鄭 飛 李文璟 喻 鵬 豐 雷 孟洛明

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基于Benders分解的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作節(jié)能機(jī)制

鄭 飛 李文璟*喻 鵬 豐 雷 孟洛明

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876)

該文為降低無(wú)線接入網(wǎng)的能耗，提出一種基于Benders分解的協(xié)作節(jié)能機(jī)制，通過(guò)協(xié)作基站選擇和基站狀態(tài)控制以解決基站休眠帶來(lái)的弱覆蓋問(wèn)題。結(jié)合業(yè)務(wù)量分布和SINR空間變化建立協(xié)作基站的選擇模型，用以找到合適的協(xié)作基站以及相應(yīng)的休眠基站。并提出一個(gè)基于Benders分解的聯(lián)合優(yōu)化策略，控制基站活躍/休眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量與吞吐量間的平衡。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可在不增加發(fā)射功率的條件下實(shí)現(xiàn)覆蓋補(bǔ)償，并在至多42.6%的基站休眠時(shí)，仍能滿足網(wǎng)絡(luò)的基本性能要求。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能；Benders分解；協(xié)作基站；聯(lián)合優(yōu)化策略

1 引言

近年綠色通信已成為一個(gè)重要的議題[1,2]。雖然傳統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)能夠擴(kuò)大小區(qū)覆蓋，但是需要調(diào)整基站參數(shù)，以及給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)新的干擾。而多點(diǎn)協(xié)作(Coordinated Multiple Points, CoMP)技術(shù)[3,4]可以應(yīng)用在節(jié)能機(jī)制中并且有效緩解上述兩個(gè)問(wèn)題。無(wú)線接入網(wǎng)的節(jié)能機(jī)制研究可以分為規(guī)劃與執(zhí)行兩個(gè)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]提出一種基于CoMP的能量感知的集中式網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略。文獻(xiàn)[6]用圖論的概念來(lái)描述基站與用戶間的關(guān)聯(lián)，把關(guān)聯(lián)問(wèn)題抽樣為一個(gè)二元整數(shù)NP-Hard規(guī)劃問(wèn)題。但研究中缺少補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[7]提出等價(jià)基站的分簇方法并用提升發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此的覆蓋。文獻(xiàn)[8]驗(yàn)證了CoMP技術(shù)能夠擴(kuò)展基站的覆蓋以及增加休眠基站的數(shù)量。文獻(xiàn)[9]采用協(xié)作復(fù)用技術(shù)，進(jìn)一步增加休眠基站的數(shù)量。

本文基于上述工作，提出一個(gè)基于Benders分解的協(xié)作節(jié)能機(jī)制(Benders Decomposition based Cooperative Energy-Saving Mechanism, BD- CESM)。其具體工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下：

首先，針對(duì)密集宏基站場(chǎng)景，從兩方面增強(qiáng)CoMP技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用性。一方面采用聯(lián)合處理(Joint Processing, JP)和協(xié)作復(fù)用技術(shù)執(zhí)行CoMP。另一方面通過(guò)分簇把CoMP限制在簇內(nèi)進(jìn)行，減輕網(wǎng)絡(luò)的額外負(fù)荷。

其次，構(gòu)建一個(gè)基站選擇模型，以確定協(xié)作基站組和待休眠基站。在該模型中考慮業(yè)務(wù)量的地域分布和SINR的空間變化兩個(gè)因素對(duì)協(xié)作補(bǔ)償?shù)挠绊懀⑶叶x區(qū)域SINR作為選擇協(xié)作基站的依據(jù)。

然后，提出一個(gè)基于Benders分解的聯(lián)合優(yōu)化策略。通過(guò)控制基站on-off狀態(tài)，取得網(wǎng)絡(luò)容量與吞吐量的平衡。并且把該問(wèn)題抽樣為一個(gè)非凸的混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題(Mixed Integer Linear Programming, MILP)，用Benders分解算法求解。

最后，用網(wǎng)絡(luò)的性能和節(jié)能兩個(gè)維度的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)該機(jī)制的效果。

2 系統(tǒng)模型

2.1 基站分布場(chǎng)景

2.2 JP復(fù)用補(bǔ)償技術(shù)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分基站休眠時(shí)，由CoMP協(xié)作集[10]執(zhí)行JP來(lái)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。因此定義協(xié)作集等級(jí)系數(shù)C，它表示協(xié)作集中的基站數(shù)目[11]。在規(guī)劃CoMP協(xié)作集時(shí)，讓一個(gè)基站參與多個(gè)協(xié)作集，同時(shí)保持各協(xié)作集之間的獨(dú)立性。因此，定義基站協(xié)作的復(fù)用系數(shù)r，它表示此基站參與協(xié)作集的個(gè)數(shù)[9]。圖2是JP復(fù)用技術(shù)在規(guī)則場(chǎng)景中的應(yīng)用。深灰色區(qū)域中的基站處于休眠狀態(tài)，淺灰色中的處于活躍狀態(tài)，BS1參與了3個(gè)協(xié)作集。

處于深灰色區(qū)域的用戶因其歸屬基站休眠，所以必須接受協(xié)作補(bǔ)償，其SINR計(jì)算式為

3 基于Benders分解的協(xié)作節(jié)能機(jī)制

3.1 網(wǎng)絡(luò)分簇

引用等價(jià)基站的方法[7]來(lái)降低JP復(fù)用技術(shù)的復(fù)雜度以及提高其對(duì)分布式管理模式的適應(yīng)性[13]?；榈葍r(jià)基站的集合稱為簇，等價(jià)基站之間的約束距離稱為分簇半徑(Clustering Radius, CR)。簇內(nèi)任意基站和都必須滿足式(2)所示不等式：

3.2 劃分用戶

在節(jié)能機(jī)制觸發(fā)后，并非所有的用戶都需要協(xié)作服務(wù)，所以把用戶分為普通用戶和待補(bǔ)償用戶。計(jì)算用戶的參考SINR, 以為閾值[10]，把用戶劃分為普通用戶與待補(bǔ)償用戶。普通用戶的業(yè)務(wù)量速率設(shè)置為一個(gè)上限值。在等待切換時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)把待補(bǔ)償用戶的服務(wù)等級(jí)設(shè)置為一個(gè)參考水平。

3.3 協(xié)作基站的選擇

令基站集覆蓋一片區(qū)域，在任意點(diǎn)(,)處的業(yè)務(wù)量密度為[14]以及SINR為。定義業(yè)務(wù)量密度加權(quán)的平均區(qū)域SINR：

圖1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋????????????圖2 JP復(fù)用技術(shù)

3.4 基于Benders分解的基站休眠策略

問(wèn)題1

因?yàn)槟塬@取系統(tǒng)的信道信息，所以定義一個(gè)已知的接收功率矩陣,是第個(gè)待補(bǔ)償用戶接收到來(lái)自第個(gè)基站的信號(hào)功率。當(dāng)?shù)趥€(gè)基站服務(wù)第個(gè)待補(bǔ)償用戶時(shí)，SINR為

(9)

將式(8)代入式(9)

(11)

普通用戶的業(yè)務(wù)速率為定值，而待補(bǔ)償用戶的業(yè)務(wù)速率為

(12)

整理得

(14)

簡(jiǎn)化式(14)為

在問(wèn)題1的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)吞吐量不是唯一的，因此最大化吞吐量可以如式(16)的定義：

問(wèn)題2

(17)

采用聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題1和問(wèn)題2的方法。

問(wèn)題3

Traf是普通用戶的業(yè)務(wù)速率。

3.4.2 MILP問(wèn)題與Benders分解算法 Benders分解是一種求解MILP的方法。設(shè)MILP的表示為

和都是約束不等式中的系數(shù)矩陣，是常向量。

問(wèn)題3的集合約束表示為

進(jìn)一步簡(jiǎn)化集合約束表示，令

由此可見(jiàn)問(wèn)題3具有與式(19)相同的形式，是一個(gè)典型的MILP問(wèn)題。因此，可以采用Benders分解算法求解問(wèn)題3[15]。

3.4.3 Benders表示 Benders分解算法是一種基于Benders表示的約束生成算法。若MILP中的整數(shù)變量是固定的，則得到線性規(guī)劃問(wèn)題：

(22)

(24)

4 仿真與分析

4.1評(píng)價(jià)參數(shù)

定義性能指標(biāo)劣化率(PDR)，在非節(jié)能網(wǎng)絡(luò)中SINR的最小值為

(26)

設(shè)定PDR<5%是可接受的網(wǎng)絡(luò)性能惡化程度。

休眠基站占比(DCR)是節(jié)能指標(biāo)，指休眠基站數(shù)量占基站總數(shù)的比例：

4.2 結(jié)果分析

仿真所需參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

表2是分簇時(shí)，不同的CR對(duì)應(yīng)簇的數(shù)量。在CR=1.3 km時(shí)，CR限制了分簇能力，使得部分基站不能納入簇中。在CR=1.6 km時(shí)，簇內(nèi)基站增多，又使簇的數(shù)量減少。圖3中的柱狀圖表示在不同的CR時(shí)BD-CESM的節(jié)能效率。深灰柱是休眠基站能夠達(dá)到的最大數(shù)目，淺灰柱是相應(yīng)的活躍基站數(shù)量。走勢(shì)的標(biāo)記線表明休眠基站的數(shù)量和CR之間的關(guān)系是非線性正相關(guān)的。這張圖反映了在業(yè)務(wù)量波谷時(shí)，CR對(duì)機(jī)制的節(jié)能潛力的影響。

表2 CR與簇?cái)?shù)量

圖4和圖5放映了CR對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。在圖4的曲線中部，出現(xiàn)了執(zhí)行節(jié)能機(jī)制時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能好于非節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的情況。這是由于JP復(fù)用技術(shù)大量提升邊緣用戶的性能所導(dǎo)致。圖5顯示PDR隨著CR的增加而惡化。黑虛線是非節(jié)能網(wǎng)絡(luò)中的(-6.72 dB)。在滿足裂化率要求的前提下PDR<5%，節(jié)能效果最好的是CR=1.6 km, DCR達(dá)到42.6%。因此接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將設(shè)置CR=1.6 km。

如圖6和圖7所示，采用了另外兩種補(bǔ)償方法與聯(lián)合處理(JP)進(jìn)行比較。一種是最大SINR方法，用戶選擇最大SINR鏈路進(jìn)行通信。該方法沒(méi)有擴(kuò)大基站的覆蓋范圍，因此它的補(bǔ)償能力是很微弱的。另一種是提高發(fā)射功率方法，活躍基站都提高3 dB的發(fā)射功率。雖然該方法能擴(kuò)展基站覆蓋，但也給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了額外干擾，因而限制了其補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

在圖8中看到，JP復(fù)用技術(shù)對(duì)邊緣區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)償覆蓋，加強(qiáng)了邊緣區(qū)域內(nèi)的SINR，特別是簇內(nèi)基站之間沒(méi)有了明顯的邊界。

之后采用最大SINR及貪婪算法接入基站的方案作為BD-CESM的對(duì)比方案，分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的待補(bǔ)償用戶提供服務(wù)。用戶被補(bǔ)償后的平均速率結(jié)果如圖9所示，其中黑柱是非節(jié)能網(wǎng)絡(luò)下的邊緣用戶的平均速率，并將其作為參考速率。從圖中可以看出，BD-CESM的補(bǔ)償效果明顯好于對(duì)比方案，CR在1.3 km時(shí)，平均速率多出87.3%。從圖中還可看到，由于JP復(fù)用技術(shù)的使用，BD-CESM在CR較小時(shí)，其補(bǔ)償后的速率好于參考速率，但是隨著CR的增加即休眠基站的增加，待補(bǔ)償用戶被補(bǔ)償后的性能不可避免地呈加速下降趨勢(shì)。

圖3 不同CR時(shí)的節(jié)能效果????????圖4 SINR的累積分布????????圖5不同CR時(shí)的PDR

圖6不同補(bǔ)償方法的SINR累積分布??????????圖7不同補(bǔ)償方法的PDR

5 結(jié)束語(yǔ)

為了降低無(wú)線接入網(wǎng)的能耗而提出一個(gè)基于本Benders分解的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作節(jié)能機(jī)制(BD- CESM)。采用JP復(fù)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)分簇等方法，以解決基站休眠帶來(lái)的弱覆蓋問(wèn)題。結(jié)果表明在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)42.6%的基站休眠。驗(yàn)證了BD-CESM可以在不提高發(fā)射功率的情況下實(shí)現(xiàn)覆蓋補(bǔ)償，說(shuō)明是一種有效的節(jié)能機(jī)制。

圖8 網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行BD-CESM時(shí)SINR的空間圖樣(CR=1.3 km) ????圖9待補(bǔ)償CR用戶的性能

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Benders Decomposition Based Cooperative Energy-saving Mechanism in Wireless Networks

ZHENG Fei LI Wenjing YU Peng FENG Lei MENG Luoming

(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing100876, China)

To reduce the energy consumption in wireless access networks, a Cooperative Energy-Saving Mechanism based on Benders Decomposition (BD-CESM) is presented to solve inadequate coverage problem caused by BS dormancy by means of cooperative BS selection and BS state control. A cooperative BS selection model is designed to obtain appropriate cooperative BS and corresponding dormant BS according to the traffic load distribution and the spatial varying SINR. Then a Benders decomposition based joint optimizationstrategy is proposed to balance capacity with throughout via controlling on-off state of BS. The simulation results show that up to 42.6% of BS can be dormant while meeting basic network performance requirements. Furthermore, the coverage can be compensated without increasing transmitting power in the proposed mechanism.

Wireless network; Energy consumption; Benders decomposition; Cooperative BS; Joint optimization strategy

TN915.07

A

1009-5896(2017)02-0367-07

10.11999/JEIT160387

2016-04-20；改回日期：2016-07-28；

2016-10-09

李文璟wjli@bupt.edu.cn

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA01A701)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61271187)

The National 863 Program of China (2014AA01A701), The National Natural Science Foundation of China (61271187)

鄭 飛： 男，1982年生，博士生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)能管理.

李文璟： 女，1973年生，教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理.

喻 鵬： 男，1986年生，講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理.

豐 雷： 男，1987年生，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理.

孟洛明： 男，1955年生，教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理.