态开关策略．通过系统级仿真，本算法相比两种基本算法，在数据包速率和单位能量消耗的数据包速率上，具有可观的性能优势．

［1］3GPP．TR 36．872:Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical layer aspects V12．1．0［R/OL］．(2013-12-19)［2014-05-15］．http://www．3gpp．org/ftp/Specs/archive/36_series/36．872/36872-c10．zip．

［2］WILDEMEERSCH M，QUEK T，SLUMP，et al．Cognitive small cell networks:energy efficiency and trade-offs［J］．IEEE Trans on Communications，2013，61(9):4016 －4029．

［3］PANTISANO F，BENNISM，SAAD W，et al．Matching with externalities for context-aware user-cell association in small cell networks:IEEE Proceedings of GLOBECOM［C］．Atlanta:IEEE，2013．

［4］BOUSIA A，KARTSAKLI E，ALONSO L，et al．Dynamic energy efficient distance-aware base station switch on/off scheme for LTE-advanced:IEEE Proceedings of GLOBECOM［C］．California:IEEE，2012:1532 －1537．

［5］SAKER L，ELAYOUBI S，COMBESR，et al．Optimal control of wake up mechanisms of femtocells in heterogeneous networks［J］．IEEE J．Sel．Areas Commun．，2012，30(3):664 － 672．

［6］FENG D，JIANG C，LIM G，et al．A survey of energy-efficient wireless communications［J］．IEEE Communications Surveys＆ Tutorials，2013，15(1):167 －178．