Yoğun senaryolarda baz istasyonu ortak uykusu için enerji verimliliği optimizasyon stratejisi
Shen Haiqiang1, Yin Shenghua1, Wu Yingji2, Tang Lun1
(1. Anahtar Mobil İletişim Laboratuvarı, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065; 2. Yazılım Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
Mevcut baz istasyonu uyku enerjisi tasarrufu stratejileri, servis QoS sağlarken enerji verimliliğinin nasıl iyileştirileceği sorunuyla karşı karşıyadır Sistem enerji verimliliğini artırmak için mikro baz istasyonlarının yoğun senaryolarda makro baz istasyonlarıyla işbirliği yaptığı bir mikro baz istasyonu uyku stratejisi önerilmektedir. Birincisi, enerji tasarrufu amacına ulaşmak için mikro baz istasyonu, hizmet talebi düşük olduğunda uyku durumuna girer; ikincisi, makro baz istasyonunun geniş kapsama alanından yararlanılarak, mikro baz istasyonu uyurken bazı hizmetlerin işlenmesine yardımcı olabilen bir kooperatif baz istasyonu olarak kullanılır; Hizmetleri kapasitelerine göre sınıflandırın, makro baz istasyonlarının ve mikro baz istasyonlarının ilgili özelliklerini tam olarak uygulayın ve hizmetleri farklı şekilde işlemek için baz istasyonlarını seçin. Simülasyon sonuçları, bu şemanın mevcut baz istasyonu uyku enerji tasarrufu şemasına göre avantajları olduğunu göstermektedir.
Ultra yoğun ağ; mikro baz istasyonu uyku hali; gecikme; enerji tasarrufu
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN914
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.170491
Çince alıntı biçimi: Shen Haiqiang, Yin Shenghua, Wu Yingji, vb. Yoğun sahnelerde baz istasyonu kooperatif uykusu için enerji verimliliği optimizasyon stratejisi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (10): 111-115.
İngilizce alıntı biçimi: Shen Haiqiang, Yin Shenghua, Wu Yingji, ve diğerleri.Yoğun sahnede baz istasyonu kooperatif uyku durumuna dayalı enerji verimliliği optimizasyonu stratejisi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (10): 111-115.
0 Önsöz
Baz istasyonlarının yoğunlaştırılması, enerji tüketimi için büyük bir talep yaratacak yeni nesil mobil iletişim sistemleri için anahtar bir teknolojidir. Bu sorunu çözmek için, enerji tüketimini azaltmak ve ağ enerji verimliliğini artırmak için çeşitli enerji tasarrufu stratejilerinin araştırılması gerekir.
Baz istasyonu uykusu için enerji tasarrufu stratejileri üzerine birçok çalışma var. Literatür, sistem trafiğini ve baz istasyonu uyku durumunu algılayarak enerji tüketimi ve gecikme arasındaki en iyi takas değerini elde eder ve sistemin en iyi iletim oranını elde eder. Baz istasyonunun kapatılması ve enerji tasarrufu için, kümülatif servis sayısı ile baz istasyonunu uykuya geçirmek ve baz istasyonunun uyku süresini kontrol ederek baz istasyonunu kontrol etmek gibi birçok kontrol stratejisi vardır. Literatür, her bir baz istasyonunun hizmet erişim koşullarını analiz ederek mikro baz istasyonlarını kapatır ve hizmet planlamasını değiştirerek ve kanal kullanımını dengeleyerek sistemin enerji verimliliğini artırır. Literatür sadece baz istasyonunun kapatma stratejisini kullanmakla kalmaz, aynı zamanda spektrum kaynaklarının tahsisi gibi bir dizi aracı da birleştirir.
Yoğun senaryolarda, makro baz istasyonu işbirliğinin kapatma stratejisini inceleyin ve optimum enerji tüketimi-gecikme dönüşünü elde etmek için uygun mikro baz istasyonu kapatma süresi kontrol parametrelerini kullanın. Bu yazıda makro baz istasyonu ile mikro baz istasyonu arasındaki işbirliğinin en büyük özelliklerinden biri de servisleri farklılaştırmaktır. Ağın genel enerji verimliliğini artırmak için makro baz istasyonlarının geniş kapsamına ve mikro baz istasyonlarının güçlü uygunluğuna tam anlamıyla oyun verin. Aynı zamanda iş türleri kapasiteye göre de ayrılmaktadır. Mikro baz istasyonu uyku halindeyken, büyük kapasiteli işletme mikro baz istasyonuna, küçük kapasiteli işletme ise işlenmek üzere makro baz istasyonuna devredilir.
1 Sistem ağ modeli ve güç tüketimi modeli
Yoğun bir heterojen hücresel ağ senaryosunda, bir makro hücrenin bir makro baz istasyonu ve birkaç mikro baz istasyonu içerdiği varsayılır. Mikro baz istasyonunun ve mikro baz istasyonunun kapsama alanı örtüşmez, makro baz istasyonu esas olarak alan için yeterli kapsama sağlar ve mikro baz istasyonu makro hücrenin kapasitesini genişletir. Bu çözümde, makro baz istasyonu bir kooperatif hizmet veren baz istasyonu olarak hizmet eder. Mikro baz istasyonları ve makro baz istasyonları, paraziti azaltmak için farklı alt taşıyıcılar kullanır Şekil 1 temel ağ mimarisini gösterir.
Mikro baz istasyonunun iki çalışma modu vardır: açık ve uyku. Açık modunda, tüm bileşenler açık durumdadır ve kullanıcıya normal olarak hizmet verebilir; uyku modunda, kontrol cihazlarının yalnızca bir kısmı çalışır ve kullanıcıya veri aktarım hizmetleri sağlayamaz. Farklı modlarda, mikro baz istasyonunun güç tüketimi:
Bu yazının amacı, zaman geciktirme kısıtlaması karşılandığında sistemin enerji tüketimi fonksiyonunun minimum değerini elde etmektir. E, sistemin ortalama enerji tüketimini (birim: J / s), D ortalama gecikmeyi (birim: s / bit) ve D0, gecikme kısıtlamasını temsil eder.
2 Sistem enerji verimliliği modeli
Yoğun bir senaryoda, bir makro hücrede N mikro baz istasyonu vardır ve baz istasyonu bir seferde yalnızca bir hizmeti işleyebilir.Burada, belirli bir mikro baz istasyonunun uyku stratejisini inceleyeceğiz. Bu mikro baz istasyonu kapsamında hizmetler, veri kapasitesi boyutuna göre v servis ve d servis olmak üzere ikiye ayrılır. Ortalama hizmet uzunluğu lvbit ve ldbit (lv = kld) olup, geliş hızının v ve d (birim: Akış / s) parametreli bir Poisson süreci olduğu ve hizmetlerin birbirinden bağımsız olduğu varsayılır. Şekil 2'de görüldüğü gibi mikro baz istasyonunun uyku aşamaları şu şekildedir: mikro baz istasyonu ilk anda uyku modundadır ve d servisi geldiğinde uzunluğu küçük olduğu için makro baz istasyonu tarafında kuyruğa girer ve xH ile işlemi kabul eder. v Hizmetler, mikro baz istasyonunun yanında kuyruğa alınır.
Mikro baz istasyonu, 1 / v'lik kapanma pencere süresi sona erdiğinde baz istasyonunun açık duruma geçip geçmediğine karar verecektir. Karar koşulu şu şekildedir: mikro baz istasyonu tarafında v servisler varsa veya mikro baz istasyonun uyku süresi boyunca mikro baz istasyon tarafına ulaşan mikro hücre üzerinde nd servisler varsa mikro baz istasyonu açılır, aksi takdirde sonraki kapanış penceresine girilir.
Mikro baz istasyonun kapalı bir penceresi bittikten sonra açık duruma getirilirse mikro baz istasyonu servis bekleme kuyruğu boşalana kadar servisi işler. Kapanış döneminde gelen d servisi makro baz istasyonu tarafından işlenmeye devam eder. Mikro baz istasyonu tüm hizmetleri işledikten sonra bir sonraki kapalı pencereye girer.
Mikro baz istasyonunun kapalı penceresi bittikten sonra hala açılamıyorsa, mikro baz istasyonu bir sonraki kapalı pencereye girecektir. Baz istasyonu anahtarları arasında geçiş yaparken enerji tüketimi ES'dir.
Makro baz istasyonunun enerji tüketimi sabittir ve enerji tasarrufu mikro baz istasyonuna yansıtılır. Formül (5) 'in üç bölümü sırasıyla mikro baz istasyonu açma, uyku ve birim zaman başına mod değiştirme enerji tüketimini temsil eder.
Sistem durumu geçiş diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
İşletmeyi d işletmeye göre normalleştirdikten sonra, zaman gecikmesi bir Markov modeli olarak modellenir, L (t) t zamanındaki sistem müşterilerinin sayısını ve J (t) t zamanındaki hizmet durumunu gösterir. J (t) = 0, mevcut baz istasyonunun hareketsiz durumda olduğu anlamına gelir, aksi takdirde baz istasyonunun açık durumda olduğu anlamına gelir. O halde {J (t), L (t)} iki boyutlu bir Markov sürecidir. Denge durumu denklemi:
Teorem 3: Kapalı pencere uzunluğu v üstel dağılıma uyuyorsa, v > Sistemin maliyet işlevini en aza indirmek için (yani, sınırlı zaman gecikmesi altında en düşük enerji tüketimini elde etmek için) 0'da belirli bir v değeri olmalıdır. Model simülasyon kısmında optimal sistem maliyet fonksiyon değeri verildiğinde pencere süre parametresi v verilmiştir.
kanıtlamak:
(1) Mikro baz istasyonlarının enerji tüketiminin türetilmesi
Bu nedenle dE / dv < 0, enerji tüketimi işlevi uyku penceresi süresinde azalan bir işlevdir, yani uyku penceresi süresi ne kadar uzunsa enerji tüketimi o kadar düşük olur.
(2) Sistem gecikmesinin türetilmesi
Mikro baz istasyonunun gecikmesinde, u'nun v'nin bir fonksiyonu olduğu ve gecikmede azalan bir fonksiyon olduğu açıktır. Değer aralığı:
Türetme yöntemiyle, formül (11) 'in birinci kısmının u'nun azalan bir fonksiyonu olduğu ve ikinci kısmın da azalan bir u fonksiyonu olduğu, dolayısıyla ortalama gecikme, u'nun azalan bir fonksiyonudur. Bileşik fonksiyondan, ortalama gecikme fonksiyonunun v üzerinde artan bir fonksiyon olduğu görülebilir.
Denklemden (12), makro baz istasyonunun ortalama gecikmesinin v ile ilgisi olmadığı görülebilir. Gecikme kısıtı altında, kapanma penceresinin uzunluğunun v0 olduğu varsayılırsa, v0'ın sahip olduğu ve gecikme kısıtlamasını karşılayan kapanma penceresinin uzunluğunun değer aralığı (0, v0>, dolayısıyla v'nin en iyi değeri) Is v = v0. Çözüm için Algoritma 1'e bakın.
Algoritma 1:
Uyku penceresi süresini başlatın v1 = v2 = 0, ortalama gecikme sınırı D0, değerlendirilen değer v0, bir uyku penceresinin süre artışını v ve izin verilen gecikme hatası a = 10 × 10-3'ü ayarlayın.
D (v2) D0'ın kurulup kurulmadığına karar verin.Eğer kurulursa, bu, kapatma süresi ne kadar uzun olursa olsun, sistemin ortalama gecikme gereksiniminin karşılanamayacağı anlamına gelir. Algoritma sona erer ve v0 = -1 döndürür; aksi takdirde adımına gidin.
v2 = v2 + v, D (v2) D0'ın geçerli olup olmadığına karar verin. Değilse, step adımını tekrarlayın; aksi takdirde, adımına gidin.
Şu anda, D (v2) D0D (v1) ve v2v0v1. Şu anda, eğer | D0-D ((v1 + v2) / 2) | < a, sonra v0 = (v1 + v2) / 2, çözüm süreci sona erer. D0 ise < D ((v1 + v2) / 2), adımına gidin, aksi takdirde adımına gidin.
v1'in değerini (v1 + v2) / 2'ye güncelleyin, adımını tekrarlayın.
v2'nin değeri (v1 + v2) / 2 olarak güncellenir ve adım step tekrarlanır.
3 Simülasyon sonuçlarının analizi
Burada makaledeki strateji simüle edilmiş ve doğrulanmış ve ana performans ayrıntılı olarak verilmiştir. İlk önce şemanın simülasyon parametrelerini ayarlayın. N = 21, kanal modelini ve ilgili parametreleri literatüre göre ayarlayın; makro baz istasyonu işbirliği bant genişliği ve mikro baz istasyonu bant genişliği 10 MHz'dir. İletim güçleri sırasıyla 46/30 dbm; P0 = 80 W, p = 3.6, ES = 1.5 J, lv = 4 Mbit, ld = 0.4 Mbit. Kullanıcıdan hizmet veren mikro baz istasyonuna ve makro baz istasyonuna olan mesafe 0,03 / 0,1 km'dir ve karışan mikro baz istasyonundan ortalama mesafe 0,25 km, n = 5'tir. Servis varış süreci, baz istasyonu tarafından bilinebilmektedir. Servis alındığında, baz istasyonundan çıkar ve baz istasyonu bir seferde yalnızca bir servisi işleyebilir. Buradaki birkaç simülasyon şeması şunlardır: (1) Yalnızca açık: mikro baz istasyonu her zaman açıktır. (2) DS + SWC: Bu makalenin projesi. (3) NDS + SWC: işbirliği yapmaz ve hizmetler arasında ayrım yapmaz. (4) ÖTV: baz istasyonu kapatma stratejisini tetiklemek için işbirliği ve hizmet biriktirme eşiğini kullanın.
Şekil 4, bu şemada önerilen, işlenmek üzere v hizmetini mikro baz istasyonuna ve d hizmetini işlenmek üzere makro baz istasyonuna yönlendiren stratejidir. Soldan sağa, pencere süresi giderek artarken, enerji tüketimi sürekli olarak azalmaktadır. Uyku penceresi süresi arttığı için, mikro baz istasyonunun anahtarlama frekansı azalacak ve anahtarlama kaybı kademeli olarak azalacak ve sonuçta sistemin enerji tüketiminde bir azalmaya yol açacaktır. Aynı zamanda sistemin zaman gecikmesi de giderek artmaktadır çünkü uyku penceresinin süresi uzar ve işletme uyku süresine ulaşmak için daha uzun süre bekleyecektir. Şekil 4'teki farklı eğriler, sistemin farklı hizmet varış oranları altında enerji tüketimi-gecikme performansını göstermektedir. Aynı zaman gecikmesi kısıtlaması altında, hizmet geliş hızı ne kadar düşükse, baz istasyonu tarafından işlenen hizmet o kadar az ve karşılık gelen sistemin enerji tüketimi o kadar düşük olur.
Şekil 5, aynı iş hacmi altında farklı enerji tasarrufu stratejilerinin performans karşılaştırmasını göstermektedir. DS + SWC simülasyon sonuçlarının performansının NDS + SWC ve SCT'ye göre daha iyi olduğu görülmektedir. SCT'nin baz istasyonu işbirliği yoktur, bu nedenle enerji tüketimi baz istasyonu işbirliğini benimseyen DS + SWC programından daha yüksektir ve baz istasyonu hareketsizken baz istasyonu işbirliği olmadan SCT, servis bekleme süresini de DS + SWC'den daha uzun yapar. DS + SWC ve NDS + SWC'de makro baz istasyonu mikro baz istasyonu ile işbirliği yaptığında işbirliği kaynakları çok sınırlıdır, bu nedenle işbirliği sürecinde v servisi ile karşılaşıldığında servis makro baz istasyonunun kaynaklarını uzun süre meşgul edecek ve makro baz istasyonunu "tıkayacaktır". Arkasında yer alan d işi, çok az işlem kaynağı gerektirse de, beklemeye zorlanmalıdır. DS + SWC çözümü, v ve d servislerini sırasıyla mikro baz istasyonuna ve makro baz istasyonuna yönlendirerek makro baz istasyonunun "tıkanıklığını" önler ve dolayısıyla sistemin ortalama gecikmesini azaltır.
Şekil 6, v ve d hizmetlerinin varış oranları farklı olduğunda enerji tüketimi-gecikme performansını göstermektedir.İki hizmetin varış oranları benzer olduğunda (Şekil 7'de düz çizgi), DS + SWC şemasının enerji tüketimi-gecikme performans avantajı görülebilmektedir. Daha büyük. Şekil 5'te analiz edilen DS + SWC'nin avantajlarına göre, hizmet farklılaşmasından sonra, d hizmeti çok uzun süre beklemeyecektir çünkü v hizmeti makro baz istasyonunu "bloke etmektedir". Birim zamanda iki hizmetin geliş sayısı ne kadar yakınsa, her d hizmetinin önünde bitişik v hizmetleri tarafından "bloke edilme" olasılığı o kadar büyük olur.
Şekil 7, farklı mikro baz istasyonu yoğunluklarının performansını, her bir mikro baz istasyonundaki hizmet varış hızı değişmeden kalır ve çeşitli şemaların performansını karşılaştırır. İki şemanın enerji verimliliği performansının farklı derecelere düştüğü Şekil 7'den görülebilmektedir, bunun nedeni mikro baz istasyonlarının yoğunluğundaki artışın parazit artışına yol açmasıdır. Bu, mikro baz istasyonunun işlem performansında bir düşüşe yol açar. Aynı zamanda, kullanıcı sayısındaki artış nedeniyle, makro baz istasyonunun işbirlikçi işlem kaynakları daha sıkı görünmektedir ve bu iki neden, iki enerji verimliliği çözümünün performansının düşmesine neden olmuştur. Enerji verimliliği performans düşüşü açısından, DS + SWC çözümü şüphesiz en iyisidir. Şekil 5'deki analizde, işletme farklılaşmasının makro baz istasyonunun "tıkanmasını" önlemek olduğu ve baz istasyonu ve kullanıcı sayısını artırdıktan sonra makro baz istasyonunun her kullanıcıya daha az işbirliğine dayalı işleme kaynağı tahsis edebileceği, böylece NDS + SWC şemasındaki çok sayıda kaynak olduğu belirtilmiştir. Kapasite hizmetlerinin makro baz istasyonu kaynaklarını daha uzun süre işgal etmesi daha olasıdır. DS + SWC planı bundan daha az etkilenir, bu nedenle enerji verimliliği performansı da daha az etkilenir.
Tablo 1, DS + SWC ve NDS + SWC çözümlerinde baz istasyonu tarafından ele alınan farklı hizmetlerin sayısını göstermektedir. Hizmetler ayırt edilirken, büyük kapasiteli hizmetlerin işleme için mikro baz istasyonlarına yönlendirildiği ve mikro baz istasyonlarının çoklu hizmet çözümünde ve sıcak noktalardaki büyük kapasitenin avantajlarının ortaya çıktığı; küçük kapasiteli hizmetlerin ortak işleme için makro baz istasyonlarına devredildiği ve makro baz istasyonlarının kapsadığı görülebilmektedir. Sistemin enerji tüketimini azaltan ve enerji verimliliğini artıran geniş aralık ve zayıf işleme kapasitesi de daha iyi kullanılabilir.
4. Sonuç
Bu makale, mikro baz istasyonunun makro baz istasyonu ve mikro baz istasyonunun işbirliği altında bir uyku stratejisi benimsediği bir sistem enerji verimliliği iyileştirme planı önermekte ve karma hizmetler durumunda sistemin enerji verimliliğini tartışmaktadır. Bu enerji verimliliği iyileştirme stratejisi, sistemin enerji tüketimi ve gecikme süresinin optimum bir denge değeri elde etmesi için optimal bir uyku penceresi kontrol parametresi belirler.
Referanslar
W-GREEN 2008. 1. Uluslararası Yeşil Kablosuz Çalıştayı. (2008-09-08). Http://www.cwc.oulu.fi/workshops/W-Green2008.pdf.
FETTWEIS G, ZIMMERMANN E. ICT enerji tüketimi eğilimleri ve zorlukları Proc.2008 International Symp.Wireless Personal Multimedia Commun, 2008: 1-4.
HASAN Z, BOOSTANIMEHR H, BHARGAVA V K, ve diğerleri.Yeşil hücresel ağlar: bir anket, bazı araştırma sorunları ve zorlukları. IEEE Commun.Surveys Tuts, 2011, 13 (4): 524-540.
Wu Jian, Zhou Sheng, Niu Zhisheng ve diğerleri Yeşil hücresel ağlarda enerji gecikmesi ödünleşmeleri için trafiğe duyarlı baz istasyonu uyku kontrolü ve güç eşleştirme. Kablosuz iletişim üzerine IEEE İşlemleri, 2013, 12 (8): 4196-4209.
Guo Xueying, Zhou Sheng, Niu Zhisheng, ve diğerleri. Uyku modlu tek baz istasyonu için optimum uyandırma mekanizması. 201325. Uluslararası Teletraffic Kongresi (ITC) Bildirileri, 2013.
TABASSUM H, SIDDIQUE U, HOSSAIN E, ve diğerleri Baz istasyonu uyku, kullanıcı ilişkilendirme ve zamanlama ile hücresel sistemlerin indirme bağlantısı performansı Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2014, 13 (10): 5752-5767.
GAN X, WANG L, FENG X ve diğerleri.Küçük hücreler için enerji verimli anahtar politikası. China Communications, 2015, 12 (1): 78-88.
CHAI X, LI Y, LV Y, vd. HetNet'in enerji verimliliğini artırmak için ortak spektrum paylaşımı ve baz istasyonu uyku modeli. 2015 IEEE Uluslararası İletişim Konferansı (ICC) .IEEE, 2015: 1851-1856.
WU J, YANG Z, ZHOU S, et al.Hetero-genous trafiğe sahip hücresel ağlar için trafiğe duyarlı dinamik bir enerji tasarrufu şeması. Communication Technology (ICCT), 2011 IEEE 13th International Conference on. IEEE, 2011: 357-361 .
LIU B, ZHAO M, ZHOU W, vd., HetNet'te enerji tasarrufu için makro baz istasyonu işbirliği ile akış düzeyinde gecikme kısıtlaması küçük hücre uykusu.Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2015 IEEE 82nd.IEEE, 2015: 1- 5.
