趙天呈
(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）
摘要：針對無定形小區節點可控制特性及基站的抗干擾及能效優化的需求，提出一種新的節點自適應部署機制。通過對小區內通信節點關閉或開啟的機制設置，系統可以在減少干擾的同時，增大業務吞吐量，提升能效。文章建立了宏小區中各個指標的數學模型，對節點的激活、休眠狀態的切換提出一種優化部署策略。在已知每日業務流量變化近似正弦曲線的情況下，對無定形小區優化前后的仿真結果進行對比，結果表明該方法降低了系統干擾，提升了系統吞吐量，且更加節能。
關鍵詞：無定形小區；干擾管理；能效優化
中圖分類號：TN91文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.019
引用格式：趙天呈. 一種小區節點的部署優化機制［J］.微型機與應用，2016,35（23）：65-68,72.
0引言
傳統蜂窩通信網對時間及頻率的復用效率較低，已經無法滿足飛速增長的通信需求，而無定形小區（Amorphous Cell，AC）由于動態分配通信資源的特性，網絡節點可跟隨業務特點靈活變化，在提升節能效益的同時，滿足用戶對服務質量的要求［1-3］。當業務量增大時，系統負載量增大，AC開啟部分無定形節點（Amorphous Node，AN）分擔業務量；當業務量較小時，系統處于低負載狀態，關閉部分無定形節點可以減少層間干擾，同時降低系統耗能［4-6］。無定形節點的組織分布及智能的狀態切換，是目前的一個研究熱點。
目前針對AN狀態切換的研究目的在于系統資源利用效率的提高。節點切換為休眠狀態時，需要考慮部署基站關閉的區域與關閉的節點數量；節點切換為激活狀態時，需要考慮切換時的耗能、引起的干擾，以及對小區業務吞吐量增強的效果。文獻［7］提出了狀態切換機制，由網絡監控業務量，用戶監聽周圍節點的負載量，以及設定到達一定激活量時全體激活的機制，該機制適用于傳統蜂窩網。文獻［8］提出了用戶監聽鏈路持續發送的節點信號，由用戶設備(User Equipment,UE)選擇節點激活的機制。該機制提高了資源利用效率，代價是其有較高的算法復雜度，且頻繁的信令交互過程占用較多通信資源。
傳統小區中節點狀態的切換部署機制并不適用于無定形小區。首先，AN狀態切換時占用了系統通信資源，對業務流量有一定影響；其次，AN是否需要激活主要取決于系統各個區域對負載的要求，不恰當的激活對系統容量提升有限。本文將搭建無定形小區數學模型，研究其中無定形節點的智能狀態轉換策略。
1無定形小區數學模型
假設宏小區下有N個基站(evolved Node Base，eNB)，每個eNB負責一塊區域，該eNB用Bi表示，且所有eNB的集合為B。區域Bi下有Di個節點，包括eNB和AN，且有AN節點集合D=D1∪D2∪…∪DN。宏小區內所有的AN節點被劃分為多個區域，且在基站覆蓋范圍內，每個AN與一個eNB通過回傳鏈路連接。設每個AN節點的功率為PA，eNB的功率為PM。小區模型如圖1所示。
在現實情況中，小區中業務需求的熱點區域，隨時間的推移及小區中各個區域的人流分布，往往呈現一定的規律性，本文將以業務流量為基礎進行分析。根據業務分布的泊松，假設λk為平均業務到達率，服務需求期望為1/μk，則每個用戶需要流量為：
該式從側面反映了用戶對服務質量的需求。
假設Ak,i,j代表用戶k選擇的小區區域，區域的選擇由式（2）計算：
其中，j=0時，用戶選擇Bi，j≠0時，用戶選擇Bi下的一個AN，hk,i,j表示用戶k與eNBi之間的信道增益。令MUEK代表與eNB連接的用戶K，AUEk代表與AN連接的用戶K。因此MUEK連接產生的信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為:
令系統帶寬為BW，該MUE接入時信道容量為：
AUE接入鏈路時，有信噪比及信道容量：
回傳鏈路時，有信噪比及信道容量：
可以得出ANj下鏈路總傳輸速率為：
基站i的能耗與接收到的任務量有關，可以表示為：
用τ代表某節點j接入基站i所需的時間占基站i連接到用戶終端耗時的比例。則該節點j在與用戶設備通信的過程中的能耗可以表示為：
連接時射頻端能耗：
當節點休眠時，所有能耗為0，即：
對無定形節點部署的優化評估可以用吞吐量代表：
2小區中節點分層休眠策略
由于無定形小區中宏基站(Donor eNB,DeNB)覆蓋范圍廣，用戶可以自動接入附近的基站，選擇性地休眠基站不會導致用戶無法通信。同時，宏基站引起的干擾較普通節點更大，選擇性休眠宏基站利于系統抗干擾，且更加節能。所以系統采取優先關閉宏基站的策略。在基站關閉影響通信的情況下，系統選擇關閉基站部分節點。
2.1宏基站關閉策略
令被關閉的基站B周圍可接入的基站集合為Nb，該基站下微基站的集合為NbAN，假設節點和用戶選擇的最優接入節點為XAN、XUE，則有：
將選擇接入節點y的用戶設為ΔψANy，接入未關閉基站X的用戶設為ΔψMUEx,則接入后設備的功率可表示為：
為防止同時關閉多個相鄰基站的策略漏洞，引入影響因子Fb，衡量關閉基站后其他eNB的負載：
每次關閉基站前，參考此負載衡量條件。
2.2AN關閉策略
無定形小區節點的部署目的是降低周圍基站負載，擴大業務吞吐量，消除系統盲點。同時，節點的開啟不可避免會引起相鄰節點與基站之間的干擾問題。此時需要衡量節點開啟后提升的業務量是否足夠抵消產生的干擾問題。
是否開啟節點，需要考慮開啟后基站能否處理增加的業務量，即節點y達到滿足傳輸速率：
且接入后基站功率滿足：
2.3節點關閉流程
圖2表示了關閉節點的信令流程。如圖所示，宏基站向子節點發送關閉申請，子節點分別進行鄰近基站負載評估，評估完成后，決定是否關閉宏基站。節點關閉的步驟描述如下：
(1)宏基站DeNB提出休眠申請，向用戶端UE和無定形節點AN發送次優基站；
(2)UE和AN收到轉移指令后，計算轉移后的基站和節點的負載；
(3)所有目標eNB計算負載，分別決定是否同意DeNB休眠；
(4)DeNB收到所有相鄰的eNB同意休眠的指令后，控制中心發送休眠申請及影響因子Fb；
(5)控制中心同意后，DeNB進入休眠狀態，且UE和AN切換接入。
3小區中節點開啟策略
無定形小區具有業務量一天內起伏波動的特性。如果給節點設置一個不變的開啟門限，在系統狀態不斷波動的過程中，可能導致節點的狀態切換過于頻繁。所以，本文提出閾值的余量系數KB，將其設置在0~1之間。即節點推算出系統負載在閾值余量范圍內波動時，不會導致節點激活。余量的要求如下：
基站判斷為開啟時，對余量的要求如下：
4仿真與性能分析
對算法結果進行仿真驗證，需要得知一個小區一天中業務量持續變化的模型，并在此模型的基礎上試驗節點與基站的狀態轉換對業務的消化量和系統耗能的影響。根據EARTH項目中的說明，一天中業務量的變化可以由一天中激活的用戶數反應［9］。為了方便仿真，將一天中的業務量變化近似為一條正弦曲線。在8點左右業務量到達谷底，20點左右業務量到達峰值。
圖3和圖4分別為一天內業務量較大時，小區經過算法優化前后，小區節點和基站的開啟狀態情況。令PM=PAN=0.85，KB=0.2。在業務量較大時，選擇關閉部分節點。圖中可以看出，算法選擇關閉基站周圍部分節點。這些節點對業務量承擔有限，同時引發節點之間的干擾，增加系統負擔，所以對這些節點選擇關閉。
圖5描述了優化前后，單位面積處理的業務量與系統消耗能量對應的變化關系。從圖中可以看出，當小區內用戶激活數量整體較低時，經過優化，系統耗能最高能達到優化前的一半左右。小區業務量上升，系統能耗隨之增加，但仍然低于優化前水平。仿真證明了該機制利于宏小區系統節能。
5結束語
本文研究了一種無定形小區中節點狀態切換的優化策略。該策略從系統負載、用戶接入、區間干擾、業務負載量、系統能耗5個角度對節點狀態建立模型，并對轉換機制進行設計，主要目的是節約系統資源。該機制中，節點和基站分情況開啟或關閉，并提出了相應的執行條件。仿真證明了該機制在滿足業務需求的同時達到節約系統耗能的目的。
參考文獻
［1］ PENG M G, LIANG D, WEI Y, et al.Self configuration and self optimization in LTEadvanced heterogeneous networks［J］. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(5): 36-45.
［2］ GONG J, THOMPSON J S, ZHOU S, et al.Base station sleeping and resource allocation in renewable energy powered cellular networks［J］. IEEE Transaction on Wireless Communications, 2013, 12(8): 1-30.
［3］ OH E, SON K, KRISHNAMACHARI B. Dynamic base station switching on/off strategies for green cellular networks［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 31(5):2126-2136.
［4］ WU J, ZHOU S, NIU Z S. Trafficaware base station sleeping control and power matching for energydelay tradeoffs in green cellular networks［J］.IEEE Trans. Wirel. Commun.,2013, 12(8):4196-4209.
［5］ SHAN L, LIU F, YANG F. Performance analysis of group handover scheme for IEEE 802［J］. 16j Enabled Vehicular Networks, 2009, 2(1):653-658.
［6］ 李娟, 田霖, 周一青,等. 面向高速鐵路的LTE 通信系統中的切換方法及系統:中國，1022413520 A［P］. 2012-04-11.
［7］ 郭冬梅. 無線通信中分集合并技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2010.
［8］ SOH Y S, MEMBER S, QUEK Y Q S, et al.Energy efficient heterogeneous cellular networks［J］. IEEE J. Sel. Areas Commun., 2013,31(5):840-850.
［9］ GUO W, O’FARRELLl T.Dynamic cell expansion with self organizing cooperation［J］.IEEE J.Sel.Areas Commun., 2013,31(5): 851-860.