5G网络能耗控制研究.pdf

网络能耗控制研究陈俐妍基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(编号)的研究成果之一收稿日期:作者简介:陈俐妍()福建福州人 硕士 讲师 研究方向:计算机技术:(福建农业职业技术学院 福建福州)摘要:在 网络中部署大规模基站虽能提升全网数据通信效率却也降低了全网能效度 针对该问题 文章提出一种能耗控制技术 该技术在综合考虑不同层基站间距、密度、信噪比的基础上以异构多层次超密集基站网络权重基站为对象 研究建立无线接入能耗模型 探讨基站辐射方案和移动台接入方案 并在确保服务质量()的基础上实现以最佳能效度为前提的最大化吞吐量目标 最终形成科学控制的能效度评估机制 经实验测评表明 网络能耗控制技术在提升异构多层次超密集网络能效度方面具有科学的部署成效 关键词:能效 超密集 基站 移动台 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/为顺应大数据和云计算等技术融合部署推进并提升 网络大规模移动接入能力 运营商采用在宏站网络中引入大规模微站的策略 虽然取得一定成效但大规模微站产生的能耗也在一定程度上影响了 网络部署成效 因此对 网络部署能耗情况进行必要的控制显得尤为重要 针对能耗部署的研究 以文献 和文献 为代表的研究成果主要集中讨论多个微站构成的多小区内的小型分区网络节能方案 然而小型分区网络拓扑结构与 现状复杂的分区网络结构并不完全吻合 文献 则只针对单个微站构成的单个小区进行节能研究 研究方法不足以应对 超密集基站分布下的能耗管理 文献 研究通过科学分布基站来降低小区的能耗 但也只是针对同构蜂窝网络而言 此外 上述文献在节能方面的研究大多数也仅仅只趋于考虑微站接入点的功率并未顾及多层次基站分布对 移动业务造成的功耗影响 显然这些相对单一的功耗管理模型未必能够适用于采用超密集密度部署基站的 异构网络节能控制 因此 文章设计了多层次微站部署策略下的 异构网络模型 并在该异构模型基础上构思一种符合 异构超密集微站随机分布概率下的能耗控制方案 异构网络模型在一个由 层基站构成的 异构超密集网络中 基站层数的集合记作 部署在第 层的基站各自接入功率呈现差异化 故每个基站服务的面积交叉重叠构成一个加权交叉网络 同时 文章设定每一层网络的功耗绝大部分来自于基站这一侧 第 层基站的部署遵循泊松分布 基站分布密度为 同时 接入基站的移动台方位遵循密度为 的独立泊松分布 令第 层基站的密度系数为 于是有 若第 层某个移动台接入到某个特定基站的间距为 该特定基站的接入功率为 假设该移动台能够从特定的基站获得比其他任何一个基站都高的接入功率 则其他任何一个基站都可能是一个引发干扰的基站对象 假设基站的传输功率和电路能耗分别为 和 将该基站定义为权重移动台 其规模为 将该特定基站定义为权重基站 同时定义权重移动台接入到权重基站的无线接入信道大尺度衰落系数为 小尺度衰落系数为 权重移动台从权重基站之外的(总第 期)(.)年第 期 九江学院学报(自然科学版)()所有基站接收到的噪声记作 于是 权重移动台信号的信噪比可记为 ()/()假设第 层网络中与移动业务关联的能耗因子为 则第 层基站这一侧的能耗表达为 能耗控制方案为使第 层基站具备足够的 为第 层的基站引入一个值为 的目标信噪比 则当该基站沿下行与移动台进行数据通信时信号的信噪比低于该目标值时 该数据通信将被终止 因此 接入到权重基站的权重移动台规模大小取决于 异构超密集网络中每一层接入的移动台密度以及权重基站覆盖的面积两个要素 从而确定出部署权重移动台规模的随机变量 假设基站辐射第 层网络的几率()为()即接入移动台接入第 层基站时该移动台能够服从目标信噪比的几率 于是 对于多层次 异构组网的基站而言 移动台被基站辐射到的几率记作:(/)/(/)/第 层基站受理权重移动台接入的几率是:(/)/()故 权重移动台信号达到预期信噪比情形下的基站辐射几率可进一步表征为()(/)/(/)/()假设基站下发给权重移动台的最小通信比特率为在预期目标信噪比情形下移动台所获的目标通信比特率 且基站采用均衡部署频谱资源的策略为接入该基站的移动台分配频谱 令随机变量的预期函数为 接入频谱带宽为 于是权重移动台接入到第 层基站的最小通信比特率 为:()/如若该层的目标信噪比恒为 则最小通信比特率进一步表征为:()/()()同时 求得第 层权重基站平均覆盖到移动台的规模是:()/综合上述三个算式 可得到整个 所有层次的异构超密集网络最小系统通信比特率为:()()根据文献的定义 此处引入能效度 该指标定义为 异构超密集网络最小系统通信比特率在全部功耗中的占比 表征为 ()/()将式()代入 表达式 可得:(/)(/)()/(/)/(/)/()为确保 异构超密 集 网 络 具 备 良 好 的 令 全网的宏站层和微站层具有一样的目标信噪比 且宏站和微站在 异构超密集网络中的分布系数分别为 和 进而将能效度做进一步变换 得到如下表达式:(/)/()/(/)/()/()/(/)(/)()从式()中可知 当接入异构 超密集网络的移动业务规模恒定时 不同层的基站密度将同时影响着 全网的效能度 若参照移动台分布的密度科学地将基站部署在宏站层和微站层 则可以实现 网络实施移动业务接入的能耗科学管控 成效测评为评估本文构思的 网络能耗控制技术科学性 在 环境中通过部署 个基站来模拟由微站和宏站构成的 异构网络场景 整个异构全网覆辐射区域是直径为 的圆形面积 微站和宏站进行数据通信的能耗为、电路能耗为 瓦和 瓦 移动台的撒布密度设计为每平方 个 接入信道的大尺度衰落设计为 小尺度衰落是零均值、方差为 的瑞利损耗信道 为确保 微站层和宏站层目标信第 期 陈俐妍:网络能耗控制研究噪比统一定义为 为考察 网络能耗控制技术的精度 该测试通过调整宏站和接入移动台的密度比例 以及微站和宏站的密度比例来观察 异构网络能耗利用率变化图 描述了微站层和宏站层在遵循相同信噪比情形下 两种类型基站密度变化对网络能效造成的变化 根据能耗控制思路和方案模型可知当在 异构超密集网络中部署大规模微站为移动台提供接入服务时 全网将提供较大的最小数据通信速率 效能性较好 同时吞吐量也将增加然而随着微站规模持续递增 包括电路能耗、传输能耗、数据通信能耗等在内的能效度将逐渐饱和 这样的特征在图中数据曲线的走势上得到了体现 图中两组能耗度曲线在密度较低时逐渐升高 表现良好 但在抵达到一个最优值后开始出现拐点 随后逐渐下降 这样的走势在不同的基站密度下表现出一样的规律 此外 观察测评结果也可看出当部署不同的宏站密度时能耗度的最优值也有所变化 总体而言 该能耗度最优值将随着 全网基站目标信噪比的增加而走高 究其原因是目标信噪比和移动业务服务速率呈正比和基站覆盖几率呈反比图 两种基站密度变化对 网络效能性的影响 图 描述了微站层和宏站层在遵循相同信噪比情形下 宏站密度变化对网络能效造成的变化图中曲线走势可见 根据式()推算出的 全网数据曲线和实测曲线高度贴近 说明了当接入移动台分布密度和微站层微站分布密度跟宏站密度的比例能够被确定 便可以得到最科学的宏站部署密度参数来提升 全网的效能性 不仅如此 推算的数据曲线和实测数据曲线的高度吻和更加验证了式()的科学性 因此本组测评结果说明了 网络能耗控制技术是可行的图 宏站密度变化对 网络效能性的影响 结语通过高密度设计基站来提升 网络数据通信的功率和效率 已成为建设 的关键技术 文章构思的 异构超密集网络能耗控制技术通过建立网络能耗模型 分析异构多层基站网络的部署密度、功耗需求、接入规模等因素 科学设计了 全网效能度的组网评估机制 实验表明 能耗控制技术下的评估机制部署在 全网开展组网策略具有良好的可行性参考文献:.():.:.():.():.九江学院学报(自然科学版)年第 期 唐春菊.基于能效和异构服务的密集家庭小区资源分配.太赫兹科学与电子信息学报 ():.章辉 李鸾 隋学铭 等.基于双重路径损耗的超密集网络性能分析.天津大学学报(自然科学与工程技术版)():.王雪 刘京 孙佳妮 等.基于谱聚类的异构蜂窝超密集网络高能效资源分配算法.通信学报.():.():.余庚.超密集异构系统自适应虚拟组网研究.长春师范大学学报.():.:.():.().().(责任编辑 王一诺)(上接第 页)董书琴 张斌.基于深度特征学习的网络流量异常检测方法.电子与信息学报 ():.刘晓军 马羽中 杨冬锋 等.基于数据相关性分析的电网故障时刻确定与故障识别方法.电网技术 ():.许春杰 吴蒙 杨立君.一种基于分层聚合的分布式异常数据检测方案.计算机工程 ():.王兆堃 陈前斌 唐伦 等.网络切片中物理节点的分布式在线异常检测方法.重庆邮电大学学报(自然科学版)():.(责任编辑 王一诺)第 期 陈俐妍:网络能耗控制研究