［劉文晶］

LTE系統(tǒng)中的節(jié)能資源分配算法

［劉文晶］

針對(duì)如何降低LTE系統(tǒng)下行鏈路用于數(shù)據(jù)傳送的能耗問(wèn)題，建立了一種適用于不均衡低負(fù)載場(chǎng)景的節(jié)能資源分配最優(yōu)化模型，并提出了一種次優(yōu)化的節(jié)能資源分配算法用以解決所提出的能效優(yōu)化問(wèn)題。該方法在不均衡低負(fù)載場(chǎng)景下，通過(guò)與負(fù)載均衡思想的有效結(jié)合，充分利用空閑無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，最終達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于下行鏈路數(shù)據(jù)傳送總能耗節(jié)約的目的。仿真結(jié)果表明，在不均衡低負(fù)載情況下該方法帶來(lái)了可觀的能耗增益并且有效提高了頻譜利用率。

LTE 資源分配 不均衡低負(fù)載 帶寬擴(kuò)展 節(jié)能

劉文晶

重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，通信技術(shù)教研室。

1 引言

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，基站建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，基站年耗電量也在劇烈增長(zhǎng)，這不僅給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)較大的運(yùn)營(yíng)成本負(fù)擔(dān)，也給環(huán)境帶來(lái)了污染。未來(lái)的無(wú)線通信正朝著低碳、健康、高效的綠色通信方向演進(jìn)，在這樣一種背景下，節(jié)能減排已成為移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

統(tǒng)計(jì)表明，基站是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中最主要的能耗來(lái)源［1］，因此，致力于基站節(jié)能問(wèn)題的研究顯得尤為重要。傳統(tǒng)的資源分配算法多是在輪詢、最大載干比、比例公平等經(jīng)典調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，以提高用戶間公平性、系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo)，很少考慮基站用于資源分配的能耗問(wèn)題。近些年來(lái)，致力于節(jié)能資源分配算法的研究已經(jīng)逐漸受到了研究者們的關(guān)注，文獻(xiàn)［2］在LTE自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上考慮了自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制編碼方式、物理資源塊RB（Resource Block）以及功率的聯(lián)合優(yōu)化分配問(wèn)題，在保證各個(gè)用戶所需最小服務(wù)質(zhì)量水平的基礎(chǔ)上最小化整個(gè)小區(qū)的輻射功率。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于最小傳送功率的包調(diào)度算法，考慮了傳輸每比特信息所需的最小傳送功率。通過(guò)將傳輸每比特信息所需最小傳送功率的RB分配給當(dāng)前活躍用戶達(dá)到節(jié)能的目的，該算法在達(dá)到節(jié)能傳輸?shù)耐瑫r(shí)保證了系統(tǒng)吞吐量增益以及公平性的提高。然而，現(xiàn)有的節(jié)能調(diào)度機(jī)制研究，多是針對(duì)峰值負(fù)載場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效優(yōu)化，很少考慮低負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景，尤其是不均衡低負(fù)載場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效優(yōu)化問(wèn)題。因此，自適應(yīng)負(fù)載的節(jié)能調(diào)度機(jī)制研究將會(huì)是“綠色通信”在LTE系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究方向。

本文在帶寬擴(kuò)展模式［4］基礎(chǔ)上建立了一種適用于不均衡低負(fù)載場(chǎng)景的節(jié)能資源分配最優(yōu)化模型，并進(jìn)一步給出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)化節(jié)能資源分配方法ALBEM（Adaptive Low-Load Bandwidth Expansion Mode）用以解決上述優(yōu)化問(wèn)題，致力于降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路用于數(shù)據(jù)傳送的總能耗，最后對(duì)所提出算法與單獨(dú)使用帶寬擴(kuò)展模式以及傳統(tǒng)資源分配算法進(jìn)行了仿真對(duì)比分析。

2 系統(tǒng)模型

（1）模型描述

系統(tǒng)模型如圖1所示，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由若干小區(qū)構(gòu)成，系統(tǒng)負(fù)載較輕，有大量剩余帶寬，且各小區(qū)負(fù)載處于不均衡狀態(tài)。對(duì)于LTE多小區(qū)系統(tǒng)，小區(qū)間頻率復(fù)用因子為1，系統(tǒng)模型主要基于LTE/3GPP下行鏈路標(biāo)準(zhǔn)，在下行發(fā)送過(guò)程中，基站可以獲得本小區(qū)用戶在每個(gè)子信道上的瞬時(shí)鏈路增益，且各基站控制本小區(qū)內(nèi)的RB分配和發(fā)送功率分配。設(shè)系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)數(shù)為M，每個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為U.系統(tǒng)總帶寬為B，RB個(gè)數(shù)為I。M=｛M1，...Mm，…MM｝為小區(qū)索引集合，U=｛UE1，…UEu，…UEU｝代表各小區(qū)用戶數(shù)集合，I=｛I1，…Im，…IM｝表示各小區(qū)RB總數(shù)集合。

圖1 系統(tǒng)模型

（2）相關(guān)準(zhǔn)則

文中提出的節(jié)能資源分配算法主要涉及以下兩個(gè)基本準(zhǔn)則。

（a）帶寬擴(kuò)展模式（BEM，Bandwidth Expansion Mode）：

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載比較輕，有大量剩余帶寬時(shí)，可通過(guò)調(diào)整擴(kuò)展因子α值，適當(dāng)增加當(dāng)前活躍用戶的有限帶寬，在保證各用戶原服務(wù)速率不變的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能的目的。通過(guò)將原有RB上的比特信息均勻分布在擴(kuò)展后的RB上，進(jìn)而降低每個(gè)RB上的調(diào)制等級(jí)以及SINR需求，這也就是產(chǎn)生節(jié)能傳輸?shù)闹攸c(diǎn)。

如圖2所示，常規(guī)模式下假設(shè)一個(gè)用戶被分配了3個(gè)RB用以滿足其服務(wù)質(zhì)量需求，現(xiàn)在還有7個(gè)剩余的RB，在BEM模式下，將分配額外3個(gè)RB給該用戶，此時(shí)α=2。這樣在滿足當(dāng)前用戶服務(wù)質(zhì)量需求的基礎(chǔ)上，每個(gè)RB上也將自適應(yīng)的調(diào)整為更節(jié)能的低調(diào)制等級(jí)。此時(shí)，每個(gè)RB上傳送一定數(shù)據(jù)所需要的SINR值也將降低，因此最終分配給每個(gè)RB上的傳送功率也將相應(yīng)降低。

圖2 RB分配示例

（b）虛擬負(fù)載均衡（VLB，Virtual Load Balancing）：

VLB是本文新提出的一個(gè)概念，即當(dāng)多個(gè)低負(fù)載小區(qū)的業(yè)務(wù)分布處于不均衡狀態(tài)時(shí)，把全部或部分處于各小區(qū)相鄰部分的用戶轉(zhuǎn)移到相對(duì)較輕負(fù)載的小區(qū)中。此處的虛擬負(fù)載均衡與傳統(tǒng)負(fù)載均衡的區(qū)別在于，并非是要小區(qū)業(yè)務(wù)過(guò)載后才進(jìn)行用戶轉(zhuǎn)移，只要轉(zhuǎn)移過(guò)后，通過(guò)對(duì)各小區(qū)的用戶使用帶寬擴(kuò)展模式能夠帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的下行鏈路傳送能耗降低，就會(huì)進(jìn)行用戶轉(zhuǎn)移，此處的轉(zhuǎn)移即“切換”。

（3）優(yōu)化模型推導(dǎo)

根據(jù)香農(nóng)公式我們可以得到RB i上所能承載的信息容量Ci：

其中Bi 代表RB i的帶寬，Pi代表基站用于RB i上的傳送功率，|hm，u|2代表服務(wù)基站m到目標(biāo)用戶u的路徑增益，hm，u代表相應(yīng)的頻率響應(yīng)并且假定在基站端能夠知道準(zhǔn)確的數(shù)值，N0代表噪聲功率譜密度，Ii代表RB i 上受到的干擾功率之和。

首先我們可以通過(guò)常規(guī)條件下用戶u的目標(biāo)SINR Гi值來(lái)計(jì)算BEM 模式下用戶u的目標(biāo)SINR ГiBEM。其中，帶寬擴(kuò)展前后各用戶的數(shù)據(jù)速率保持不變，即一個(gè)RB上所承載的信息與α個(gè)RB上所承載的信息量是一樣的（此處假定為理想情況下的通信場(chǎng)景），根據(jù)香農(nóng)公式表述如下：

進(jìn)而可以得到Гi和的關(guān)系：

因此我們可以很容易地計(jì)算出當(dāng)所有用戶請(qǐng)求的目標(biāo)SINRΓi，u被滿足時(shí)，小區(qū)m在常規(guī)模式下的整體下行鏈路傳送能耗，以及帶寬擴(kuò)展模式下所有用戶請(qǐng)求的目標(biāo)SINR被滿足時(shí)小區(qū)m的整體下行鏈路傳送能耗：

因此，各基站在經(jīng)過(guò)VLB及BEM之后所需要的用于下行鏈路傳送的總能耗可表述為：

通過(guò)上述分析，最終的節(jié)能優(yōu)化問(wèn)題模型可以表述如下：

約束條件：

本文所提出最優(yōu)化算法的時(shí)間復(fù)雜度近似為Ο（M· U·γU），其中γ是α的可能取值范圍?？梢?jiàn)隨著用戶數(shù)的增多，α取值范圍的不斷變化，該算法的時(shí)間復(fù)雜度將不斷增大，并且在判斷各用戶具體應(yīng)該切換到某個(gè)目標(biāo)小區(qū)才能帶來(lái)更多的能量節(jié)約時(shí)，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。因此，文中提出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)化資源分配方法用以解決上述優(yōu)化問(wèn)題。

3 低復(fù)雜度節(jié)能資源分配算法

在介紹低復(fù)雜度節(jié)能算法之前，首先對(duì)可能影響到帶寬擴(kuò)展機(jī)制性能的相關(guān)因子進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

根據(jù)公式（3）、（4）、（5），可以得到單小區(qū)場(chǎng)景下，單用戶使用帶寬擴(kuò)展模式所帶來(lái)的理論能耗節(jié)約增益ESG：

從圖3中可以看到，隨著各用戶SINR值的增加，α值的增大，BEM所能帶來(lái)的能量增益呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。當(dāng)各用戶所使用的擴(kuò)展因子相同時(shí)，Гi值越高的用戶所帶來(lái)的能量節(jié)約增益越明顯，對(duì)于同一SINR用戶來(lái)說(shuō)，當(dāng)其擴(kuò)展因子為2、3、4時(shí)，BEM所帶來(lái)的能耗增益有明顯的增加。當(dāng)擴(kuò)展因子達(dá)到大于4時(shí)，BEM所帶來(lái)的能量節(jié)約增益將不再有明顯變化，此時(shí)為用戶分配過(guò)多的資源將是一種浪費(fèi)，同時(shí)考慮到環(huán)路功耗的影響，后面的仿真中我們?cè)O(shè)定α的取值為2到4?；谝陨蟽煞N趨勢(shì)本文提出了一種有效的低復(fù)雜度次優(yōu)化算法ALBEM，大體可分為以下幾個(gè)步驟：

圖3 不同Γi ，ɑ值下的能量節(jié)約增益

Step1：虛擬負(fù)載均衡

在各當(dāng)前小區(qū)配置中增加其他小區(qū)的位置信息，小區(qū)之間可以互相交換自身的負(fù)載信息，各自利用獲得的負(fù)載信息判斷自身和鄰區(qū)之間是否出現(xiàn)負(fù)載差距。一旦某兩個(gè)小區(qū)之間的負(fù)載差距超過(guò)預(yù)設(shè)閾值后，虛擬負(fù)載均衡過(guò)程將自動(dòng)啟動(dòng)。相對(duì)過(guò)載小區(qū)通過(guò)轉(zhuǎn)移合適比例的用戶到較低負(fù)載小區(qū)，使各小區(qū)負(fù)載得到均衡，為了不影響用戶的服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)行虛擬負(fù)載均衡的用戶必須是處于各個(gè)小區(qū)重疊區(qū)域的用戶。此處的虛擬負(fù)載均衡致力于使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載達(dá)到一個(gè)相對(duì)的均衡狀態(tài)即可，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的判斷過(guò)程來(lái)決定各用戶的目標(biāo)小區(qū)選擇。

Step2：計(jì)算達(dá)到各用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)速率所需要的最少RB個(gè)數(shù)

Step 3：用戶優(yōu)先級(jí)排序

將各用戶按其目標(biāo)SINR高低進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，高目標(biāo)SINR用戶具有高的優(yōu)先級(jí)使用帶寬擴(kuò)展模式，即具有高優(yōu)先級(jí)的用戶趨于使用高的α值。

Step 4 ：資源分配

因?yàn)楸疚难芯康拓?fù)載場(chǎng)景，因此小區(qū)中有足夠的資源滿足現(xiàn)有用戶的服務(wù)請(qǐng)求。根據(jù)Step2得出的結(jié)果進(jìn)行首輪分配，為每個(gè)用戶分配Du個(gè)RB并且保證每個(gè)RB最多只能分給一個(gè)用戶；然后根據(jù)Step3開(kāi)始進(jìn)行第二輪分配，對(duì)高優(yōu)先級(jí)的用戶優(yōu)先使用BEM，此時(shí)α=2。如果第二輪分配結(jié)束之后仍然有剩余資源，則繼續(xù)重復(fù)上述第二輪分配，按優(yōu)先級(jí)高低依次為每個(gè)用戶分配一個(gè)RB，直至無(wú)剩余資源或者α達(dá)到設(shè)定閾值。

Step 5：算法結(jié)束

4 仿真結(jié)果

仿真考慮一個(gè)7小區(qū)蜂窩場(chǎng)景，假定所有用戶都具有相同的數(shù)據(jù)速率請(qǐng)求256kbit/s，由于考慮到系統(tǒng)資源有限以及環(huán)路功耗的影響，α的取值范圍設(shè)定在2～4。系統(tǒng)帶寬為15MHz共75個(gè)RB，用戶數(shù)40～220，基站峰值功率43dBm，噪聲功率為-121.4dBm，路損模型為修正的COST231哈塔市區(qū)模型。仿真中設(shè)定了3個(gè)初始虛擬熱點(diǎn)小區(qū)，4個(gè)小區(qū)低負(fù)載小區(qū)，初始條件下，低負(fù)載小區(qū)用戶數(shù)設(shè)置為7。仿真中預(yù)留部分資源用于控制信令傳輸，剩余RB可全部用于資源分配，這里我們使用的常規(guī)模式分配算法為輪詢分配算法（RR）。

仿真結(jié)果將著重比較當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于不均衡狀態(tài)時(shí)，ALBEM與BEM所帶來(lái)的能耗增益比較，以及與常規(guī)模式相比ALBEM與BEM所帶來(lái)的頻譜利用率的提升比較，仿真中用到的能耗增益、負(fù)載因子、頻譜利用率定義如下：

（a）能量增益ECG=常規(guī)分配算法的能耗/提出算法的能耗

（b）負(fù)載因子σ=虛擬過(guò)載小區(qū)用戶數(shù)/低負(fù)載小區(qū)用戶數(shù)

（c）頻譜利用率=用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)帶寬/系統(tǒng)總帶寬

圖4比較了負(fù)載因子1≤σ≤5時(shí)，ALBEM與BEM兩種模式所帶來(lái)的能耗增益。從圖4中可以看出，當(dāng)負(fù)載因子值小于2時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載處于相對(duì)均衡的狀態(tài)且負(fù)載較輕，有足夠的資源使用帶寬擴(kuò)展，因此，ALBEM與BEM所帶來(lái)的能耗增益值大致相同。當(dāng)負(fù)載因子值大于2時(shí)，系統(tǒng)的不均衡程度增加，傳統(tǒng)模式下各小區(qū)不能有效的使用帶寬擴(kuò)展機(jī)制。這是由于部分小區(qū)有大量剩余資源不能得到有效的利用，部分小區(qū)卻沒(méi)有足夠的空閑資源用以使用帶寬擴(kuò)展機(jī)制，然而提出方法有效解決了上述問(wèn)題。通過(guò)將虛擬熱點(diǎn)小區(qū)的部分用戶轉(zhuǎn)移到相對(duì)的低負(fù)載小區(qū)，使得各小區(qū)用戶都能使用一個(gè)合適的擴(kuò)展因子值。此外，隨著負(fù)載因子值的增加，系統(tǒng)負(fù)載不均衡程度增加，接入到虛擬熱點(diǎn)小區(qū)中的用戶數(shù)逐漸增多，致使系統(tǒng)資源不能充分地使用BEM來(lái)達(dá)到更多的能量節(jié)約，因此能量增益隨著負(fù)載因子值的增加呈下降趨勢(shì)。

圖4兩種模式的能耗增益比較（1≤σ≤5）

圖5 給出了負(fù)載因子1≤σ≤5時(shí)，3種模式頻譜利用率的比較。從圖5中可以看出，當(dāng)負(fù)載因子小于2時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載較輕且處于一個(gè)相對(duì)均衡的狀態(tài)時(shí)，各小區(qū)用戶都有足夠多的資源使用帶寬擴(kuò)展模式，擴(kuò)展因子均能達(dá)到設(shè)定閾值α=4，因此ALBEM與BEM此時(shí)沒(méi)有明顯差別。隨著負(fù)載因子的增加，接入到熱點(diǎn)小區(qū)中的用戶數(shù)越來(lái)越多，此時(shí)部分小區(qū)有大量空閑資源，而部分小區(qū)卻沒(méi)有足夠的資源使用帶寬擴(kuò)展模式，提出方法有效地解決了這一問(wèn)題，使得各小區(qū)負(fù)載得到均衡，整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率得到了很大的提升，最終使得小區(qū)的空閑頻譜得到最大化的有效利用。

圖5 三種模式下的頻譜利用率比較（1≤σ≤5）

5 結(jié)論

本文針對(duì)LTE系統(tǒng)下行鏈路用于數(shù)據(jù)傳送的能耗問(wèn)題，建立了一種適用于不均衡低負(fù)載場(chǎng)景的節(jié)能資源分配最優(yōu)化模型，并提出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)化的資源分配方法用以解決上述優(yōu)化問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，該方法在不均衡低負(fù)載場(chǎng)景中，帶來(lái)了可觀的能耗增益并且有效提高了頻譜利用率。

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