一種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈的能效提升方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈的 能效提升方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，各種無線通信技術(shù)不斷演進(jìn)，尤其是蜂窩數(shù)據(jù)通信技術(shù)迅速發(fā)展，給人們 的生產(chǎn)生活帶來重大影響。通過不斷的技術(shù)革新，蜂窩數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)演進(jìn)到了第四代 (即4G)，通信速率與質(zhì)量等各方面都能有了前所未有的改善。由于采用正交頻分復(fù)用技術(shù) 和多入多出天線技術(shù)，并在空中接口技術(shù)上做了不同于第三代（即3G)的重要改進(jìn)，第四代 蜂窩通信技術(shù)可以達(dá)到以20MHz的帶寬為用戶提供100Mbps的下行峰值速率與50Mbps的 上行峰值速率，并能支持l〇〇km的最大覆蓋范圍以及350km/h的高速移動通信。
[0003] 隨著4G技術(shù)的發(fā)展，用戶對多媒體業(yè)務(wù)的需求空前高漲。正是由于蜂窩通信行業(yè) 的迅猛發(fā)展，其消耗的巨大能量已經(jīng)引起了各界的高度重視。一個接入電網(wǎng)的基站平均每 年要花費(fèi)大約3000美元在購買電量上，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)的多數(shù)基站是使用柴油機(jī)工作的，可 能會花費(fèi)前者的10倍以上。更為嚴(yán)重的是，如此巨大的能量消耗直接導(dǎo)致了大量溫室氣體 的排放，這已經(jīng)成為了對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的最大威脅。溫室氣體不僅造成全球氣溫 上升以及各地氣候異常等環(huán)境危害，還在嚴(yán)重危害著人類的身體健康。因此，提高網(wǎng)絡(luò)中的 數(shù)據(jù)速率與傳輸能量效率成為蜂窩網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。
[0004] 微微蜂窩技術(shù)具有易管理、低成本、基于IP協(xié)議傳輸、保證室內(nèi)無線覆蓋等特點(diǎn)， 一直受到各國研究人員的重視。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中布置微微蜂窩，可以擴(kuò)大信號覆蓋范圍、提高 服務(wù)質(zhì)量。同時布置一定數(shù)量的微微蜂窩基站可以分流數(shù)據(jù)負(fù)載，大大改善網(wǎng)絡(luò)性能。然 而，在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提高能量效率涉及許多問題。
[0005] 有研究人員提出利用休眠或作業(yè)上傳云端處理的方式來降低終端能耗。然而這些 都只是考慮了終端的能耗而沒有考慮到基站的能耗，實(shí)際上基站才是整個網(wǎng)絡(luò)中最重要的 能耗來源，降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站的能耗對網(wǎng)絡(luò)能量效率的提升有更重要的作用。利用協(xié)同 多點(diǎn)傳輸協(xié)議，可以在每一時間段選擇性關(guān)閉一個區(qū)域中的某些小區(qū)的基站，擴(kuò)大其余活 動基站的覆蓋范圍為所有用戶提供服務(wù)，然后下一時間段關(guān)閉另一些基站，從而降低基站 平均耗能。同時，微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍小，傳輸距離短，可以有效地減少通信能量消耗。 有研究表明，通過在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中布置微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以極大程度地降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗， 但是更加合理的功率控制方案仍然需要進(jìn)一步研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈 的能效提升方法，采用感知無線電技術(shù)動態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)中有限的頻譜資源，以最少的功率消 耗傳輸最多的數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過對頻譜、信道和功率資源進(jìn)行動態(tài)分配以提升能量效率，將 其模擬為兩個階段的Stackelberg博弈過程，互相競爭資源達(dá)到動態(tài)均衡。
[0007] 本發(fā)明提供一種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈的能效提升方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1以信道容量與傳輸功率的比率作為能量效率，分別定義微微蜂窩基站與宏 蜂窩基站的通信能量效率，其中，所述微微蜂窩基站的能量效率9 :
[0009]
[0010] 其中，G2表示通信信道的增益；S2表示信道的零均值加性高斯白噪聲；bu表示微 微蜂窩基站FBSiS微用戶FUEj分配的頻譜帶寬；p表示微微蜂窩基站FBS微用戶FUE。 設(shè)置的發(fā)射功率；
[0011] 所述宏蜂窩基站的能量效率9。為：
[0012]
[0013] 其中，1^表示宏蜂窩基站MBS為宏用戶MUEk分配的頻譜帶寬；Plj表示MBS為宏用 戶MUEk設(shè)置的發(fā)射功率；
[0014] 步驟2基于能量效率分別為所述微微蜂窩基站與所述宏蜂窩基站的建立博弈的 數(shù)學(xué)模型，以及整個異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，其中，所述微微蜂窩基站的數(shù)學(xué)模型為：
[0015]
[0016] 其中，a;表不與微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先權(quán)有關(guān)的非負(fù)系數(shù)；0 ;表不與一個微微蜂窩 中的用戶數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的非負(fù)系數(shù)；c表示生產(chǎn)一個單位功率需要的成本系數(shù)；
[0017] 所述宏蜂窩基站的數(shù)學(xué)模型為：
[0018]
[0019] 其中，a。表示與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先權(quán)有關(guān)的非負(fù)系數(shù)邛。表示與宏蜂窩中的用戶 數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的非負(fù)系數(shù)；
[0020] 所述整個異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為：
[0021]
[0022] 其中，N表示微微蜂窩基站總數(shù)；
[0023] 步驟3基于所述步驟2的各數(shù)學(xué)模型運(yùn)行能效提升算法，將異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的頻 譜分配與功率控制構(gòu)建為一個兩階段Stackelberg博弈模型：在第一階段，所述宏蜂窩基 站作為領(lǐng)導(dǎo)者為所述微微蜂窩基站分配頻譜資源；在第二階段，所述宏蜂窩基站和所述微 微蜂窩基站作為領(lǐng)導(dǎo)者，根據(jù)自己得到的帶寬為各自的用戶分配合理的資源，用戶則作為 第二階段的跟隨者，根據(jù)通信帶寬選擇自己的傳輸功率以最大化能量效率。
[0024] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0025] 1、本發(fā)明可以根據(jù)用戶的分布位置（是否在微微蜂窩基站的覆蓋范圍內(nèi)）動態(tài)調(diào) 整優(yōu)化宏基站對微基站的頻譜分配策略以及基站（包括宏基站與微基站）對用戶的頻譜分 配策略，從而能夠最大程度提高緊缺的頻譜資源的利用率；
[0026] 2、本發(fā)明還能夠根據(jù)用戶的分布位置動態(tài)調(diào)整基站對其用戶的發(fā)射功率，從而最 大程度降低基站的功耗；
[0027] 3、本發(fā)明在動態(tài)調(diào)整基站的頻譜策略與功率的同時，始終能夠保證滿足不同用戶 的不同數(shù)據(jù)率需求。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈的能效提升方法的流程圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明兩階段Stackelberg博弈模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032]圖1所示為本發(fā)明異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)示意圖。在本發(fā)明實(shí)施例中，考慮一個區(qū)域中有 一個宏蜂窩（LTE)小區(qū)以及多個微微蜂窩基站（FemtocellBaseStation，以下簡稱FBS) 的場景。每一個FBS都通過有線寬帶連接到宏蜂窩基站（MacrocellBaseStation，以下簡 稱MBS)，從而用戶就可以通過FBS獲得蜂窩網(wǎng)的數(shù)據(jù)，而不占用無線頻譜資源。用戶隨機(jī)分 布在整個宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，其中，在宏蜂窩覆蓋范圍內(nèi)的用戶稱為宏用戶（MUE)，部分在微微 蜂窩覆蓋范圍內(nèi)的用戶稱為微用戶（FUE)。網(wǎng)絡(luò)中所有用戶都處于MBS的覆蓋范圍內(nèi)，都可 以選擇接入MBS獲取數(shù)據(jù)和語音服務(wù)。對于處于FBS信號覆蓋范圍內(nèi)的微用戶，則可以根 據(jù)服務(wù)質(zhì)量和能量消耗自主選擇接入二者中任何一個網(wǎng)絡(luò)。
[0033] 宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)會分配到一段固定的頻譜資源，而FBS則利用感知無線電技術(shù)對宏蜂 窩網(wǎng)絡(luò)分配的頻譜資源進(jìn)行空閑頻譜檢測，從而接入該空閑頻譜。當(dāng)某個FBS需要接入頻 譜時，MBS會主動探測周圍無線環(huán)境，感知有哪些頻段已經(jīng)分配給其他FBS或正在被用戶使 用，感知有哪些頻段是空閑的，然后對空閑頻段進(jìn)行智能的選擇，把最優(yōu)的頻段分配給提出 申請的FBS。每次分配的資源都有固定的期限，分配期限結(jié)束后MBS會回收分配出去的資 源。因此，實(shí)現(xiàn)了頻譜資源動態(tài)分配，從而極大地提高了資源利用率。必須要說明的兩點(diǎn)是， 在本發(fā)明實(shí)施例中，傳輸機(jī)制都是基于正交頻分多址（OrthogonalFrequency-Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)，所考慮的系統(tǒng)為時分通信系統(tǒng)。
[0034]假設(shè)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中布置了N個微微蜂窩基站（FBS)，在一個時隙內(nèi)，每個FBS可以 為L個微用戶（FUE)提供服務(wù)，而每個MBS可以為M個宏用戶（MUE)提供服務(wù)（L、M、N都是 假設(shè)的常量）。當(dāng)MBS有WMHz的頻譜可用，其會將&MHWB'W)的帶寬出租給FBSji= {1，2*"N})。而一個微用戶FUEjj= {1，2…L})則可以使用h
的帶 寬和PljWatt(表示FBS#微用戶FUE之間通信的功率）的功率與FBSi通信，一個宏用戶 皿1^與MBS通信時有bQk
的帶寬并使用PQkWatt(表示MBS與MUEk 之間通信的功率）的功率。
[0035] 圖2所示為本發(fā)明異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于博弈的能效提升方法的流程圖，具體包括 以下步驟：
[0036] 步驟1定義能量效率。在本發(fā)明實(shí)施例中，定義能量效率為單位時間內(nèi)1焦耳能 量可以傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，分別定義微微蜂窩基站與宏蜂窩基站的通信能量效率。
[0037] 在本發(fā)明實(shí)施例中，定義基站FBSi的能量效率0i為單位時間內(nèi)1焦耳能量可以 傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，形式如下：
[0038]
[0039] 其中，G2表示通信信道的增益；S2表示信道的零均值加性高斯白噪聲；bu表示 FBSiS微用戶FUEj分配的頻譜帶寬；p表示FBS微用戶FUEj設(shè)置的發(fā)射功率。
[0040] 與微基站同理，定義宏基站能量效率9。形式如下：
[0041]
[0042] 其中，bQk表示MBS為宏用戶MUEk分配的頻譜帶寬；p表示MBS為宏用戶MUE淡 置的發(fā)射功率。
[0043] 步驟2建立博弈模型?；诓襟E1定義的能量效率，分別為微微蜂窩基站與宏蜂 窩基站的通信建立博弈的數(shù)學(xué)模型以及整個異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。具體包括以下子步 驟：
[0044] (2-1)構(gòu)建微微蜂窩基站的數(shù)學(xué)模型
[0045] 對于FBSi而言，其目標(biāo)就是在考慮成本的前提下使能量效率最大化，因此本發(fā)明 實(shí)施例將FBSi的效用函數(shù)設(shè)計(jì)為關(guān)于能量效率的函數(shù)UFi:
[0046]
[0047] 其中，ai表示一個與微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先權(quán)有關(guān)的非負(fù)系數(shù)（一個微微蜂窩的通信 優(yōu)先權(quán)越高則a值越大）表示一個非負(fù)系數(shù)，與一個微微蜂窩中的用戶數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)相關(guān)（用戶數(shù)量越多越密集則0越大，具體數(shù)學(xué)關(guān)系有待進(jìn)一步確定）表示生產(chǎn)一個 單位功率需要的成本系數(shù)（常數(shù)，由產(chǎn)生功率的方式確定）。
[0048] (2-2)構(gòu)建宏基站的數(shù)學(xué)模型
[0049] 本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)建MBS的效用函數(shù)UM形式為：
[0050]
[0051] 其中，a。表示與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先權(quán)有關(guān)的非負(fù)系數(shù)（通信優(yōu)先權(quán)越高則a值越 大）；0。表示一個非負(fù)系數(shù)，與宏蜂窩中的用戶數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)（用戶數(shù)量越多越密 集則0越大，具體數(shù)學(xué)關(guān)系有待進(jìn)一步確定）。
[0052] (2-3)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型
[0053] 整個網(wǎng)絡(luò)的收益應(yīng)該是整個網(wǎng)絡(luò)的能量效率，也可以看作是將FBS的收益作為 MBS收益的一部分，與MB