高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高密度的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，流量需求隨著時間在發(fā)生著變化，給基站的負載帶來了很大 的不確定性。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)一般根據(jù)峰值流量需求采取固定的規(guī)劃部署，這樣并不能 將基站部署在最優(yōu)的位置，同時也降低了整體的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和非峰值時間段的用戶服務(wù)質(zhì) 量，由此造成了嚴重的能量浪費并給網(wǎng)絡(luò)運營者帶來了很高的成本負擔(dān)。因此，為了滿足 不斷增長的應(yīng)用需求并為用戶提供高質(zhì)量和低成本的服務(wù)，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上我們 可以通過小蜂窩的部署，形成異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。合理的小蜂窩密度，對網(wǎng)絡(luò)的整體性能至關(guān)重 要，既不能太稠密，也不能太稀疏。當(dāng)小蜂窩太稠密時，嚴重的干擾會使得容量的增益受到 限制；當(dāng)小蜂窩太稀疏時，網(wǎng)絡(luò)的性能難以滿足不斷增長的流量需求。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站 消耗了絕大部分的能量。基站的能量消耗可以分為兩個部分，包括射頻信號的傳輸能量和 電路的消耗能量?？紤]到功率放大器的效率，射頻信號的傳輸能量僅為功率放大器消耗能 量的很小一部分。電路能量消耗包括基帶信號處理，冷卻和電池備份等等。當(dāng)一個基站關(guān) 閉進入睡眠狀態(tài)后，它只會消耗非常有限的能量以維持最基本的運行。因此，將空閑的基站 關(guān)閉能夠減少大量的能量消耗。通過合理地部署小基站并控制切換基站的運行狀態(tài)，可以 達到提升整個網(wǎng)絡(luò)能量效率的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法。 如圖1所示，其是在考慮動態(tài)流量需求的基礎(chǔ)上，提出的一種能夠保障能量效率的異構(gòu)蜂 窩網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃方法。將小基站部署、小基站的狀態(tài)控制和用戶關(guān)聯(lián)結(jié)合起來處理，以達到 提升整個系統(tǒng)能量效率并確保服務(wù)質(zhì)量的效果。本發(fā)明解決了在現(xiàn)有的3/4G宏蜂窩網(wǎng)絡(luò) 的基礎(chǔ)上部署小基站并對小基站的運行狀態(tài)進行控制的問題。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：首先根據(jù)實際場景的安裝條件在該區(qū)域選取一些候選部署 點用于小基站的部署，在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃后僅有一部分候選部署點有小基站部署。在已經(jīng)部 署的基站當(dāng)中，可以根據(jù)當(dāng)前流量狀態(tài)對基站進行控制，使其處于活動或者睡眠狀態(tài)。
[0005] 具體的，考慮在一片指定區(qū)域部署一個兩層的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域中心有一個 宏基站。首先假設(shè)在所有的候選部署點都部署有小基站，然后依次確定在每個流量狀態(tài)下 的基站狀態(tài)，最后將所有流量狀態(tài)下的基站狀態(tài)綜合起來確定小基站的部署，部署規(guī)則是： 如果候選部署的小基站在所有流量狀態(tài)下都處于睡眠狀態(tài)，則在該候選部署點不部署小基 站，其它候選部署點均需部署小基站。
[0006] 假設(shè)該指定區(qū)域內(nèi)候選基站數(shù)量為S，用戶數(shù)量為M。算法輸入為該指定區(qū)域的 所有流量狀態(tài)T = {1. . . τ}，輸出為基站的運行狀態(tài)
和基站部署 Z= [Zjixs。在算法中的臨時變量的定義依次是W表示上一次迭代中的基站狀態(tài)，B = UsxmA= [C1WO= [dk]1XM分別用來保存所有基站和用戶的度數(shù)。對于任意基站 i，其度數(shù)指的是與基站相連的用戶數(shù)，計算方法為
R對任意用戶k，其度數(shù) 指的是與用戶相連的基站數(shù)，計算方法為
C和D中的元素初始化為0， 中的元素初始化為1。
[0007] 對于每一個流量狀態(tài)，算法的每一步迭代包括3個步驟，依次是：1)建立連接圖； 2)刪除多余的連接；3)檢查能否進一步關(guān)閉活動基站。
[0008] 1)建立連接圖：首先根據(jù)公式
計 算所有基站和用戶之間的信干燥比值并與設(shè)定的中斷閾值進行比較，其中P1, k和P u分別 表示基站i和基站j對用戶k的發(fā)射功率，gl,k和g j>k分別表示基站i和基站j與用戶k之 間的信道增益，S 2表示噪聲功率。以上這些參數(shù)由實際系統(tǒng)決定。
[0009] 對于任意基站i和任意用戶k，如果信干燥比值大于中斷閾值，則基站i可以作為 用戶k的候選基站，或用戶k可以作為基站i的候選用戶，將基站i和用戶k連接起來，令 b1>k= 1 ;如果信干燥比值小于中斷閾值，基站i和用戶k不連接，令b1>k=0。通過遍歷所 有基站和用戶，可以得到所有活動基站和用戶之間可能的連接關(guān)系，存到矩陣B，同時也可 以獲得所有活動基站和用戶的度數(shù)，分別保存到C和D。假設(shè)每個用戶只被一個基站服務(wù)， 每個基站有最大服務(wù)用戶數(shù)的限制，這樣每個用戶節(jié)點的度數(shù)不超過1，每個基站節(jié)點的度 數(shù)不超過基站能服務(wù)的最大用戶數(shù)，因此需要刪除多余的連接。
[0010] 2)刪除多余的連接：這一步用于刪除冗余的連接，以確定基站和用戶的對應(yīng)關(guān) 系。
[0011] 當(dāng)D中的最大值大于1時，D中至少存在一個度數(shù)大于1的用戶，這意味著在網(wǎng)絡(luò) 中存在多余的連接。首先，找出最大度數(shù)的基站的序號j，這種潛在連接數(shù)最多的基站可以 作為活動基站優(yōu)先考慮，將基站j設(shè)置為活動基站。如果該基站的度數(shù)大于其能服務(wù)的最 大用戶數(shù)，將依次刪除該基站與用戶集合中度數(shù)最大的用戶的連接，直到該基站的度數(shù)等 于其最大服務(wù)用戶數(shù)為止。當(dāng)確定了基站和用戶的關(guān)聯(lián)之后，將刪除這些用戶與其它基站 的連接，同時更新B、C和D，將上一次迭代的基站狀態(tài)保存到Y(jié)，并根據(jù)C的值計算A t。對 于任意基站i，如果Ci> 0，則a ;= 1，將基站設(shè)為活動基站，否則a ;= 0,將該基站關(guān)閉。
[0012] 3)檢查能否進一步關(guān)閉活動基站：如果在刪除多余的連接之后，沒有活動的基站 被關(guān)閉，或者A = A'滿足，將嘗試進一步關(guān)閉活動的基站并檢查整體的中斷用戶數(shù)條件 (發(fā)生中斷的用戶數(shù)占總用戶數(shù)的比值小于閾值τ)是否成立。將所有活動基站按度數(shù)從 小至大進行排序，從度數(shù)最小的基站檢查起。每關(guān)閉一個基站j'，都重復(fù)之前"建立連接圖" 和"刪除多余的連接"的操作。如果存在一個基站，當(dāng)關(guān)閉該基站時中斷用戶數(shù)條件成立， 則跳出進入外循環(huán)繼續(xù)迭代。如果當(dāng)關(guān)閉掉任何基站時中斷用戶數(shù)條件都不成立，則輸出 流量狀態(tài)t下的基站狀態(tài)A t。
[0013] 在獲得所有流量狀態(tài)下的基站狀態(tài)后，綜合通過公式
得到最 終的基站部署結(jié)果。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 本發(fā)明設(shè)計了一種能夠保障能量效率的小蜂窩部署規(guī)劃方法。我們將小蜂窩部 署、小蜂窩的狀態(tài)控制和用戶關(guān)聯(lián)結(jié)合起來處理，以達到提升整個系統(tǒng)能量效率并確保服 務(wù)質(zhì)量的效果。實驗表明該方法的復(fù)雜性低，易于實現(xiàn)，不受地理條件的限制，適用于高密 度的小基站部署場景，對運營商在基站部署和規(guī)劃方面具有很好的指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法的偽代碼。
[0017] 圖2高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法在迭代中刪除多余連接后生成的連接 圖，隨機流量形態(tài)，小基站候選部署點的數(shù)目為24,用戶數(shù)為250。
[0018] 圖3高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法的最終連接圖，隨機流量形態(tài)，候選小基 站數(shù)為112。
[0019] 圖4不同頻譜配置下的系統(tǒng)性能比較，隨機流量形態(tài)，候選小基站數(shù)為24,用戶數(shù) 為 250。
[0020] 圖5聚集流量狀態(tài)下的最終連接圖，正交頻譜配置，候選小基站數(shù)為24,用戶數(shù)為 250〇
【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
[0022] 圖1給出了高密度異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署算法的偽代碼。該偽代碼的外循環(huán)表示 對各個流量狀態(tài)的遍歷，內(nèi)循環(huán)表示在各個流量狀態(tài)下算法運行的主要三個步驟。
[0023] 考慮在一片指定區(qū)域部署一個兩層的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域中心有一個宏基站。 首先假設(shè)在所有的候選部署點都部署有小基站，然后依次確定在每個流量狀態(tài)下的基站狀 態(tài)，最后將所有流量狀態(tài)下的基站狀態(tài)綜合起來確定小基站的部署，部署規(guī)則是：如果候選 部署的小基站在所有流量狀態(tài)下都處于睡眠狀態(tài)，則在該候選部署點不部署小基站，其它 候選部署點均需部署小基站。
[0024] 假設(shè)該指定區(qū)域內(nèi)候選基站數(shù)量為S，用戶數(shù)量為M。算法輸入為該指定區(qū)域的 所有流量狀態(tài)T = {1. .. T}，輸出為基站的運行狀態(tài)：
和基站部署 Z= [Zjixs。在算法中的臨時變量的定義依次是W表示上一次迭代中的基站狀態(tài)，B = UsxmA= [C1WO= [dk]1XM分別用來保存所有基站和用戶的度數(shù)。對于任意基站 i，其度數(shù)指的是與基站相連的用戶數(shù)，計算方法為
對任意用戶k，其度數(shù) 指的是與用戶相連的基站數(shù)，計算方法為
.C和D中的元素初始化為0， 中的元素初始化為1。
[0025] 對于每一個流量狀態(tài)，算法的每一步迭代包括3個步驟，依次是：1)建立連接圖； 2)刪除多余的連接；3)檢查能否進一步關(guān)閉活動基站。 LlN 丄U01ZU4b0 A yJ^ rVJ 4/0 JM
[0026] I)建立連接圖：首先根據(jù)公式
計 算所有基站和用戶之間的信干燥比值并與設(shè)定的中斷閾值進行比較，其中P1, k和P U分別 表示基站i和基站j對用戶k的發(fā)射功率，gl,k和g j>k分別表示基站i和基站j與用戶k之 間的信道增益，S 2表示噪聲功率。以上這些參數(shù)由實際系統(tǒng)決定。對于任意基站i和任 意用戶k，如果信干燥比值大于中斷閾值，則基站i可以作為用戶k的候選基站，或用戶k可 以作為基站i的候選用戶，將基站i和用戶k連接起來，令K k= 1 ;如果信干燥比值小于 中斷閾值，基站i和用戶k不連接，令b1>k= 0。通過遍歷所有基站和用戶，可以得到所有活 動基站和用戶之間可能的連接關(guān)系，存到矩陣B，同時也可以獲得所有活動基站和用戶