通过提高能源效率合作毫微微蜂窝网络基站断开

文摘

最近,能源效率(EE)的蜂窝网络已经成为一个重要的性能指标,以及一些技术已经提出增加情感表达。其中,在不需要时关闭基站(BSs)被认为是最强大的技术之一,由于其操作简单和有效性。在此,我们提出一种新颖的BS切断技术合作毫微微蜂窝网络中多个毫微微蜂窝BSs(的边后卫)同时将数据包发送到相同的移动电台(女士)。与传统方案、合作经营的边后卫,也称为协调多点(CoMP)传播,被认为是确定哪些BSs关闭在拟议的技术。我们首先制定优化问题找到最优组的边后卫被关闭。然后,我们提出一种次优的方案操作在一个分布式的方式,以减少计算复杂度的最优方案。次优的方案是基于吞吐量比(TR)指定了一个特定的重要性为合作传输的边后卫。通过模拟,我们表明,可以大大减少能源消耗和拟议的技术,与传统方案相比。此外,我们表明,次优的方案也实现了算法性能,即使没有过多的计算。

1。介绍

最近,环境污染已经成为人类最大的威胁之一。发电是环境污染的主要来源之一,由于使用化石燃料或核能1]。鉴于消耗的电力通信系统(TSs)是相当巨大的,很多一直在努力减少用电量等TSs的使用可再生能源发电在基站(BS) [2,3]。TSs少用电,绿色蜂窝网络(gcn),将在不久的将来更重要,因为电力消耗的数量预计将每年增加近20% (4]。

减少电力消耗TSs的一个方法是提高能源效率的TS。特别是,增加BS的能源效率是至关重要的,因为它消耗更多的电力比其他网络实体(TSs电力消费总量的一半以上是由于BSs),例如,移动站(MSs)。出于这个原因,一直在考虑各种方法以提高能源效率的BS (5,6]。

最简单但强大的方法来提高能源效率的废话是冗余的BSs的停止操作。然而,一组的BSs关掉不应该选择随机,但应该精心挑选因为BSs的关闭手机网络的性能会严重恶化(CN),它也可以引起移动服务的中断。因此,BSs最近关闭的主题广泛的调查(3,7- - - - - -14]。

首先,在[7,8),BSs被认为是宏观的关闭。具体地说,在7的宏观BSs),关闭位于农村地区在夜间,也就是说,统计手动关闭计划,网络运营商决定哪些BSs关闭,被认为是在(8宏观的能源效率和覆盖率概率BS关机了。然而,宏观BS很难被终止的操作在一个自适应的方式,根据实时的网络条件,例如,交通负荷,因为宏观BS宽的覆盖,这样关闭所带来的影响将是巨大的。因此在本文中,我们只考虑关闭femto-BSs(的边后卫)覆盖范围相对较小,这样关闭的影响相当有限,狭窄的区域。

关闭的边后卫近日进行了广泛的调查(9- - - - - -13]。的作者(9)提出了自适应关闭室内的边后卫的操作冗余的边后卫停止通过检查可以达到的吞吐量。在[10),操作的边后卫的分配少量的副载波以来停止这些的边后卫的交通负载很低,这样的关闭的边后卫不太可能CN的性能严重恶化。最后,之间的距离的边后卫和海量存储系统(MSs)中考虑在确定的集合的边后卫关闭;的边后卫,这远非MSs关掉,因为这些的边后卫CN的性能的贡献可能是轻微的。

通常,每个的边后卫的交通负载作为指标确定的边后卫关闭;的边后卫,较低的交通负载更有可能被关闭(8- - - - - -10因为交通负载指示的边后卫在网络的重要性。然而,交通荷载可以不恰当的使用当多个数据传输的边后卫合作;合作被认为是传播,特别是协调多点(CoMP) [15,16使用)。更具体地说,合作传播,产生交通负载并不一定表明的边后卫在网络的重要性。

例如,让我们假设场景,在该场景中,三个的边后卫(在图1的边后卫4不参与数据传输)(的边后卫1、2的边后卫和的边后卫3)协同传输数据两个MSs(1和2)女士女士;比较图1。此外,假定的边后卫1和3的边后卫接近女士女士1和2,分别的边后卫2是两个的边后卫之间这样的边后卫1和2的边后卫合作传输数据1和2的边后卫和女士的边后卫3女士数据传送合作2。此外,假定的边后卫2是远离1和2相比的边后卫1女士和女士的边后卫3,分别。在这种情况下,虽然交通负荷的边后卫2大于其他两个的边后卫,更有利于关掉的边后卫2,因为它可能严重恶化网络的吞吐量。

因此,新规中需要的边后卫,利用合作传输的决心。鉴于的边后卫很可能由于低传输能量相互合作,这是至关重要的设计有效的关闭与合作传输的边后卫。虽然[14)认为的边后卫的关闭使用CoMP,的边后卫,属于同一组合作传播无法选择性地关闭,这样不能优化网络性能。此外,联合使用关闭和CoMP被认为是在13];然而,BSs关掉不考虑薪酬决定的。

(一)我们的贡献。我们在此提出一个有效的关闭计划的边后卫考虑合作传播。主要贡献如下:(1)在我们提出的关闭计划,合作传输的边后卫,使用有效的操作以分布式的方式停止计算复杂度较低。与之前的方法主要集中在交通负载的使用,我们建议使用吞吐量比(TR)在决定关闭的边后卫的集合,这样合作传输的数据速率并不是过度退化。我们所知,本文是第一个研究使用TR的边后卫关闭。(2)我们调查的性能使用仿真方案。结果表明,我们提出的方案实现了几乎相同的性能方案优化问题的基础上,同时可以显著减少计算的数量使我们的方案更实用。也表明我们方案的能耗相比,远低于传统的计划。

本文的其余部分组织如下。节2,我们描述我们的系统模型和优化问题找到最优组的边后卫被关闭部分制定3。提出的启发式方案解释部分4这是紧随其后的是部分的仿真结果吗5。最后,在节6,我们提供我们的结论。

2。系统模型

我们的系统模型如图1。在这篇文章中,我们考虑下行的CN多个合作的边后卫女士在单通道传输相同的数据,例如,CoMP (15,16]。我们假设多个的边后卫和海量存储系统(MSs)中共存。组所有的边后卫,活跃的边后卫,和不活跃的边后卫被表示为,,,分别。例如,在图1,的边后卫的边后卫2和3的边后卫而4属于的边后卫。

我们假设的海量存储系统(MSs)中表示就代表的边后卫的集合,可以在数据传输女士合作;也就是说,并不是所有的边后卫都能够参与数据传输海量存储系统(MSs)中。例如,在图1,只有的边后卫1和2的边后卫因此的边后卫3女士不能传输数据1。注意,一个特定的聚类算法来确定不考虑这个工作;也就是说,可以使用任何聚类算法。此外,我们让的传输能量的边后卫,传输功率控制是不考虑。此外,时变信道增益来标示,在那里是女士的指数,是指数的边后卫,是时候了。应该注意的是,包括路径损耗和快衰落。此外,带宽和噪声密度表示和,分别。在本文中,我们假设只有一个女士可以同时接收数据(这种假设是合理的,因为近距离内的边后卫不太可能同一个通道上同时传输数据到多个海量存储系统(MSs)中,由于它们之间的过度干扰(15),这样合作传输的干扰是不考虑。此外,干扰引起的其他通信实体的数量,例如,宏观BS,被建模为;比较图1。最后,我们认为活跃的边后卫的功耗和反感的边后卫是0。

我们考虑一个简单的协作传输方案中合作的边后卫只是相同的信号传输到目标(女士15]。的平均吞吐量,,可以制定如下: 在哪里指示器(考虑到多个MSs不能同时接收数据在我们的系统模型,),显示是否接收数据时;也就是说,的边后卫传输数据的时候出现在时间和否则。此外,是期待。在(1),值得注意的是,只有积极的信号功率的边后卫是累积的。

此外,CN的平均能耗组活跃的边后卫我们表示,可以编写如下: 在哪里表示集合的基数;例如,海量存储系统(MSs)中对应的数量。注意,当所有的边后卫是关闭的,的平均吞吐量CN将成为和平均能量消耗和分别,因为就变成了。

最后,我们可以得出的平均交通负载当活动组的边后卫我们表示,如下所示: 在哪里时的指标函数值是1吗是真的和0。

3所示。问题公式化

优化问题找到最优的一组关闭的边后卫可以制定基于我们的系统模型。制定问题的目标是最小化总用电量的边后卫,的性能下降,同时保证CN小于预定义的阈值。更具体地说,我们假设总网络吞吐量应该大于预定义的阈值,。然后,优化问题可以制定如下:

值得注意的是,问题(4)是一种二元编程,这样它是凸和短的计算时间内无法找到解决方案,特别是当的边后卫的数量大;也就是说,。为了解决这个计算复杂度过高的问题,我们提出一个启发式的方法找到最优在多项式时间内部分4。

注意,该优化问题与传统关闭计划,与低流量负载关闭的边后卫,可以制定如下: 在(5),最后约束保证了较低的的边后卫交通负载关闭。值得注意的是,由于最后一个约束,优化解决方案(5)可以在多项式时间内找到与优化问题(4)。更具体地说,最优解可以通过关闭的边后卫按升序找到流量负载,直到满足约束的数据率。然而,解决方案将在实践工作不佳合作被认为是传播时,见我们的绩效评估。

4所示。提出了方案

在此,我们提出了一个启发式方案基于TR,这表明合作传输的贡献一定的边后卫,解决棘手问题的优化问题(4)。更具体地说,TR值我们表示,可以定义如下: 注意,在(6),分子对应的预期实现的数据速率当是唯一的边后卫被激活。因此,如果操作鉴于合作传播很重要,的价值将会很高。例如,如果是唯一的边后卫传输数据,然后;然而,如果不参与传播,也就是说,,然后。

在我们的方案中,TR值的边后卫是用来决定哪些的边后卫关掉,这样较低的将被关闭。更具体地说,基于升序的边后卫是关闭的。关闭的边后卫可以在分布式的方式,因为每个执行自己的边后卫可以计算基于自己的航道条件和信息从中央管理部门(CMU)管理的边后卫的操作。让的递增函数;例如,。的操作延迟后可以停止吗和结算系统可以停止时保持积极的边后卫的关闭。最后反感的边后卫应该立即打开,以保证我们的约束。值得注意的是,我们的方案将是微不足道的开销的优化方案可以通过直接找到解决(4)。总的来说,整个程序中描述的算法是算法1。

5。绩效评估

在本节中,我们调查的性能提出的边后卫关闭使用仿真方案。在绩效评估中,我们假设他们的边后卫是随机部署和传输数据使用CoMP位于两个海量存储系统(MSs)中和;也就是说,= 2。的边后卫的分布是均匀的和,在那里的边后卫的位置;也就是说,均匀分布在一个正方形区域的边后卫。我们假设的边后卫,其价值的小于30米属于准备好了吗和的边后卫的价值大于20米之内准备好了吗只,这样的边后卫的内可以把数据传输到海量存储系统(MSs)中(我们使用这个模拟场景中只有两个海量存储系统(MSs)中,为了关注传统切断方案之间的差异和我们的方案;在更一般的环境绩效评估,更多的海量存储系统(MSs)中共存,这项工作将是一个有趣的扩展)。IMT-R M.2135城市宏模型(因此,路径损耗,在那里之间的距离是和)用于路径损耗(17]。此外,我们假设dBm,dBm /赫兹,是10 MHz,的传输能量的边后卫,23 dBm。此外,我们假设信道经历快衰落是建模为圆对称复高斯随机变量均值为0,方差为1。仿真参数表进行了总结1。

在绩效评估中,我们检查我们的方案基于算法的性能1(道具。还计划)和考虑的性能优化方案,可以发现通过求解(4(ES)和详尽的搜索方案)。此外,传统的关闭计划,基于他们的边后卫都已关掉流量负载,也考虑(Conv计划),关闭的边后卫位置随机选择当多个的边后卫有相同的交通负荷。注意关闭Conv。方案调整等是满意的。最后,在仿真中,我们假设,在那里,这样表明吞吐量恶化,系统可以容忍的程度。换句话说,价值较低意味着减少功耗更重要,这样更多的边后卫将关闭,即使系统的吞吐量显著降低。

在数据2和3、数据速率和能耗率,通过改变,所示的边后卫的数量时,是10,功耗比能耗的比例的方案和功耗没有关闭的边后卫,也就是说,。例如,当电力消耗比率是0.5,可以节省50%的能源。我们可以发现所有的数据速率大于考虑方案;即限制数据率在所有情况下都得到满足。然而,支持的数据速率。计划和ES计划减少减少而Conv。计划的数量是相同的,因为的边后卫被关闭在Conv不变。计划的道具。方案和ES方案大大减少,可以从图验证3。具体来说,在支撑。方案和计划,近80%的的边后卫可以关闭在不违反约束的数据率,这样可以显著减少能源消耗,验证方案的好处。此外,我们可以确认我们的方案实现了算法性能的能耗。

数据4和5显示不同的数据速率和能耗比时的边后卫的数量是0.7。我们可以观察到,数据速率增加的边后卫数量的增加,因为接收信号功率的海量存储系统(MSs)中可能会增加。值得注意的是,所有的考虑计划超过的数据速率;也就是说,即使数据率的约束是满意增加。此外,我们可以发现我们方案的能耗率远低于Conv。计划,这样可以节省更多的能量在我们提出的方案与传统的边后卫关闭方案相比。特别是,我们可以观察到能耗之间的差距比我们的方案与传统方案的增加因为增加冗余的边后卫的数量更多的时候是大;也就是说,更多的边后卫的操作可以被中止而不伤害数据速率显著。因此,我们可以得出结论,我们提出的方案更有效的边后卫的数量很大。应该注意的是,道具的功耗比。方案和ES方案几乎是相同的;也就是说,我们的方案几乎最优的性能,尽管道具。计划是一个启发式方案在分布式的方式。

最后,在图6计算时间的道具。通过不同方案和ES方案被描述。从结果可以看出,我们的方案是较低的计算时间比ES计划因为计算ES方案所需数量的增加呈指数级增长。因此,我们建议的方案是更好的实现在实践中,特别是在大型CN,大量的边后卫。

6。结论

摘要有效的方式停止的操作冗余的边后卫在合作传播是剥削。鉴于现有的边后卫关闭方案不适合与合作传输的边后卫,我们提出制定新计划的优化问题。为了解决过度的计算复杂度问题,启发式方案基于TR设计,它可以在分布式的方式运作。基于现实的参数,通过仿真结果表明,我们建议的方案实现算法性能没有过多的计算,这样可以大大降低功耗的边后卫的没有过度降解CN的数据速率。考虑更一般的系统模型,在多个渠道的边后卫传输不同的传输能量,可能是一个有趣的扩展工作。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了“农业科技发展合作研究项目(项目名称:猪的发展管理模式与Animal-Metric牲畜福利,项目没有。PJ0105412015),“农村发展管理,大韩民国,也支持的基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由科技部,ICT和未来规划(MSIP) (NRF - 2016 r1a2b4014834)。这项工作也是忠南国立大学的支持。

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