石峰，耿烜

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306）

超密集網(wǎng)絡(luò)基站管理算法研究

石峰，耿烜

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306）

針對(duì)密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中基站的能耗問(wèn)題，提出一種基于穩(wěn)定選擇的基站休眠算法，該算法通過(guò)遍歷小區(qū)內(nèi)所有基站，在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的前提下關(guān)閉某些負(fù)載量較低的基站以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能源消耗。當(dāng)基站進(jìn)入休眠模式時(shí)，會(huì)把其原有用戶切換到相鄰基站提供服務(wù)。仿真結(jié)果表明，該算法在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時(shí)可以有效降低基站能源消耗。

0 引言

隨著近年來(lái)移動(dòng)設(shè)備數(shù)量以及移動(dòng)數(shù)據(jù)需求量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，其中超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Ultra Dense Network，UDN）是解決未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)量需求的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是通過(guò)增加基站（Base Station，BS）部署密度的方式來(lái)提高整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力[2]。然而，由于大量的基站部署在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，引起了嚴(yán)重的能源消耗問(wèn)題，因此提高基站的能源效率有助于降低整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗。

研究表明相比于宏基站（macro BS），部署在微蜂窩小區(qū)（small cell）中的基站及接入點(diǎn)的總能耗并不隨發(fā)射功率和頻率使用的變化而變化[3]。所以即使這些基站處于空閑模式下的能耗也相當(dāng)大。在這種情況下，基站休眠技術(shù)被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的最有效方法之一[4]。

文獻(xiàn)[5]中提出了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中最基本的基站休眠策略，它主要研究并提出了業(yè)務(wù)負(fù)載量的變化幅度以及基站的密集程度是影響節(jié)能效果的主要因素，文中還提出業(yè)務(wù)負(fù)載量的波動(dòng)越大那么所需基站的數(shù)量就越多，可以節(jié)省的能耗也越多。文獻(xiàn)[6]中提出了一種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量模型，其中由小小區(qū)與宏基站共同組成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)跨層優(yōu)化的方式使用戶可以進(jìn)行異構(gòu)基站接入，使負(fù)載量低的小小區(qū)進(jìn)入休眠模式。

在基站休眠喚醒方面，其穩(wěn)定性也是需要考慮的因素之一。由于用戶的業(yè)務(wù)需求隨時(shí)可能發(fā)生變化，所以在執(zhí)行休眠策略時(shí)，基站可能會(huì)頻繁的進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，這樣就會(huì)產(chǎn)生額外的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的問(wèn)題，提出了一種基于穩(wěn)定喚醒的基站管理算法，并綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與能源消耗的問(wèn)題。

1 模型

1.1 系統(tǒng)模型

網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，本文中假設(shè)在一個(gè)超密集網(wǎng)絡(luò)中所有的小基站都被一個(gè)宏基站所覆蓋，宏基站可以收集所有小基站的信息，并且可以根據(jù)這些信息控制小基站進(jìn)行狀態(tài)的改變（開(kāi)啟或關(guān)閉）。一個(gè)用戶與相鄰基站建立連接可以有多種選擇。其他沒(méi)有與用戶建立連接的基站將被關(guān)閉或者進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能源。本文中將處于開(kāi)啟狀態(tài)的基站稱之為活動(dòng)基站，處于關(guān)閉或者休眠狀態(tài)的基站稱為非活動(dòng)基站。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

在基站的休眠策略上，需要遵循以下要求：

（1）保持活動(dòng)基站盡可能的少；

（2）所有用戶必須有至少一個(gè)基站為其提供服務(wù)；

（3）避免頻繁的開(kāi)啟或關(guān)閉基站；

（4）避免頻繁的在小區(qū)之間進(jìn)行切換；

（5）減少算法的計(jì)算復(fù)雜度。

1.2 優(yōu)化模型

為了得到能耗最小狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的基站休眠組合方式，則建立以下優(yōu)化模型[7]：

其中Bi=1表示基站i處于開(kāi)啟狀態(tài)，反之Bi=0則表示基站i處于休眠模式。Cij=1表示基站i與用戶j建立了連接，反之若未建立連接則Cij=0。關(guān)于連接信息Cij可以通過(guò)測(cè)量基站i的導(dǎo)頻信號(hào)獲得。文獻(xiàn)[8]中指出當(dāng)基站處于休眠模式的時(shí)候，其某些組件依然處于活動(dòng)狀態(tài)，這些組將將會(huì)每隔一段時(shí)間發(fā)送一次導(dǎo)頻信號(hào)，所以當(dāng)基站處于休眠狀態(tài)時(shí)，也可以及時(shí)知道該基站的信息。另外宏基站可以利用用戶的位置信息來(lái)判斷用戶與小基站是否可以建立連接。公式（2）則保證了每一個(gè)用戶至少有一個(gè)活動(dòng)基站與之相連接。

對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)（1）來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)NP-hard問(wèn)題，通常對(duì)于求解整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題的方法是利用分支定界算法來(lái)求解[9]。

2 基于穩(wěn)定喚醒的基站管理算法

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文提出的基于穩(wěn)定喚醒的基站管理算法主要有以下幾個(gè)方面：（1）根據(jù)用戶測(cè)量報(bào)告信息，宏基站可以得知小基站與用戶之間是否可以建立可靠連接。根據(jù)用戶基站連接信息，分支定界算法計(jì)算當(dāng)前所需活動(dòng)基站最小值，如果計(jì)算出所需理論活動(dòng)基站的數(shù)量少于當(dāng)前活動(dòng)基站數(shù)量，則表示有足夠的優(yōu)化空間，然后運(yùn)行優(yōu)化算法減少活動(dòng)的基站數(shù)量。由于分支定界算法通常計(jì)算量比較大，它們將每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次（幾分鐘或幾小時(shí)）。（2）運(yùn)行基于穩(wěn)定優(yōu)先的基站休眠算法，選擇最終合適的基站。（3）判斷開(kāi)啟或關(guān)閉基站。算法流程圖如圖2所示：

圖2 基站管理算法流程圖

2.2 基于穩(wěn)定優(yōu)先的基站管理算法

當(dāng)計(jì)算出的優(yōu)化空間足夠大時(shí)，則開(kāi)始運(yùn)行穩(wěn)定優(yōu)先的基站管理算法，來(lái)決定是否開(kāi)啟或關(guān)閉基站。算法流程如下所述：

Algorithm 1基于穩(wěn)定優(yōu)先的基站管理算法

STEP 1：根據(jù)當(dāng)前所有基站的負(fù)載量大小情況，將所有基站進(jìn)行排列，建立一個(gè)信息表。

當(dāng)前負(fù)載量最高的基站位于列表首位。將此時(shí)處于休眠狀態(tài)的基站放置到列表末端。

設(shè)置基站列表索引，處于列表第一位置的基站i=1。將所有基站狀態(tài)都調(diào)成為休眠狀態(tài)。

將列表長(zhǎng)度設(shè)置為基站總數(shù)。

STEP 2：激活基站i，將其進(jìn)入工作模式。

STEP 3：

if所有的用戶都可以被當(dāng)前活動(dòng)的基站所覆蓋then

if如果當(dāng)前活動(dòng)基站數(shù)等于計(jì)算出的理論所需基站最小數(shù)量then

結(jié)束算法并輸出結(jié)果

else

更新?tīng)顟B(tài)信息；關(guān)閉基站i，使其進(jìn)入休眠模式

end if

end if

STEP 4：

if在接下來(lái)的步驟中如果無(wú)法滿足保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的條件或者不可能獲得比當(dāng)前更好

的網(wǎng)絡(luò)性能 then

關(guān)閉基站i，使其進(jìn)入休眠模式

end if

if基站i是列表中的最后一個(gè)基站 then

將i的值設(shè)置為列表中最后一個(gè)活動(dòng)基站的序號(hào)

end if

i=i+1

repeat

STEP 1-4

Until沒(méi)有更多的基站可以選擇輸出可能存在的計(jì)算結(jié)果

該算法首先從當(dāng)前負(fù)載量最高的活動(dòng)基站開(kāi)始優(yōu)化，并且優(yōu)先保持這些基站的開(kāi)啟狀態(tài)，這種方式可以避免基站進(jìn)行頻繁的開(kāi)啟與關(guān)閉，可以節(jié)省大量網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷與能耗。

其中網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性需要遵循以下原則：

不應(yīng)有太多的基站需要開(kāi)啟或關(guān)閉

其中NBS_SW為需要關(guān)閉或開(kāi)啟的基站數(shù)量，δ2為某一預(yù)設(shè)閾值。

潛在網(wǎng)絡(luò)增益不能太小

其中NBS_sav為需要關(guān)閉的基站數(shù)量，δ3為某一預(yù)設(shè)閾值。

應(yīng)盡量減少小區(qū)間切換

其中NHO為需要關(guān)閉的基站數(shù)量，δ4為某一預(yù)設(shè)閾值。

在遵循網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的條件下，不僅可以提升網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，還可以大幅地降低休眠算法的計(jì)算復(fù)雜度。如果某基站進(jìn)入休眠模式后，其用戶將全部切換到相鄰基站提供服務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)

本文是基于LTE系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行的仿真。本次仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由宏基站與小基站共同組成，所有小基站都被一個(gè)宏基站所覆蓋，每個(gè)小基站距離間隔50m。宏基站位于中心位置，小基站則隨機(jī)分布在區(qū)域內(nèi)的任意位置以模擬密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

圖3表示本文提出的基站管理算法與文獻(xiàn)[10]中的傳統(tǒng)基站管理算法在所需活動(dòng)基站數(shù)量上的對(duì)比，本文提出的算法與文獻(xiàn)[10]中的算法每隔60分鐘運(yùn)行一次，并且根據(jù)用戶連接數(shù)量重新計(jì)算所需的活動(dòng)基站數(shù)量。圖中可以看出，在系統(tǒng)吞吐量相差不大的情況下，本文提出的算法所需活動(dòng)基站數(shù)要比傳統(tǒng)算法少，本文算法平均所需33.4個(gè)活動(dòng)基站而對(duì)比算法則需要平均51.2個(gè)活動(dòng)基站。圖中δ2的取值為10，δ4的取值為20，將δ3設(shè)置為1可以使算法發(fā)揮最好的性能。通過(guò)不斷調(diào)整這幾個(gè)參數(shù)，可以在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與能耗之間找出平衡，如圖5所示。

圖3 活動(dòng)基站數(shù)對(duì)比

圖4 吞吐量對(duì)比圖

圖5δ2值與切換次數(shù)以及活動(dòng)基站數(shù)量之間的關(guān)系

圖4 表示兩種休眠算法吞吐量的對(duì)比。圖中可以看出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的系統(tǒng)吞吐量基本相同，這就說(shuō)明本文提出的休眠算法在降低基站能耗的同時(shí)可以滿足用戶的吞吐量需求。

圖5橫坐標(biāo)為δ2的數(shù)值，圖中表示網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)、活動(dòng)基站數(shù)量與δ2值之間的關(guān)系，從圖中可以看出通過(guò)調(diào)節(jié)δ2的值可以在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與能耗之間進(jìn)行平衡，例如δ2的值越高每小時(shí)切換次數(shù)就越少，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性就越高，但是所需要的活動(dòng)基站數(shù)就越多，能耗也就越大，可以根據(jù)具體情況來(lái)調(diào)節(jié)δ2的值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于穩(wěn)定選擇的基站休眠算法，該算法通過(guò)遍歷小區(qū)內(nèi)所有基站，在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的前提下關(guān)閉某些負(fù)載量較低的基站以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能源消耗。當(dāng)某基站進(jìn)入休眠模式時(shí)，會(huì)把其原有用戶切換到相鄰基站提供服務(wù)。仿真結(jié)果表明，該算法在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時(shí)可以有效降低基站能源消耗。

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Research on Base Station Management Algorithm in Ultra Dense Network

SHI Feng，GENG Xuan
（College of Information Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306）

In order to improve the energy usage efficiency,proposes a stability-aware and energy efficient management base station method.The algo?rithm traverses all the base stations in the cell,on the premise of ensuring the stability of the network,it is necessary to shut down some low?er load base stations in order to save the network energy consumption.If a BS is chosen to be turned off,it hands over all its subordinate us?ers to neighboring active BSs.The simulation result shows that this algorithm is able to ensure network stability and is capable of effectively cutting down the energy consumption of base station.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61401270）

1007-1423（2017）23-0003-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.001

石峰（1990-），男，江蘇人，在讀研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信

2017-05-08

2017-08-10

超密集網(wǎng)絡(luò)；基站休眠；能源效率

Ultra Dense Network;Base Station Sleep;Energy Efficiency