異構網中Small Cell休眠機制研究

于淑青 鄭迺錚 談振輝

【摘要】 為滿足日益增長的移動流量需求和彌補宏小區的覆蓋缺陷，LTE-A系統引入了Small Cell概念，部署在熱點區域或盲區，與宏小區組成異構網。針對異構網中Small Cell的密集部署導致出現的層內干擾和功耗加大等問題，本文提出一種Small Cell平衡休眠機制，在保證用戶體驗質量的前提下，考慮基站端的功耗因素，引入一個功耗權衡系數，平衡系統性能與功耗的關系，使網絡負載低的Small Cell進入休眠狀態。仿真結果表明，該機制可以顯著降低功耗和提升系統性能。

【關鍵詞】 異構網 小型基站 休眠機制

一、引言

在熱點地區或宏覆蓋盲區，傳統的同構網已經無法滿足用戶流量需求，嚴重影響用戶體驗，故引入了Small Cell。Small Cell包含Micro、Pico、Femto等多種形態，這種組網方式在3GPP Release-10中被引申為異構網（Heterogeneous Network，HetNet）[1]。根據Small Cell論壇最新公布數據：截至2015年第一季度，Small Cell部署量已經達到1120萬個，其中90%以上的Small Cell部署在住宅、企業等室內環境中，同時Small Cell也呈現出向市區室外、偏遠地區等場景擴大部署范圍的趨勢，預計2015年室內Small Cell部署數量將翻倍[2]。

Small Cell的大規模部署，在解決熱點區域覆蓋問題的同時，也引入了新的問題和挑戰。在熱點區域，Small Cell部署密度大，距離比較近，相互間覆蓋區域交疊，如果相鄰的Small Cell采取同頻部署，在相同頻帶上進行數據收發，不可避免地會產生同層干擾。

同時，大量部署Small Cell會導致功耗加大，尤其是在夜間流量比較小時，很多Small Cell處于空閑狀態，將會嚴重浪費能源。為有效解決小區間干擾和能耗問題，有必要使網絡負載非常低或者無網絡負載的Small Cell自主休眠以節省能源并且降低對臨近小區的干擾。

3GPP在Release-12版本中引入了多種Small Cell休眠方案，比如根據業務負載的增減、UE的到達或離開、UE分組數據的到達與完成等情況決定Small Cell的休眠與激活[3][4]。文獻[5]引入了一種利用時延容忍的休眠機制，Small Cell短期隨機開關，用戶為接入距離更近的Small Cell，可以等待接入。

文獻[6]呈現了基于當前的流量負載和網絡環境的機會主義開關策略。文獻[7]提出一種基于博弈論的動態開關調度算法。以上休眠方案都是以提升系統吞吐量為主，并能降低部分功耗。

本文考慮在保證用戶服務質量不下降或者下降在一個容忍度之內的前提下，節省更多的能源，提出一種平衡休眠機制，權衡系統性能和能耗。

二、系統模型

為了使仿真場景更加符合實際情況，3GPP定義了小型基站增強（Small Cell Enhancements，SCE）場景[3]。SCE場景與典型HetNet場景[8]相比，引入了簇（Cluster）的概念，Small Cell部署在簇內，用來模擬熱點區域。

如圖1所示，本文采用SCE場景2a，Small Cell簇與Macro之間通過回程鏈路連接，Small Cell和宏小區工作在不同的頻段

假定每個宏小區中只有一個Small Cell簇，第k個宏小區MCk的簇內有M個Small Cell，表示為SCk={SC0k，SC1k，...，SCkM-1}整個基站集合為Ck=MCk∪SCk。下面為描述方便將標記k去掉，即SC={SC0，SC1，...，SCM-1}，C=MC∪SC。

Small Cell的狀態表示為X={x0，x1，...，xM-1}，其中SCm的狀態xm={0，1}，“1”表示Small Cell處于激活狀態，“0”表示Small Cell處于休眠狀態，則Small Cell的狀態集合Ω中共有2M個元素X。當一個Small Cell從激活態變為休眠態時，之前連接在該Small Cell上的UE將切換至其他相鄰的小區上。處于激活態的Small Cell正常服務于本小區內的UE，轉換為休眠態的Small Cell仍然需要少量功率維持運作。SCm的功耗表示為：

其中，PRF、PBB分別表示基站射頻單元和基帶單元的總功率，σ表示DC-DC轉換、配電以及冷卻等損耗，σfeed表示饋線損耗，η表示功率放大器效率。PmBCK表示SCm所需的回程功耗，Pm是指SCm的發射功率。從上式可以得知，基站總功耗包括傳輸功耗和維持基站處于激活或休眠模式的功耗。

假設SCm上連有Nm個UE，由于簇之間距離較遠，每個簇中的UE受到其他簇內Small Cell的干擾遠小于本簇內Small Cell帶來的干擾，所以其他簇的干擾可作為背景干擾，主要考慮本簇內的干擾[7]。連接到SCm上的第n個UE的SINR為：

RU，M其中，P表示MC的發射功率，[ωl表示MC中第l個UE占用的帶寬。根據式（4）和式（6）可以得到宏小區覆蓋范圍中總的數據速率，即總的用戶吞吐量為：

Rtotal=Rm+RMC （7）

通過改變Small Cell的狀態可以獲取不同的吞吐量，那么狀態集合Ω中存在某個元素可以使得系統吞吐量最大化。本文考慮的是節省更多能源，前提條件是保證系統性能不惡化，故引入一個功耗權衡參數α，定義一個平衡函數：

權重參數α表示功耗占的比重，α=0時代表不考慮功耗，α越大，則功耗占的比重越大，本文中α的選取參考所有Small Cell都處于激活態時的系統吞吐量。本文最終目標是實現每個宏小區的平衡函數最大化，即：

本節具體描述平衡休眠機制的實現過程，定義狀態切換時間間隔為1s。

第一步：

t=0系統初始化，任取一個小區集合C，Small Cell全部處于激活狀態，計算C的吞吐量 Rtotal（t），選取α值，計算此時的平衡值Γ（t）；

第二步：

t=t+1，從Ω中任意選取一個未曾使用過的元素X，然后完成狀態轉換和UE重連，重新計算吞吐量Rtotal（t+1）和平衡值Γ（t+1），與前一個時間點保存的平衡值Γ（t）作比較，繼續保存較大的那個平衡值以及對應的Small Cell狀態元素，并且記為Γ（t），重復第二步；

第三步：

Ω中元素使用完畢，結束循環，存儲使平衡值最大的狀態元素X，并將Small Cell狀態切換為X。

四、仿真結果及分析

4.1 系統仿真參數設置

具體仿真參數見表1。

4.2 仿真結果

使用Small Cell全部處于激活態為基準線，比較平衡休眠機制和基于UE連接的休眠方案。基于UE連接的休眠方案是指將沒有UE連接的Small Cell休眠。

圖2列出了基準線、本文提出的平衡休眠機制以及基于UE連接的休眠方案下邊緣用戶和中間用戶的吞吐量。邊緣用戶吞吐量取用戶吞吐量累積分布曲線5%-ile處的值，中間用戶吞吐量取用戶吞吐量累積分布曲線50%-ile處的值。

從圖2可以看出，本文提出的平衡休眠機制的邊緣用戶與中間用戶吞吐量介于基準線和基于UE連接的休眠方案之間。以基準線為準，在每個Macro區域中UE數為6時，基于UE連接的休眠方案的邊緣用戶吞吐量增益是25.5%，中間用戶吞吐量增益是48.5%，平衡休眠機制的吞吐量增益相對低一些，邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別達到19.8%和17.5%。

隨著UE數逐漸增多，平衡休眠機制和基于UE連接的休眠方案這兩種方式帶來的用戶吞吐量逐漸接近基準線，在每個Macro區域中UE數為30時，基于UE連接的休眠方案的邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別為14.9%和10.8%，平衡休眠機制的邊緣用戶吞吐量增益和中間用戶吞吐量增益分別是8.8%和3.2%。

這說明基于UE連接的休眠方案可以帶來非常顯著的用戶吞吐量增益，相比之下，平衡休眠機制考慮了功耗因素，雖然用戶吞吐量增益低于基于UE連接的休眠方案，但卻節省了更多的能源。

為了評估系統降低的能耗，計算Small Cell的休眠比例，具體數據如圖3所示。

從圖3不難看出，基于UE連接的休眠方案的Small Cell休眠比例低于本文提出的平衡休眠方案。基于UE連接的休眠方案的休眠比例最高為40%，而平衡休眠方案可達52.4%，比基于UE連接的休眠方案高出了12.4%，節省的能源也更多。

以上數據有效支撐了理論推斷，證明了平衡休眠機制的有效性。

五、結論

本文給出了一種權衡系統性能和能耗的平衡休眠機制，在保證用戶服務質量不下降或者下降在一個容忍度之內的前提下，降低更多能耗。

該機制針對當前Small Cell的密集部署，引入了平衡值的概念，以系統性能為主，加入功耗因素，綜合評價系統性能，并結合系統級仿真平臺，評估本文所提出的機制。結果表明雖該機制然在系統性能上表現略差于基于UE連接的休眠方案，但極大地節省了能源。

參 考 文 獻

[1] Damnjanovic A， Montojo J， Wei Y， et al. A survey on 3GPP heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications， 2011， 18（3）： 10-21.

[2] Small Cell Forum. Market status statistics[OL]. http：//scf.io/en/documents/050_-_Market_status_report_June_2015_-_Mobile_Experts.php， 2015-6-9.

[3] 3GPP TR 36.872 v12.1.0， Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN - Physical layer aspects[S]. 2013.

[4] 3GPP TR 36.932 v12.1.0， Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN[S]. 2013.

[5] Celebi H， Maxemchuk N， Li Y， et al. Energy reduction in small cell networks by a random on/off strategy[C]//Globecom Workshops （GC Wkshps）， 2013 IEEE. IEEE， 2013： 176-181.

[6] Samarakoon S， Bennis M， Saad W， et al. Opportunistic sleep mode strategies in wireless small cell networks[C]//Communications （ICC）， 2014 IEEE International Conference on. IEEE， 2014： 2707-2712.

[7] Luo Z， Ding M， Luo H. Dynamic Small Cell on/off Scheduling Using Stackelberg Game[J]. IEEE Communications Letters， 2014， 18（9）： 1615-1618.

[8] 3GPP TR 36.814 v9.0.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Further advancements for E-UTRA physical layer aspects[S]. 2010.