[发明专利]一种考虑小区差异的密集网络能耗及能效联合优化方法

权利要求书

1.一种考虑小区差异的密集网络能耗及能效联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、每个小基站统计其负载及邻居基站信息，上报给本地网关，本地网关计算他们的能效偏好函数；

所述步骤S1包括以下过程：

a)本地网关初始化每个小基站的最大负载门限Γ以及用于判断邻居基站的距离门限D_th；

b)每个用户根据RSRP选择其服务基站，每个小基站统计其服务用户数，并依赖一个嗅探器检测其邻居基站，将周围距其距离小于D_th的小基站标记为邻居基站，并统计其邻居基站的数量；

c)各小基站将负载信息及获得的邻居信息告知本地网关；

本地网关根据收到的信息，计算各小基站的负载因子ρ及邻居密度ζ，并分别计算ρ与ζ对能效偏好的影响为及常数b与d根据需要设置，运营商根据小基站的负载和邻居密度的相对重要性，选择权衡因子α₁及α₂，α₁+α₂＝1；从而得到各小基站关于ρ与ζ的能效偏好ω(ρ,ζ)＝α₁ω₁(ρ)+α₂ω₂(ζ)

S2、计算密集网络的能耗及能效，考虑能效偏好函数，将能耗及能效联合优化问题建模为多目标优化问题；

所述步骤S2实现方法如下：

各小基站通过轮询方式为其服务的用户分配子信道，通过运营商得到各小基站在每一个子帧内的传输功率p_sk[n]，运营商记录每个小基站在每个子帧上的状态a_sn，功率放大器效率相关的能耗因子为△_P，小基站的静态电路功耗及休眠时的功耗分别为P_c与P_s，从而能够计算密集网络的能耗及能效；

所述步骤S2的具体步骤如下：

a)对于每个小基站，系统带宽B被分成K个子信道，每个子信道的带宽为B₀[Hz]；每个帧包括N个子帧，每个子帧持续时间为T_sf，每个小基站的子帧状态由子帧配置矩阵A＝[a_sn]_S×N表示，a_sn＝1表示小基站s在子帧n内为激活状态，反之，a_sn＝0表示小基站s在子帧n内为休眠状态；

b)在子帧n内，对于小基站s，可以计算占用信道k的用户m的SINR为用户m受到来自密集网络中其他小基站的干扰为

c)根据香农公式计算相应的传输数据速率R_skm[n]＝αT_sfB₀log₂(1+γ_mk[n])，由此可以得到在一个帧内用户m的平均数据速率为

d)小基站s信道k上的功耗为小基站s在信道k能效

e)根据各小基站的能效偏好ω(ρ,ζ)，可以得到基于小基站差异性的密集网络能效为网络能耗为

f)将密集网络的能耗及能效联合优化问题建模为多目标优化问题如下：

S3、采用基于合作休眠集的子帧配置算法，优化各小基站的子帧配置Α^*，降低网络能耗；

所述步骤S3的实现方法为：

计算每个小基站在非合作情况下，满足服务用户速率时所需要的激活子帧数，之后，网络中小基站形成合作休眠集，同一个合作休眠集中的小基站的激活子帧相互正交，在其他子帧上休眠降低网络能耗；

所述步骤S3的具体步骤如下：

为了减少激活子帧的数量，首先假设每个小基站在其子信道上均以最大功率服务用户，则对于每个小基站，其能耗取决于激活子帧数量，能耗最小化问题等价于：

N_act＝{N_1,act,N_2,act,K,N_S,act}为各小基站的激活子帧数量矢量，N_s,act∈{0,1,K,N}为小基站s在一个帧内的激活子帧数；假设小基站s的用户m需要N_sm,act个激活子帧保证其目标速率且其分配的子信道数目为K_m，对应的子信道集合为则其在每个激活子帧上目标速率需要达到且小基站s在用户m占用的子信道k上的功率为

可以得到在K_m个子信道上，小基站s服务用户m所需要的总功率为K_mp_skm，为了方便，定义将p_skm带入到能耗最小化的目标函数中，并将N_sm,act松弛为[0,N]间的一个实数，则原先的目标函数变为

为的势，表示小基站s服务的用户数量；该问题为凸优化问题，求解可以得到每个用户所需要的最优化子帧数量如下：

其中lambertw(·)为Lambert W函数，定义为f(W)＝We^W的反函数，K_m为用户m分配到的子信道数目，I_mk为用户m受到来自密集网络中其他小基站的干扰，其表达式为：

小基站s所需的使网络能耗最低时所需的激活子帧数目为

由于激活子帧数目为整数，故用表示最优激活子帧数目；由N_sm,act的表达式可知，其受同层干扰的影响，为了进一步减少激活子帧数量，小基站可以形成合作休眠集，并在合作休眠集内分配正交激活子帧服务用户，从而可以避免组内同层干扰，在其余子帧休眠以降低网络能耗；

基于合作休眠集的子帧配置算法具体步骤如下：

a)本地网关根据各小基站的能效偏好ω(ρ,ζ)由大到小，将小基站存储在一个权重列表中，初始化合作休眠集的结构包含S个成员，每个成员对应于一个小基站，在合作休眠集中，各成员按照权重列表中的顺序进行排列；

b)每个小基站计算其满足服务用户速率需求条件下使网络能耗最低时所需的激活子帧数目，并上报给本地网关；

c)各小基站的根据其干扰基站所需的激活子帧数目，由大到小将他们存储在一个干扰列表中；

d)i＝0；

e)合作休眠集结构中的第i个成员依次与其干扰列表中的干扰基站进行合作，试图形成一个新的合作休眠集，合作休眠集中各小基站分配正交激活子帧服务用户，计算合作后各自所需的激活子帧数目，如果新形成的合作休眠集中各小基站所需的激活子帧数目不大于N，则新合作休眠集形成成功，中的第i个成员更新为刚形成的合作休眠集，并继续执行本步骤e)；否则，执行下一步骤f)；

f)新合作休眠集形成失败，判断中的成员是否遍历完成，若完成，执行下一步骤g)；否则，令i＝i+1，执行上一步骤e)；

g)对于形成的合作休眠集结构，各休眠集中成员不会产生重叠，每个合作集中的各小基站分配正交的激活子帧，在分配的激活子帧上服务用户，在剩余的子帧上休眠以减少网络能耗；

S4、采用基于凹凸过程的功率分配算法，求解最优功率P^*，优化网络能效。