摘要：在5G網(wǎng)絡(luò)中部署大規(guī)模基站雖能提升全網(wǎng)數(shù)據(jù)通信效率卻也降低了全網(wǎng)能效度。針對(duì)該問(wèn)題，文章提出一種能耗控制技術(shù)。該技術(shù)在綜合考慮不同層基站間距、密度、信噪比的基礎(chǔ)上以異構(gòu)多層次超密集基站網(wǎng)絡(luò)權(quán)重基站為對(duì)象，研究建立無(wú)線接入能耗模型，探討基站輻射方案和移動(dòng)臺(tái)接入方案。并在確保服務(wù)質(zhì)量（qualityofservice，QoS）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)以最佳能效度為前提的最大化吞吐量目標(biāo)，最終形成科學(xué)控制的能效度評(píng)估機(jī)制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)表明，5G網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)在提升異構(gòu)多層次超密集網(wǎng)絡(luò)能效度方面具有科學(xué)的部署成效。

關(guān)鍵詞：能效，超密集，基站，移動(dòng)臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2023）02-0086-（04）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.018

為順應(yīng)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)融合部署推進(jìn)并提升5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模移動(dòng)接入能力，運(yùn)營(yíng)商采用在宏站網(wǎng)絡(luò)中引入大規(guī)模微站的策略。雖然取得一定成效但大規(guī)模微站產(chǎn)生的能耗也在一定程度上影響了5G網(wǎng)絡(luò)部署成效。因此對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)部署能耗情況進(jìn)行必要的控制顯得尤為重要。針對(duì)能耗部署的研究，以文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]為代表的研究成果主要集中討論多個(gè)微站構(gòu)成的多小區(qū)內(nèi)的小型分區(qū)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案。然而小型分區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與5G現(xiàn)狀復(fù)雜的分區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不完全吻合。文獻(xiàn)[3]則只針對(duì)單個(gè)微站構(gòu)成的單個(gè)小區(qū)進(jìn)行節(jié)能研究，研究方法不足以應(yīng)對(duì)5G超密集基站分布下的能耗管理。文獻(xiàn)[4]研究通過(guò)科學(xué)分布基站來(lái)降低小區(qū)的能耗，但也只是針對(duì)同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言。此外，上述文獻(xiàn)在節(jié)能方面的研究大多數(shù)也僅僅只趨于考慮微站接入點(diǎn)的功率，并未顧及多層次基站分布對(duì)5G移動(dòng)業(yè)務(wù)造成的功耗影響。顯然這些相對(duì)單一的功耗管理模型未必能夠適用于采用超密集密度部署基站的5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制。因此，文章設(shè)計(jì)了多層次微站部署策略下的5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，并在該異構(gòu)模型基礎(chǔ)上構(gòu)思一種符合5G異構(gòu)超密集微站隨機(jī)分布概率下的能耗控制方案。

1異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

2能耗控制方案

3成效測(cè)評(píng)

為評(píng)估本文構(gòu)思的5G網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)科學(xué)性，在Matlab環(huán)境中通過(guò)部署8000個(gè)基站來(lái)模擬由微站和宏站構(gòu)成的5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。整個(gè)異構(gòu)全網(wǎng)覆輻射區(qū)域是直徑為600KM的圓形面積。微站和宏站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的能耗為25dBm、35dBm，電路能耗為20瓦和800瓦。移動(dòng)臺(tái)的撒布密度設(shè)計(jì)為每平方0.02個(gè)。接入信道的大尺度衰落設(shè)計(jì)為3，小尺度衰落是零均值、方差為1的瑞利損耗[10]信道。為確保QoS，微站層和宏站層目標(biāo)信噪比統(tǒng)一定義為0dB。為考察5G網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)的精度，該測(cè)試通過(guò)調(diào)整宏站和接入移動(dòng)臺(tái)的密度比例，以及微站和宏站的密度比例來(lái)觀察5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能耗利用率變化。

圖1描述了微站層和宏站層在遵循相同信噪比情形下，兩種類型基站密度變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效造成的變化。根據(jù)能耗控制思路和方案模型可知，當(dāng)在5G異構(gòu)超密集網(wǎng)絡(luò)中部署大規(guī)模微站為移動(dòng)臺(tái)提供接入服務(wù)時(shí)，全網(wǎng)將提供較大的最小數(shù)據(jù)通信速率，效能性較好，同時(shí)吞吐量也將增加。然而隨著微站規(guī)模持續(xù)遞增，包括電路能耗、傳輸能耗、數(shù)據(jù)通信能耗等在內(nèi)的能效度將逐漸飽和。這樣的特征在圖中數(shù)據(jù)曲線的走勢(shì)上得到了體現(xiàn)。圖中兩組能耗度曲線在密度較低時(shí)逐漸升高，表現(xiàn)良好。但在抵達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值后開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后逐漸下降。這樣的走勢(shì)在不同的基站密度下表現(xiàn)出一樣的規(guī)律。此外，觀察測(cè)評(píng)結(jié)果也可看出當(dāng)部署不同的宏站密度時(shí)能耗度的最優(yōu)值也有所變化?？傮w而言，該能耗度最優(yōu)值將隨著5G全網(wǎng)基站目標(biāo)信噪比的增加而走高。究其原因是目標(biāo)信噪比和移動(dòng)業(yè)務(wù)服務(wù)速率呈正比，和基站覆蓋幾率呈反比。

圖2描述了微站層和宏站層在遵循相同信噪比情形下，宏站密度變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效造成的變化。圖中曲線走勢(shì)可見(jiàn)，根據(jù)式（6）推算出的5G全網(wǎng)數(shù)據(jù)曲線和實(shí)測(cè)曲線高度貼近。說(shuō)明了當(dāng)接入移動(dòng)臺(tái)分布密度和微站層微站分布密度跟宏站密度的比例能夠被確定，便可以得到最科學(xué)的宏站部署密度參數(shù)來(lái)提升5G全網(wǎng)的效能性。不僅如此，推算的數(shù)據(jù)曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線的高度吻和更加驗(yàn)證了式（6）的科學(xué)性。因此本組測(cè)評(píng)結(jié)果說(shuō)明了5G網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)是可行的。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高密度設(shè)計(jì)基站來(lái)提升5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的功率和效率，已成為建設(shè)5G的關(guān)鍵技術(shù)。文章構(gòu)思的5G異構(gòu)超密集網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)能耗模型，分析異構(gòu)多層基站網(wǎng)絡(luò)的部署密度、功耗需求、接入規(guī)模等因素，科學(xué)設(shè)計(jì)了5G全網(wǎng)效能度的組網(wǎng)評(píng)估機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，能耗控制技術(shù)下的評(píng)估機(jī)制部署在5G全網(wǎng)開(kāi)展組網(wǎng)策略具有良好的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]HuangXietian，XuWei，ShenHong，etal.Utility-energyefficiencyorienteduserassociationwithpowercontrolinheterogeneousnetworks[J].IEEEWirelessCommunicationsLetters，2018，7（4）：526.

[2]WuJingjin，ZhangYujing，Zukerman，etal.Energy-efficientbase-stationssleep-modetechniquesingreencellularnetworks：ASurvey[J].IEEECommunicationsSurveysamp;Tutorials，Secondquarter2015，17（2）：803.

[3]HanDS，ZhengB.Basestationsleepmechanismbasedonpowerconsumptionandenergycostbalance[J].TelecommunicationsScience，2017，33（7）：9.

[4]WeiZ，WeiL，XieY，etal.HybridBS-cooperativepowermanagementschemewithself-organizedsleepmodeinvirtualcell-basedfemtonetworks[J].InternationalJournalofDistributdeSensorNetworks，2012.178.

[5]唐春菊.基于能效和異構(gòu)服務(wù)的密集家庭小區(qū)資源分配[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2017，15（2）：223.

[6]章輝，李鸞，隋學(xué)銘，等.基于雙重路徑損耗的超密集網(wǎng)絡(luò)性能分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2020，53（1）：61.

[7]王雪，劉京，孫佳妮，等.基于譜聚類的異構(gòu)蜂窩超密集網(wǎng)絡(luò)高能效資源分配算法[J].通信學(xué)報(bào).2021，42（7）：162.

[8]AbdelnasserA，HossainE，KimD.ClusteringandResourceAllocationforDenseFemtocellsinaTwo-tierCellularOFDMANetwork[J].IEEETransactionsonWirelesCommunications，2014，13（3）：1628.

[9]余庚.5G超密集異構(gòu)系統(tǒng)自適應(yīng)虛擬組網(wǎng)研究[J].長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào).2021，40（10）：24.

[10]BjornsonE，SanguinettiL，KountourisM.Deployingdensenetworksformaxenergyefficiency：smallcellsmeetmassiveMIMO[J].IEEEJournalonSelectedAreassinCommunications，2016，32（4）：832.

Researchon5GNetworkEnergyConsumptionControl

CHENLiyan

（FujianVocationalCollegeofAgriculture，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian350007，China）

ABSTRACTThedeploymentoflarge-scalebasestationsin5gnetworkcouldnotonlyimprovethedatacommunicationefficiencyofthewholenetwork，butalsoreducedtheenergyefficiencyofthewholenetwork.Tosolvethisproblem，thispaperproposedanenergyconsumptioncontroltechnology.Basedonthecomprehensiveconsiderationofthespacing，densityandsignal-to-noiseratioofbasestationsindifferentlayers，takingtheweightedbasestationsofheterogeneousmulti-levelandultradensebasestationsastheobject，thistechnologystudiedandestablishedthewirelessaccessenergyconsumptionmodel，anddiscussedthebasestationradiationschemeandmobilestationaccessscheme.Onthebasisofensuringthequalityofservice（QoS），thegoalofmaximizingthroughputonthepremiseofoptimalefficiencywasrealized，andfinallyanevaluationmechanismforscientificcontrolofenergyconsumptionwasformed.Theexperimentalevaluationshowedthat5gnetworkenergyconsumptioncontroltechnologyhadascientificdeploymenteffectinimprovingtheeffectivenessofheterogeneousmulti-levelandultradensenetworks.

KEYWORDSEnergyEfficiency；SuperDense；BaseStation；MobileStation；Access

（責(zé)任編輯王一諾）