基於能效的異構無線網絡聯合切換調度和資源分配算法
網絡與通信
作者：邱暢嘯 冷甦鵬 葉宇
摘要：在宏蜂窩和微蜂窩並存的異構無線網絡中，為了提高係統能效，提出了一種聯合切換調度和資源分配（JSRA）算法所提算法的表述為：聯合切換調度和資源分配算法聯合切換調度和資源分配算法。首先，利用基於微基站睡眠的集中式切換調度算法（CUSA）來確定用戶的關聯基站，CUSA將微基站用戶全部切換到宏基站是否能減少功耗作為判斷微基站睡眠的準則；然後，基站采用基於最優信道質量的子載波分配調整（BCSA）算法為用戶分配子載波和傳輸功率，BCSA算法通過調整最大能效用戶和最小能效用戶之間的子載波分配，保證網絡能效逼近最優解。理論分析和實驗仿真表明，同單獨考慮用戶切換或資源分配的三種算法相比，JSRA算法複雜度偏高，但是在用戶數為120時網絡功耗實驗中數據還有負值，平均值沒有意義，不如用作多降低和最多提升多少指標，請作者核實此改動是否可以可以的，但是44.4%多了一個點號，後麵多了一個逗號最多降低44.4%，平均降低33.2%用戶總速率隻比一種對比算法略有下降，最多提升80%平均提升50.8%，網絡能效最多提升200%平均提升122.4%。實驗結果表明，JSRA算法能夠有效提高異構無線網絡的網絡能效。
關鍵詞：異構無線網絡；能效；用戶切換；資源分配；子載波
中圖分類號： TN926 文獻標誌碼：A
英文摘要
Abstract：In order to improve the energy efficiency of the heterogeneous wireless networks with macrocells and microcells， a Joint Switch scheduling and Resource Allocation （JSRA） algorithm was proposed. Firstly， based on sleeping of micro base stations， Centralized User Switch scheduling Algorithm （CUSA） was adopted to determine the associated base station for each user. The sleeping/waking status of a micro base station was judged according to whether to decrease of network power consumption when users of the micro base station entirely switched to macro base station.Then， the Best Channel quality Subcarrier Adjustment （BCSA） algorithm was used to assign subcarriers and transmission power for users. The network energy efficiency was guaranteed to approximate the optimal solution by adjusting the subcarrier allocation between the user with the maximum energy efficiency and the user with the minimum energy efficiency. The theoretical analysis and simulation experiments show that，compared with three existing algorithms which considered user handoff or resource allocation separately， JSRA has high computational complexity； however， when the number of users is 120， JSRA can reduce network power consumption 44.4% at mostaveragely reduce about 33.2%power consumption of the network， increase the total effective data rate of users by 80% with the slight reduction only than one contrast as well as the energy efficiency of the network by 200% at most. Experimental results show JSRA can improve the energy efficiency of heterogeneous wireless networks effectively.
英文關鍵詞
Key words：heterogeneous wireless network； energy efficiency； user handoff； resource allocation； subcarrier
0 引言
異構無線網絡[1-2]是一種新的移動通信網絡構架，通過在大發射功率宏基站覆蓋範圍內部署低發射功率小型基站，進一步提高網絡的吞吐量和可靠性，以滿足移動數據業務的持續增長。文獻[3]表明，隨著數據需求量爆炸式增長，移動通信網絡當中，50%～80%能耗都是來自無線接入部分，所以能耗問題越來越受到工業界和學術界的重視。
目前異構網絡場景下節能技術[4]的研究主要包括基站睡眠和喚醒機製、幹擾管理、動態資源管理策略以及在多種網絡接口共存下的融合等。文獻[5]研究兩層異構蜂窩網絡下基於載波聚合技術的基站協作調度機製，根據網絡負載進行跨小區和跨承載調度之間的切換來提高整體網絡的能效；文獻[6-10]主要研究異構網絡下用戶在多種網絡之間的切換策略，文獻[6]通過實驗與分析得到了3G/WiFi共存網絡環境下終端設備的能耗模型，提出節能的終端切換策略；文獻[7-10]研究了各種基於不同決策參數的切換調度算法，如文獻[10]將用戶參數、網絡信道狀態和服務質量作為決策參數。文獻[11]研究網絡低負載時基站的關閉策略；文獻[12]研究在異構網絡下聯合拓撲控製的基站關閉策略，並利用模擬流量數學模型得到了基站關閉策略的理論分析結果。但是文獻[11-12]沒有考慮基站傳輸功率的動態變化，忽略了活躍基站為了實現睡眠基站用戶完全覆蓋所增加的傳輸功率。
從總體上看，異構網絡下基於能效的節能技術主要還是集中在用戶切換調度和網絡資源分配兩方麵。現有研究存在一些不足，如文獻[11-12]沒有考慮基站為覆蓋睡眠基站所關聯用戶所增加的功率開銷，並且上述研究大部分將網絡的切換和資源分配單獨研究，而沒有將兩者充分地聯合起來，從而一體化地提升網絡能效。本文正是基於以上技術空白開展研究，提出一種基於微基站睡眠的集中式用戶切換調度算法（Centralized User Switch scheduling Algorithm，CUSA），然後將CUSA和基於最優信道質量子載波分配調整（Best Channel quality Subcarrier Adjustment，BCSA）算法文獻引用聯合起來形成聯合切換調度和資源分配（Joint Switch scheduling and Resource Allocation，JSRA）算法，從網絡多方麵綜合考慮能耗節省，整體上提升網絡能效性能。
1 係統模型
一個典型的宏蜂窩和微蜂窩並存異構網絡場景，異構網絡中有M個基站，包括1個宏基站和M-1個微基站，宏基站和微基站的頻譜帶寬為B，子載波數目為N，子載波的帶寬為W，假設每一個子載波在一個資源分配周期內隻能分配給一個用戶。用戶數目為K，每個用戶的最低速率要求為Rk，其中k∈Kk={1， 2， …， K}，K為用戶集合。基站m服務的用戶集合為ψm，其中m∈mM={1， 2， …， M}，mM為基站集合，關聯到宏基站的用戶集合為ψ1，並且ψi∩ψj=（i≠j）。網絡中用戶可以分為兩大類：第一類用戶存在於隻有宏基站覆蓋的區域，所以隻能接入宏基站；第二類用戶在宏基站和微基站重複覆蓋區域內，需要考慮宏基站和微基站的接入選擇。網絡的頻率複用因子為1，意味著宏基站和微基站使用相同的頻譜資源，重複覆蓋範圍內的用戶會受到同頻幹擾。