基于博弈論的LTE基站自優化節能方法研究和試驗

李韶英+莊湛海+倪偉彬

【摘 要】利用LTE網絡的多點協作傳輸（CoMP）技術，提出了一種基于博弈論的基站自優化節能方法，應用該方法可在基站的控制單元增加1個節能模塊，此模塊可以通過X2接口交互小區簇內各小區信道信息，使得各小區同頻子載波上的發射功率相互博弈，以減少干擾最終達到動態平衡，提高網絡容量。通過實驗室仿真測試表明，該技術能夠在保證網絡吞吐量的同時降低系統的能耗，為運營商構建綠色節能的LTE網絡提供了參考。

【關鍵詞】無線通信 LTE基站 博弈論 CoMP技術

中圖分類號：TN929.53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-20-0092-05

Research and Test of Self-Optimizing Energy-Saving Method of LTE Base Station Based on Game Theory

LI Shao-ying1， ZHUANG Zhan-hai1， NI Wei-bin2

（1. Guangdong Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China；

2. Guangzhou YINFU Network Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract] According to coordinated multiple points transmission （CoMP） technology of LTE network， a self-optimizing energy-saving method of base station based on game theory is proposed. The control unit of base station can be added one energy-saving module by using the proposed method. This module can interact channel information with the cells within the cell cluster by X2 interface， which makes the transmit power of the pilot sub-carrier game in order to reduce interference， ultimately to achieve dynamic balance and increase network capacity. The simulation results show that this technology can reduce system power consumption with network throughput guarantee， which provides a reference for operators to build green energy-saving LTE networks.

[Key words]wireless communication LTE base station game theory CoMP technology

1 引言

移動通信網絡具有“潮汐效應”，話務的遷徙導致網絡流量波峰和波谷差異很大。然而，由于目前的網絡是按照用戶的最大需求來設計的，因此在移動網絡運營中通常為了達到更大的容量和更好的網絡質量，小區簇內各小區會盡可能地以最大功率發射，而這樣會產生較高的能耗，并造成密集基站間的干擾，抬升了整體底噪的同時降低系統的服務質量。針對這一問題，目前業界尚無有效的技術解決方案，尤其是對于現階段正在大規模建設的LTE網絡，該問題將會更加突出。

本文利用LTE網絡的多點協作傳輸（CoMP）技術，提出了網絡關鍵指標以及小區發射功率自我檢測優化的能耗博弈節能方法，在提升小區平均吞吐量的同時降低系統的總體發射功率。通過在實驗室進行仿真測試，驗證了該方法確實可以在保證網絡服務質量的前提下降低基站小區的發射功率，使LTE網絡的能耗達到最優。

2 基站自優化系統模型研究

LTE基站間協作一直都是一項重要的研究內容，在LTE-A中引入協作多點傳輸的CoMP技術，實現了LTE基站小區間的協作，為博弈論應用在通信節能奠定了技術基礎。

本文提出了一種基于CoMP技術的LTE基站自優化節能方案，通過建立基站自優化博弈模型，交互小區簇內各小區的信道信息，協調相鄰小區發射功率，提高系統吞吐量的同時降低系統的整體發射功率。在此方案中，小區的服務質量和發射功率是典型的博弈優化問題，一方面是保證用戶的服務質量，另一方面是降低系統的能量消耗。通過該方案，小區可以動態地增加、降低在每個子信道上的發射功率，最終目標是找到每個子信道上在保證服務質量的前提下的最低發射功率。

2.1 博弈理論

博弈論又稱為對策論，包括參與者（player）、策略（strategies）、收益（payoff）等要素，目標是找到各參與者間最優的策略選擇以及選擇策略時的博弈結果、分析這些結果的數學理論和方法。

本文采用了協作博弈的思想，博弈的要素包括：博弈參與者是各小區，策略是子信道上的發射功率集合，收益是吞吐量。首先引用了凈函數的概念，凈函數包括效用函數和代價函數。其中，效用函數代表一個小區的容量，代價函數代表需要基站付出的“代價”。然后模擬最大化多小區OFDMA系統的總容量，最優化基站能耗的博弈過程。在該博弈過程中，每個小區的基站獨立控制本小區的子信道分配，獨立地進行功率分配，從而最大化本小區的容量。endprint

2.2 效用函數

效用函數是一個微觀經濟學的概念，用來表示消費者所獲得的收益與消費的商品之間數量關系。效用函數應用在無線通信的功率控制問題中，通常選取用戶的信干比γ和發射功率P作為參數。當發射功率P固定時，效用函數Ui是信干比γ的單調增函數；當信干比γ固定時，效用函數Ui是發射功率P的單調減函數；當發射功率趨于無窮大時，效用函數值為零；當發射功率趨于零時，效用函數值為零。因此，能耗博弈的效用函數表達式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道的發送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價函數

小區簇內每個小區都試圖最大化自己的效用函數，從而會對小區簇內其他小區造成影響，因此在博弈過程中引入了代價函數。

代價函數是指博弈過程中每個小區在提高自身發射功率的同時，需要付出相應的“代價”。引入代價函數可對發射功率進行限制，以達到降低系統干擾、增加系統整體收益的目的。代價函數定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數，稱為代價因子，該代價與用戶的功率pi，k，m成線性關系，用戶的發射功率越高對其的“懲罰”就越嚴厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區簇內各小區各子信道的發射功率，即把各小區的發射功率平均發給各個子信道，此時的子信道發射功率為P（0）。定義一個計算精度t，設置為0.1，設置一個更新次數n。

（2）各個小區的子信道更新自身的發射功率。對于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數Ui，并令其偏導數為0，從而求出功率值P（n）和凈函數U（n）。

（3）當|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數Umax（n），認為此時的功率為最優功率，否則返回步驟（2）繼續執行。

（4）累加每個小區各信道的發射功率，得出每個小區的發射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節能模塊實現方案

基于上文提出的LTE網絡基站自優化的節能方法，可在基站增加節能模塊裝置，實現基站的自優化節能。節能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過定時器在設置時間周期內對網管下達指令，要求發送本小區和小區簇內鄰小區的檢測數據包。

（2）信息采集模塊根據檢測數據包采集本小區和相鄰小區的發射功率以及路徑損耗等數據信息。

（3）SNR處理模塊根據數據信息計算小區的信干比。

（4）功率處理模塊根據信干比、數據信息等數據代入凈函數，循環進行能耗博弈運算，最終得到函數收斂時的最優發射功率，并根據結果實時調整該基站小區的發射功率。

4 實驗室仿真測試

針對基于博弈論的LTE基站自優化節能方法，筆者在實驗室開展了詳細的測試研究工作，主要驗證技術可行性及節能效果。本文采用的仿真模型：系統帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數為600個，假設每25個子載波組成1個子信道，則系統共有24個子信道，小區簇內每基站3小區，每小區均勻分布5個用戶。仿真參數具體如表1所示。

圖3為系統模型在不同定價因子下獲得的系統總吞吐量仿真結果。由圖3可知，當定價因子為0時，則代價函數為0，此時系統的凈函數即為效用函數，系統的吞吐量為滿功率發射時的吞吐量；定價因子越小，系統干擾就越大，系統吞吐量也越低；反之亦然。綜合測試數據，該算法與傳統的系統最大功率發射相比，系統總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價因子下的系統總吞吐量仿真結果

在不同定價因子的情況下，系統的能耗也有差別。圖4為在不同定價因子下的小區平均功率仿真結果。當定價因子取值較小時，系統收斂到一個較大的功率值；當定價因子取值較大時，則功率較小；當定價因子為0時，小區平均功率最大。

圖4 不同定價因子下的小區平均功率仿真結果

綜合以上結果可得到最佳的定價因子，使得系統的吞吐量和發射功率達到博弈的最優配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優功耗對比中，最優功耗的功率比最高功耗低30%，系統吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時保證系統的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優功耗的系統吞吐量對比

圖6 最高功耗與最優功耗的功率對比

5 結束語

本文利用LTE網絡的CoMP技術，提出了基于博弈論的自優化節能方案優化LTE系統的能耗，并通過實驗室系統仿真驗證，實現網絡質量和基站能耗達到最優配置，為運營商的節能減排工作提供了參考。

參考文獻：

[1] 喻的雄，蔡躍名，鐘衛. CDMA系統中一種新的分布式博弈功率控制算法[J]. 電子與信息學報， 2008，30（2）： 443-446.

[2] 鐘衛，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學報， 2007，29（8）： 1929-1933.

[3] Boyd S， Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

[4] Fudenberg D， Tirole J. Game Theory[M]. Cambridge， MA： MIT Press， 1991.

[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡介

李韶英：學士畢業于西安電子科技大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為無線網絡及節能減排技術。

莊湛海：學士畢業于北京郵電大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為業務網絡、核心網絡、接入及節能減排技術。

倪偉彬：學士畢業于廣東技術師范學院，現任職于廣州因孚網絡科技有限公司，主要從事通信網絡節能減排研究工作。

2.2 效用函數

效用函數是一個微觀經濟學的概念，用來表示消費者所獲得的收益與消費的商品之間數量關系。效用函數應用在無線通信的功率控制問題中，通常選取用戶的信干比γ和發射功率P作為參數。當發射功率P固定時，效用函數Ui是信干比γ的單調增函數；當信干比γ固定時，效用函數Ui是發射功率P的單調減函數；當發射功率趨于無窮大時，效用函數值為零；當發射功率趨于零時，效用函數值為零。因此，能耗博弈的效用函數表達式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道的發送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價函數

小區簇內每個小區都試圖最大化自己的效用函數，從而會對小區簇內其他小區造成影響，因此在博弈過程中引入了代價函數。

代價函數是指博弈過程中每個小區在提高自身發射功率的同時，需要付出相應的“代價”。引入代價函數可對發射功率進行限制，以達到降低系統干擾、增加系統整體收益的目的。代價函數定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數，稱為代價因子，該代價與用戶的功率pi，k，m成線性關系，用戶的發射功率越高對其的“懲罰”就越嚴厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區簇內各小區各子信道的發射功率，即把各小區的發射功率平均發給各個子信道，此時的子信道發射功率為P（0）。定義一個計算精度t，設置為0.1，設置一個更新次數n。

（2）各個小區的子信道更新自身的發射功率。對于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數Ui，并令其偏導數為0，從而求出功率值P（n）和凈函數U（n）。

（3）當|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數Umax（n），認為此時的功率為最優功率，否則返回步驟（2）繼續執行。

（4）累加每個小區各信道的發射功率，得出每個小區的發射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節能模塊實現方案

基于上文提出的LTE網絡基站自優化的節能方法，可在基站增加節能模塊裝置，實現基站的自優化節能。節能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過定時器在設置時間周期內對網管下達指令，要求發送本小區和小區簇內鄰小區的檢測數據包。

（2）信息采集模塊根據檢測數據包采集本小區和相鄰小區的發射功率以及路徑損耗等數據信息。

（3）SNR處理模塊根據數據信息計算小區的信干比。

（4）功率處理模塊根據信干比、數據信息等數據代入凈函數，循環進行能耗博弈運算，最終得到函數收斂時的最優發射功率，并根據結果實時調整該基站小區的發射功率。

4 實驗室仿真測試

針對基于博弈論的LTE基站自優化節能方法，筆者在實驗室開展了詳細的測試研究工作，主要驗證技術可行性及節能效果。本文采用的仿真模型：系統帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數為600個，假設每25個子載波組成1個子信道，則系統共有24個子信道，小區簇內每基站3小區，每小區均勻分布5個用戶。仿真參數具體如表1所示。

圖3為系統模型在不同定價因子下獲得的系統總吞吐量仿真結果。由圖3可知，當定價因子為0時，則代價函數為0，此時系統的凈函數即為效用函數，系統的吞吐量為滿功率發射時的吞吐量；定價因子越小，系統干擾就越大，系統吞吐量也越低；反之亦然。綜合測試數據，該算法與傳統的系統最大功率發射相比，系統總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價因子下的系統總吞吐量仿真結果

在不同定價因子的情況下，系統的能耗也有差別。圖4為在不同定價因子下的小區平均功率仿真結果。當定價因子取值較小時，系統收斂到一個較大的功率值；當定價因子取值較大時，則功率較小；當定價因子為0時，小區平均功率最大。

圖4 不同定價因子下的小區平均功率仿真結果

綜合以上結果可得到最佳的定價因子，使得系統的吞吐量和發射功率達到博弈的最優配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優功耗對比中，最優功耗的功率比最高功耗低30%，系統吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時保證系統的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優功耗的系統吞吐量對比

圖6 最高功耗與最優功耗的功率對比

5 結束語

本文利用LTE網絡的CoMP技術，提出了基于博弈論的自優化節能方案優化LTE系統的能耗，并通過實驗室系統仿真驗證，實現網絡質量和基站能耗達到最優配置，為運營商的節能減排工作提供了參考。

參考文獻：

[1] 喻的雄，蔡躍名，鐘衛. CDMA系統中一種新的分布式博弈功率控制算法[J]. 電子與信息學報， 2008，30（2）： 443-446.

[2] 鐘衛，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學報， 2007，29（8）： 1929-1933.

[3] Boyd S， Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

[4] Fudenberg D， Tirole J. Game Theory[M]. Cambridge， MA： MIT Press， 1991.

[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡介

李韶英：學士畢業于西安電子科技大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為無線網絡及節能減排技術。

莊湛海：學士畢業于北京郵電大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為業務網絡、核心網絡、接入及節能減排技術。

倪偉彬：學士畢業于廣東技術師范學院，現任職于廣州因孚網絡科技有限公司，主要從事通信網絡節能減排研究工作。

2.2 效用函數

效用函數是一個微觀經濟學的概念，用來表示消費者所獲得的收益與消費的商品之間數量關系。效用函數應用在無線通信的功率控制問題中，通常選取用戶的信干比γ和發射功率P作為參數。當發射功率P固定時，效用函數Ui是信干比γ的單調增函數；當信干比γ固定時，效用函數Ui是發射功率P的單調減函數；當發射功率趨于無窮大時，效用函數值為零；當發射功率趨于零時，效用函數值為零。因此，能耗博弈的效用函數表達式如下：

（1）

Bm表示子信道帶寬；γi，k，m表示信干比，。其中，gi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道上的增益；pi，k，m表示基站i的第k個用戶在第m個子信道的發送功率；σ2表示背景噪聲功率；Γ表示一定誤碼率BER要求下的常數，在AWGN信道下，Γ=-ln（5BER）/1.5。

2.3 代價函數

小區簇內每個小區都試圖最大化自己的效用函數，從而會對小區簇內其他小區造成影響，因此在博弈過程中引入了代價函數。

代價函數是指博弈過程中每個小區在提高自身發射功率的同時，需要付出相應的“代價”。引入代價函數可對發射功率進行限制，以達到降低系統干擾、增加系統整體收益的目的。代價函數定義如下：

c（1+gi，k，mpi，k，m） （2）

c為一常數，稱為代價因子，該代價與用戶的功率pi，k，m成線性關系，用戶的發射功率越高對其的“懲罰”就越嚴厲，可以有效地抑制“貪婪”基站。則最終的凈函數為：

（3）

2.4 能耗博弈算法

（1）初始化小區簇內各小區各子信道的發射功率，即把各小區的發射功率平均發給各個子信道，此時的子信道發射功率為P（0）。定義一個計算精度t，設置為0.1，設置一個更新次數n。

（2）各個小區的子信道更新自身的發射功率。對于第n次功率更新的功率為P（n），第（n-1）次更新為P（n-1），利用信干比，

代入凈函數Ui，并令其偏導數為0，從而求出功率值P（n）和凈函數U（n）。

（3）當|P（n）-P（n-1）|

中最大的凈函數Umax（n），認為此時的功率為最優功率，否則返回步驟（2）繼續執行。

（4）累加每個小區各信道的發射功率，得出每個小區的發射功率。

算法流程圖如圖1所示：

圖1 算法流程圖

3 節能模塊實現方案

基于上文提出的LTE網絡基站自優化的節能方法，可在基站增加節能模塊裝置，實現基站的自優化節能。節能模塊原理圖如圖2所示。

在基站的主控板上增加能耗博弈模塊，該模塊包括定時器、信息采集模塊、SNR處理模塊、功率處理模塊等。模塊的工作流程如下：

（1）通過定時器在設置時間周期內對網管下達指令，要求發送本小區和小區簇內鄰小區的檢測數據包。

（2）信息采集模塊根據檢測數據包采集本小區和相鄰小區的發射功率以及路徑損耗等數據信息。

（3）SNR處理模塊根據數據信息計算小區的信干比。

（4）功率處理模塊根據信干比、數據信息等數據代入凈函數，循環進行能耗博弈運算，最終得到函數收斂時的最優發射功率，并根據結果實時調整該基站小區的發射功率。

4 實驗室仿真測試

針對基于博弈論的LTE基站自優化節能方法，筆者在實驗室開展了詳細的測試研究工作，主要驗證技術可行性及節能效果。本文采用的仿真模型：系統帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數為600個，假設每25個子載波組成1個子信道，則系統共有24個子信道，小區簇內每基站3小區，每小區均勻分布5個用戶。仿真參數具體如表1所示。

圖3為系統模型在不同定價因子下獲得的系統總吞吐量仿真結果。由圖3可知，當定價因子為0時，則代價函數為0，此時系統的凈函數即為效用函數，系統的吞吐量為滿功率發射時的吞吐量；定價因子越小，系統干擾就越大，系統吞吐量也越低；反之亦然。綜合測試數據，該算法與傳統的系統最大功率發射相比，系統總體容量可提高1.23%。

圖3 不同定價因子下的系統總吞吐量仿真結果

在不同定價因子的情況下，系統的能耗也有差別。圖4為在不同定價因子下的小區平均功率仿真結果。當定價因子取值較小時，系統收斂到一個較大的功率值；當定價因子取值較大時，則功率較小；當定價因子為0時，小區平均功率最大。

圖4 不同定價因子下的小區平均功率仿真結果

綜合以上結果可得到最佳的定價因子，使得系統的吞吐量和發射功率達到博弈的最優配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優功耗對比中，最優功耗的功率比最高功耗低30%，系統吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時保證系統的吞吐量，具體如圖5和圖6所示：

圖5 最高功耗與最優功耗的系統吞吐量對比

圖6 最高功耗與最優功耗的功率對比

5 結束語

本文利用LTE網絡的CoMP技術，提出了基于博弈論的自優化節能方案優化LTE系統的能耗，并通過實驗室系統仿真驗證，實現網絡質量和基站能耗達到最優配置，為運營商的節能減排工作提供了參考。

參考文獻：

[1] 喻的雄，蔡躍名，鐘衛. CDMA系統中一種新的分布式博弈功率控制算法[J]. 電子與信息學報， 2008，30（2）： 443-446.

[2] 鐘衛，徐友云，蔡躍明. MIMO-CDMA系統中一種基于博弈方式的分布式功率控制[J]. 電子與信息學報， 2007，29（8）： 1929-1933.

[3] Boyd S， Vandenberghe L. Convex Optimization[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

[4] Fudenberg D， Tirole J. Game Theory[M]. Cambridge， MA： MIT Press， 1991.

[5] Yates R D. A Framework for Uplink Power Control in Cellular Radio Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995，13（7）： 1341-1347.

作者簡介

李韶英：學士畢業于西安電子科技大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為無線網絡及節能減排技術。

莊湛海：學士畢業于北京郵電大學，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，主要研究方向為業務網絡、核心網絡、接入及節能減排技術。

倪偉彬：學士畢業于廣東技術師范學院，現任職于廣州因孚網絡科技有限公司，主要從事通信網絡節能減排研究工作。