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基于Femtocell异构网络的能效性能分析与优化.pdf

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少的基站,并由相邻的基站服务其原来的用户的协作休眠方案。仿真结果表明,上述两种休眠方式,在保证服务质量的同时能够降低基站的功耗,增加异构网络的能效。关键词Femtocell;异构网络覆盖概率能效基站休眠ENERGY PERANCE ANALYSIS ANDOPTIMIZED OF HETEROGENEOUS NETWORKSBASED ON FEMTOCELLABSTRACTWith the explosion growth of mobile users and the service requirement,hugeeconomic bring benefits to the operators,but also lead to a sharp increase inenergy consumption in the field of ICT industry.Carbon emissions is growingrapidly as well as the wireless communications energy efficiency.Therefore,increase capacity of wireless network while reducing the energy consumption ofthe network will be the trend for the design of future wireless communications.In this thesis,what we discussion is under the premise of the greencommunication.At first we elaborated interference and energy efficiency in theMacro-Femto heterogeneous networks.As we know deploy femtocell under thecover of macrocells in the wireless network can increased wireless systemcapacity,and also reduce the power consumption of the system.However,asthere are lots of complex interferences in the heterogeneous network,the systemenergy efficiency will be decreased.But if we take some measures such aSpower control or sleep schemes at femtocell base station in、heterogeneousnetwork are possible to reduce the interference and the power consumption.Then,we discussed the coverage perance of the system and energyefficiency in theoretically.In this thesis we assume femtocells location based onmodel of random geometric distribution,for channel model,only consideringthe pathloss and shadow fading,and interference limited scenarios.weconclusion the coverage perance based on stochastic theory for twotiercellular networks with diffifent frequency allocation strategywith the samefrequency allocation strategy and the orthogonal frequency Mlocmion strategy,and then we further investigate the optimal energy efficiency perance of theheterogeneous network based on a certain coverage probability.Discussed therelationship between Femto BS number,and heterogeneous network coverageradius and energy efficiency.Finally,according to the different s of user access schemes,proposedtwo different sleeping scheme in femtocell base stationbased on the user s noisedetection for closed access femtocell,and in densely deployed for an openaccess femtocell,we can closed the femtocell which have fewer the number ofusers and the neighboring cells can take care of the coverage.Simulation resultsshow that the two sleep mode we put forward,call reducing the powerconsumption of the base station and increase the energy efficiency ofheterogeneous networks,while ensure the quality of service at the same time.KEYWORDSfemtocell;heterogeneous network;coverage probability;energy efficient;base station sleepV目录第一章绪论.11.1研究背景及意义l1.2能效研究现状2I.3本文研究的主要内容及安排4第二章Femtocell与节能技术62.1 分层异构网络概述62.2 Femtocell技术简介72.2.1 Femtocell与其他技术比较.82.2.2 Femtocell特点概述92.3 Macro.Femto异构网络中的干扰一l l2.4 Femtocell异构网络中干扰避免与能效方案132.4.1功率控制方案.142.4.2动态无功/睡眠方案1 5第三章基于Femto分层异构网络的能效性能分析173.1概述l 73.2网络结构及信道模型l 83.3共信道配置时异构网络的覆盖性能与能效分析.193.3.1 Macrocell的覆盖性能213.3.2 Femtocell的覆盖性能213.3.3能效性能分析.233.4共信道配置时异构网络的覆盖性能与能效分析243.4.1 Macrocell覆盖性能243.4.2 Femtocell覆盖性能253.4.3能效性能分析..253.5共信道配置时异构网络的覆盖性能与能效分析.263.5.1仿真参数设置263.5.2同频率配置时覆盖性能26V3.5.3『F交信道配置时覆盖概率303.5.4能效性能仿真分析一3 13.6本章总结32第四章异构网络中Femto BS的休眠模式.334.1 概j盎334.2单小区休眠模式.344.2.1算法设计.344.2.2 F ernto BS的硬件设计和相关的能源消耗364.2.3降低功耗..374.2.4算法性能..394.3多基站协作休眠模式一404.3.1分析场景..4l4.3.2休眠算法4l4.3.3算法仿真与分析.444.4 本章总结45第五章结论与展望465.1 结论一465.2今后工作展望..46参考文献48致{射.50攻读学位期间发表的学术论文5l内蒙占大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景及意义2013年12月4日工业和信息化部发布公告,正式向三大电信运营商发放了TD.LTE4G牌照n1。至此我国已正式进入4G网络全面发展的阶段。截至2014年底,我国4G用户数已经达到5770万,展望2015年,我国LTE用户有望超过2亿,预计到2020年,我国LTE用户数将超过7亿成为全球最大的4G市场心1。与此同时,全球范围内移动数据流量保持高速增长,年复合增长率超过80%,月人均流量260MB。从业务上看,视频流量在移动数据总流量中的占比也将从现在的35%上升到50%以上。按照目前的增长速度,至2020年,无线接入网络业务量将会持续增加500---1 000倍。用户数量和业务流量的不断增加,在给运营商带来巨大经济效益的同时,也导致信息通信技术ICT产业领域的能耗急剧增加,碳排放量及能耗所占的比例迅速增长。2007年全世界ICT产业耗电量超过了全世界总用能源消耗的3卜约600TWh,而这--LL例在未来将快速增长,预计到2030年将增加到1700TWh嘲。目前,ICT产业能耗主要集中在大型数据中心和服务器群,有线、无线电信网络以及Intemet,其中电信网络的能耗约占所有ICT设备能耗中的三分之一,而电信网络的能耗中,移动设备的能耗几乎占总能耗的50%b1。进一步分析表明,在移动网络的能耗中,用户终端设备的能耗仅占网络总能耗约10%,而网络构件的能耗占了剩余的90%,这其中基站设备的能耗几乎占到70%。”。而且由于用户数目和数据流量的不断增加,无线蜂窝网络基站和核心网络的能耗“每隔4.5年便增加一倍”。随着能耗的增加,电信运营商的电费支出占运营成本的比例也越来越高。目前网络运营商的电费开支已占其运营成本Operational Expenses,OPEX的20%一30%。因此,ICT产业为提高自身的经济效益也有必要在满足不断增长的流量需求同时,通过提高网络能效来降低运营成本【4】【5|。减少能源消耗,除了经济方面的原因还有社会责任。在过去,运营商技术发展主要集中于满足用户的容量需求和服务质量QualityofService,QoS,以及如何解决不断增加的宽带数据。然而近年来能耗成本大幅增加,使得提高通信系统的能效变得日趋紧迫。而在未来几年,能效的提升将变得更加重要。除此之外,基站和移动设备的射频RF能量辐射对人们健塑茎鱼查堡主鲎垡笙奎康构成了潜在的危害,成为人们日益关注的话题。在移动网络中,无线接入网络占通信系统总能耗的大部分,对运行成本和环境都产生了重要的影响。在无线接入网中,高效的利用有限的网络资源,在满足运营商降低成本和减轻环境影响的双重目标上都是至关重要的。为了实现可持续发展,减少对环境的污染,中国政府在哥本哈根会议上承诺2020年全国单位GDP二氧化碳排放量要比2005年下降40.45%t61。为实现这个目标,在无线通信领域中,也必须积极采取多种节能措施,提高通信的效率打造绿色通信网络。1.2能效研究现状为了应对无线数据吞吐量的高速增长和能耗不断增加所带来的双重挑战,如今“绿色通信”已成为无线网络发展的必然趋势。“绿色通信”旨在保证系统容量以及用户QoS需求的条件下,最小化通信系统的总体能耗。对于传统无线通信技术,主要解决的问题是如何在无线频谱受限的条件下提高数据的传输速率和系统容量;而“绿色”无线通信则主要是要解决如何在满足用户需求的同时,降低系统的能耗。从流量的角度来看,为了满足目前无线数据吞吐量的指数增长需求,只有提高能量效率,降低每比特流量的能耗才能达到降低系统能耗的目标。因此,未来无线蜂窝网络的发展趋势是在保证用户服务性能满意的同时提高系统的能量效率‘”。在“绿色通信”之前,已经有过一些关于无线网络能效问题的研究,如设计高效功率放。、大器、增加冷却设备、降低馈线损失和移动终端的能耗等等,然而这些研究大多是相互孤立的,因而不能实现降低整个无线网络总体能耗的目标。而“绿色通信”则是从无线网络的总能耗出发,目标是从总体上降低整个无线网络的能耗。研究人员通过对蜂窝网络能耗的深入研究发现,无线蜂窝网中的无线接入部分占据了整个网络能耗的大部分,对一些运营商来说,这部分能耗以占到整个网络能耗的70%以上盯3。因此,如何降低这部分的能耗成为“绿色通信”研究的重点。目前基站节能的主要措施可以分为以下两个方面一是提高基站发射效率,如采用先进的射频技术、提高功放的效率以及采用高效的信号处理方法;二是在网络层对基站以及蜂窝网络进行全面有效的规划、设计和管理,比如优化基站的覆盖范围以及布设的位置,关闭闲置基站或者采用睡眠模式等,以达到节能目的;此外还可在基站采用新能源以及新型制冷技术以减少基站能耗D1。’为了讨论未来的绿色无线技术,国际上相继组织了一些关于绿色通信的研讨会。同时,在不同的国际研究平台上,关于“绿色通信”的研究项目同渐增多。表1.1列出了关于“绿内蒙古人学硕士学位论文色通信”研究的一些重大国际项目。表1.1 关于“绿色通信”研究的重大国际项目Table 1.1 Major international project Oil”green communications”research计划 计划 平 2020年绿合作者名称 时间 △ 色远景口oPERA 2008.10. CLE Fmnee Teleeom Alcatel.LucentALU Cardi面.眦C, Free-seale 到2020年-Net 20l o.10 TIc FT /Nokia-Siemem VTT 改善能效NetworksNSN/ 20%Tomson G船ValleyGi CCrl 2009.1. MV Voda60n,Btitish NSNmuawei\ BristovKCL, NEC/Fujitsu 对于高速数Radio 2012.1 CE teleeorn/FT AIInThal∞ Swanscal/ 瓜shiba 据服务,减COR Orange Edinl删 少100倍能E 5 Southamon 量需求ERm 20lO.1. FP7 “relecom Ericsson/ALU Surr科/TU NXP,ETS“ 至少减少移20】2.6 Call Italia,N兀二DOC Dresdea/OuiI“ TT∥ETH 动网络能耗4P BME,l嗣广,Y1 Iu 到2级Green 2010.1. “relefomica ALU Belllab/ WSURLE, Free-seale 降低1000Touch 2015.1 /ohina Mobile Huawei/Samsung 斟剐【A,mES, 倍每比特能/Swisseom mmC 耗/Portugal/Tclecom,FCM文献[8】中给出了能量有效通信的基本概念,并对目前关于能效研究的先进技术进行了总结。文中将能效定义为每单位能量传输的比特数。对于给定的发送功率尸和系统带宽B,在加性高斯自噪声信道下系统的能效定义为 ‰≯C而2R1.1‰2≯2而两i ‘’其中,R表示数据的传输速率。由公式1.1可知,能效flEE将随数据传输速率R单调递减当Rjo时,玎舾。。。l/NoIn2,当R一。o时,77雎。in0。然而,由于信道编码、信道状内蒙占火学硕十学位论文一-●--_‘___-_-______--I______-。--●-●_-●●●-●_____-●-●___-__●●_____-_●_--●1●_●___●_-_-__h_-__-●●__。-●_--__-________________一态信息不完美,同步成本及与传输相关的电路能耗等带来的性能缺失,从信息理论分析获得的能效界限在实际系统中时无法获得的。在这些因素中,电路能耗改变了能效和数据传输速率之间的这种关系。考虑到电路能耗以后,能效需要进行重新定义,即在1.1式的分母上在增加一个额外的电路功率因子只,这样r/。,一R曲线将从杯形变为钟形。文献[9】分析了绿色通信的多种矛盾,其中包括频谱效率一能量效率SpectrumEfficiency-Energy Efficiency,SE-EE、部署效率一能量效率Deploying Efficiency-EnergyEfficiency、带宽~功率BandwidthPower,BW-PW、延时一功率Delay-Power,DL-PW。并归纳总结了多种实现绿色通信的方式,其中包括硬件的能效、能量的模型、高能效的网络架构、高能效的资源调度管理等等。其中在网络架构部分,作者指出了异构网络能更好的协调用户与基站之间的关系,减少不必要的能量损耗,因此是实现绿色通信的方式之一。由以上分析可知,’绿色通信已日益成为全球通信科研工作者研究的重点。对于绿色通信的研究,从宏观到微观,目前已有了一定的成果,并有很多的研究方向。1.3本文研究的主要内容及安排本文首先讨论了在由Macro.Femto构成双层网络中,分别使用相同频率和正交频率资源两种情况下系统的覆盖性能和能效之间的关系,并根据讨论结果寻找能效最大化时Femtoeell的部署密度。最后分别针对封闭式和开放式部署的Femtocell提出了小区休眠机制,具体内容如下首先,本文采用随机几何理论建模了Femtocell的分布,考虑了路径损耗、阴影损耗和干扰受限的研究场景,根据不同的频率分配方案,从理论上分析了系统的覆盖性能与能效性能然后推导了在保证异构网络中各层覆盖性能的前提下,使网络能效达到最优化的Femto BS的部署方案,探究了分层网络的能效性能与相关系统参数和配置方案之间的关系。然后,提出了基于用户噪声检测的Fcmtocetl睡眠方案,在封闭式用户接入的Femtocell中,基站在没有活跃用户的时候关闭发射及相关无线处理操作,当授权用户足够接近Femto BS时,可以通过检测用户的上行干扰信号发现活跃用户,并开启无线发射电路,从而降低了基站的活跃时间,节省了Femtocell的能耗。同时在开放式接入的Femtocell,通过关闭用户数较少的基站,并通过相邻的基站服务其原来的用户,能够进一步降低基站的功耗。本文组织结构安排如下第一章主要分析了本文的研究背景、意义以及国内外关于能耗研究现状,并简要介绍了本文的主要内容和结构安排。内蒙占人学坝十学位论文第二章首先简要的介绍了Femtocell的特点,然后讨论了基于Femtocell的异构网络中干扰与抑制技术,最后对Femtocell的能效方案进行了研究。第三章基于随机几何理论,从理论上给出了FactoMacro构成双层网络中,覆盖概率的表达式,以及覆盖概率与能效之间的关系,给出了基于最大能效的Femto BS最优部署密度。第四章研究了两种不同的基站休眠策略。基于用户噪声检测的基站休眠策略,和密集部署地区的联合基站休眠策略。仿真结果证明,通过在基站使用休眠策略,能够大大的节省基站的功率消耗。第五章对全文进行了总结并对今后的工作提出了展望。
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