一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法，包括以下幾個步驟：步驟一：獲取各時隙的接收端等價平均信噪比；步驟二：獲取對各時隙用戶接收數(shù)據(jù)量的均值和方差，進(jìn)行近似的輔助變量l的值；步驟三：采用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化算法求解優(yōu)化問題，可以采用次優(yōu)表達(dá)式輔助求解；步驟四：采用貪婪算法得到系統(tǒng)總能耗最低時的發(fā)射功率方案。本發(fā)明提出的方法不需要預(yù)測各時隙信道的小尺度衰減信息，然而設(shè)計(jì)的功率分配方案可以保證用戶在這段時間內(nèi)接收數(shù)據(jù)的中斷概率不影響用戶體驗(yàn)。適應(yīng)當(dāng)下無法在大范圍內(nèi)預(yù)測信道小尺度衰減信息的實(shí)際情況。
【專利說明】一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 信息與通信技術(shù)（ICT,InformationandCommunicationTechnology)領(lǐng)域消耗 的能量以每年15-20%的速度增長，使之逐漸成為全球溫室氣體排放越來越重要的一個因 素。為了減少ICT行業(yè)對環(huán)境的影響，越來越多的人開始關(guān)注如何降低相關(guān)行業(yè)的能耗問 題。綠色通信（GR，GreenRadio)面向未來移動通信系統(tǒng)，旨在提出具有低能耗的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 和傳輸技術(shù)，已得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。 [1]由于基站端能耗占據(jù)網(wǎng)絡(luò)總能量開銷 的一半以上，因而低能耗的用戶接入和傳輸方案能有效地降低網(wǎng)絡(luò)總能量開銷。這些方案 主要可以分為三類：
[0003] 1、時域的節(jié)能傳輸機(jī)制，如使基站進(jìn)入間歇性低能耗傳輸模式。
[0004] 2、頻域的節(jié)能傳輸機(jī)制，如針對特定基站的載波聚合技術(shù)。
[0005] 3、網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)，如在異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)載較低時進(jìn)行微基站休眠。
[0006] 現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)采取被動服務(wù)方式，即基于用戶的即時信息服務(wù)即時業(yè)務(wù)請求。如 果網(wǎng)絡(luò)能夠預(yù)先感知用戶數(shù)據(jù)請求和接收數(shù)據(jù)的信道隨時間變化情況，那么網(wǎng)絡(luò)就能夠更 好地對用戶提供主動式服務(wù)。
[0007] 基于用戶接收信號強(qiáng)度和所處位置的相關(guān)性的射頻指紋（RadioMap)[2]顯示了不 同地點(diǎn)的歷史平均信號強(qiáng)度。這類信息可以通過運(yùn)營商的道路測試或者用戶設(shè)備端上傳得 到[3]。OpenSignalProject已然建立了很多地區(qū)的射頻指紋。
[0008] 用戶位置信息和運(yùn)動速度可以通過用戶設(shè)備上傳[3]或者如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (A-GNSS)的定位技術(shù)獲得。近期研究結(jié)果表明，人們前往特定地點(diǎn)通常具有特定路線，且預(yù) 測成功率可達(dá)93%。 [4]此外，公共交通工具（如地鐵等）的行動路線確定。結(jié)合射頻指 紋，就能夠預(yù)測在不同時刻接收端平均信噪比變化情況。
[0009] 與此同時，針對時延不敏感業(yè)務(wù)，利用上述信息設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)總時頻資源開銷，提 高系統(tǒng)總吞吐量，保證各用戶吞吐量的公平性和降低業(yè)務(wù)時延的傳輸方案的研究工作也 在展開 [5]。這些工作考慮的是大小尺度衰減信息均可以獲得的理想信道。不過目前在實(shí) 際系統(tǒng)中難以在大范圍內(nèi)預(yù)測信道的小尺度衰減，因而用戶在接收數(shù)據(jù)時無法避免中斷 (Outage)問題。傳輸方案應(yīng)將這段時間內(nèi)的中斷概率（OutageProbability)控制在一定 的范圍內(nèi)以保證良好的用戶體驗(yàn)。此外，這些工作中與系統(tǒng)能耗關(guān)系直接相關(guān)的為減少總 時頻資源開銷，但最小化總時頻資源開銷并不意味著系統(tǒng)的總能耗最低，因?yàn)楫?dāng)應(yīng)用場景 為用戶運(yùn)動跨越多小區(qū)時，采用基站休眠的策略可能會使時頻資源開銷增加，但是系統(tǒng)能 耗卻會降低。本發(fā)明提出的方法就是基于對接收端平均信噪比的預(yù)測來進(jìn)行基站發(fā)射功率 的分配，并且對發(fā)射功率較低的基站逐個進(jìn)行休眠以進(jìn)行能耗最低的傳輸。
[0010] 在多發(fā)射天線單接收天線（MIS0)系統(tǒng)中，考慮信道小尺度衰減時，用戶的可達(dá)數(shù) 據(jù)率可以近似為高斯分布，其均值和方差是關(guān)于發(fā)射功率的無窮積分[6]。為了降低傳輸方 案的復(fù)雜度，必須對均值和方差找到一個合理的近似使得涉及到中斷概率的約束可以表達(dá) 為關(guān)于基站發(fā)射功率的顯示形式。這樣的近似一方面需要使得設(shè)計(jì)出來的發(fā)射功率滿足中 斷概率的需求，另一方面需要使得設(shè)計(jì)出來的發(fā)射功率不過度增加。事實(shí)上，當(dāng)發(fā)射天線數(shù) 較大時，根據(jù)大數(shù)原理，可以得到數(shù)據(jù)率均值和方差關(guān)于發(fā)射功率的精度較高且形式較簡 潔的近似 [6]。但是由于當(dāng)下實(shí)際系統(tǒng)中天線數(shù)有限，無法直接應(yīng)用此近似。
[0011] [1]LiYe-Geoffery,XuZhi-kun，XiongCong,etal. , "Energy-Efficient WirelessCommunications:Tutorial,Survey,andOpenIssues.，'IEEEWireless CommunicationMagazine,,vol. 18,no. 6,pp. 28-35,Dec. 2011
[0012] [2]http://opensignal.com/，OpenSignalProject的主頁。2014 年 12 月 16 日 鏈接有效。
[0013] [3]J.Johanssonetal. ,^MinimizationofDriveTestsin3GPPRelease 11，，'IEEEWirelessCommunicationMagazine,vol. 50,no. 11,pp. 36 - 43,Nov. 2012.
[0014] [4]M.C.Gonzalez,C.A.Hidalgo,andA. -L.Barabasi,"Understanding IndividualHumanMobilityPatterns，"Nature，vol. 453,pp. 779 - 782, 2008.
[0015] [5]Abou-zeidHandHassaneinH.S."PredictiveGreenWireless Access:ExploitingMobilityandApplicationInformation.，'IEEEWireless CommunicationMagazine,vol. 20,no. 5,pp. 92-99,Oct. 2013.
[0016] [6]I.E.Telatar,"CapacityofMulti-AntennaGaussianChannels，，'Eur. Trans.Telecomm. ,vol. 10,no. 6,pp. 585 - 595,Nov. -Dec. 1999.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳 輸方法，保證單用戶在一段時間內(nèi)業(yè)務(wù)請求的中斷概率（OutageProbability)不影響用戶 體驗(yàn)的同時最大限度降低系統(tǒng)能耗（主要包括基站的發(fā)射能耗和電路能耗）。
[0018] 本發(fā)明的一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法，包括以下幾個步驟：
[0019] 步驟一：獲取各時隙的接收端等價平均信噪比；
[0020] 步驟二：獲取對各時隙用戶接收數(shù)據(jù)量的均值和方差，進(jìn)行近似的輔助變量1的 值；
[0021] 步驟三：采用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化算法求解優(yōu)化問題，可以采用次優(yōu)表達(dá)式輔助求解；
[0022] 步驟四：采用貪婪算法得到系統(tǒng)總能耗最低時的發(fā)射功率方案。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0024] (1)本發(fā)明的應(yīng)用場景廣泛，包括用戶在單蜂窩小區(qū)內(nèi)運(yùn)動，基站收集處理信息， 設(shè)計(jì)發(fā)射功耗的分配方案并按照方案傳輸數(shù)據(jù)，以及C-RAN架構(gòu)下用戶跨越多蜂窩小區(qū)運(yùn) 動，由中心處理器根據(jù)基站收集的用戶空間情境和業(yè)務(wù)請求信息進(jìn)行發(fā)射功率分配方案的 設(shè)計(jì)，并協(xié)調(diào)多小區(qū)傳輸數(shù)據(jù)；
[0025] (2)本發(fā)明提出的方法不需要預(yù)測各時隙信道的小尺度衰減信息，然而設(shè)計(jì)的功 率分配方案可以保證用戶在這段時間內(nèi)接收數(shù)據(jù)的中斷概率不影響用戶體驗(yàn)。適應(yīng)當(dāng)下無 法在大范圍內(nèi)預(yù)測信道小尺度衰減信息的實(shí)際情況；
[0026] (3)本發(fā)明提出的算法復(fù)雜度低，通過輔助變量將帶有復(fù)雜約束的原問題轉(zhuǎn)化為 了可以快速求解的凸優(yōu)化問題，并且提出了進(jìn)一步降低復(fù)雜度的可以覆蓋大部分用戶數(shù)據(jù) 請求的次優(yōu)閉式解；
[0027] (4)在保證用戶的QoS要求前提下，本發(fā)明提出的方法利用了用戶的空間情境信 息和基站休眠的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與現(xiàn)有傳輸方法相比大幅降低系統(tǒng)能耗，相對最優(yōu)傳 輸方案只有很小的能耗增加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例仿真場景；
[0030] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例傳輸方案；
[0031] 圖4是本發(fā)明的方法與業(yè)務(wù)平均到各時隙，基站盡可能采用最大發(fā)射功率傳輸以 及性能上界在一段時間內(nèi)的總能耗比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0033] 應(yīng)用場景既可以是用戶始終在單個蜂窩小區(qū)內(nèi)運(yùn)動，也可以是C-RAN架構(gòu)下，用 戶運(yùn)動跨越多個蜂窩小區(qū)。用戶的空間情境信息主要包括功率分配時的用戶初始位置，用 戶運(yùn)動速度等。利用這些信息可以預(yù)測在應(yīng)用此方法進(jìn)行發(fā)射功率分配的時段內(nèi)的不同時 刻用戶所處的位置，結(jié)合射頻指紋（RadioMap)，基站可以得到用戶在該時段內(nèi)接收端平均 信噪比隨時間的變化。在單個蜂窩小區(qū)內(nèi)，用戶空間情境信息和業(yè)務(wù)請求信息由基站收集， 基站分析處理這些信息后設(shè)計(jì)各時隙發(fā)射功率分配方案并按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 在C-RAN架構(gòu)下，當(dāng)用戶運(yùn)動跨越多個蜂窩小區(qū)時，由于數(shù)據(jù)的傳輸是由多個基站完成的， 因此上述信息必須由基站收集之后通過骨干網(wǎng)匯集在中心處理器，中心處理器分析處理這 些信息并設(shè)計(jì)各時隙內(nèi)應(yīng)該由哪個基站按照怎樣的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，之后，中心處 理器按照設(shè)計(jì)的方案指定相應(yīng)的基站在相應(yīng)的時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的中 心處理器可以是一個不同于基站的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與之連接的所有基站的信號處理任 務(wù)；也可以是某一個具有較強(qiáng)信號處理能力的基站，負(fù)責(zé)處理自身以及與之連接的其余所 有基站的信號處理任務(wù)。
[0034] 本發(fā)明的一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法，流程如圖1所示，包括 以下幾個步驟：
[0035]步驟一：基站收集用戶的空間情境信息和數(shù)據(jù)請求信息，中心處理器或基站設(shè)定 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倳r長T、時隙寬度At和總時隙個數(shù)W=r/Af;確定第n個時隙內(nèi)接收端的等 價平均信噪比An，《 =l,…，I，例如可以將選為第n個時隙所包含的多個時刻中接收 端的最小平均信噪比，其中平均信噪比是指平均信道增益與接收端噪聲方差的比值。對各 時隙的等價平均彳目噪比4，…，％由低到商進(jìn)行排序，記為^4 ,…，。定義N為基站可以進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倳r隙個數(shù)，其中為了減少能量消耗，基站可能會在某些時隙進(jìn)入休眠狀態(tài)， 因此及。初始化N為：=及。
[0036] 步驟二：給定N，計(jì)算輔助變量1，用于對各時隙用戶接收數(shù)據(jù)量的均值和方差進(jìn) 行近似，具體包括：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于用戶空間情境信息的低能耗傳輸方法，包括以下幾個步驟： 步驟一：基站收集用戶的空間情境信息和數(shù)據(jù)請求信息，中心處理器或基站設(shè)定數(shù)據(jù) 傳輸?shù)目倳r長T、時隙寬度At和總時隙個數(shù)力=77心；確定第n個時隙內(nèi)接收端的等價平 均信噪比入n，n=l,…,及，將入n選為第n個時隙所包含的多個時刻中接收端的最小平均 信噪比，其中平均信噪比是指平均信道增益與接收端噪聲方差的比值；對各時隙的等價平 均信噪比4，…，4由低到高進(jìn)行排序，記為I,；定義N為基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倳r 隙個數(shù)，JVS及，初始化N為：TV=及； 步驟二：給定N，計(jì)算輔助變量1，用于對各時隙用戶接收數(shù)據(jù)量的均值和方差進(jìn)行近 似，具體包括：
其中：S表示用戶的平均數(shù)據(jù)請求，B表示用戶占用的帶寬，erf(?)表示誤差函數(shù)； 5) 如果e<Stl,則令I(lǐng)max= 1;反之,令I(lǐng)min= 1,其中eC1表示用戶業(yè)務(wù)可容忍的最 大中斷概率值； 6) 重復(fù)步驟1)_5)，直至6,其中S是門限值； 步驟三：給定N和步驟二得到的1值，求解下述總發(fā)射功率最小化問題：
Pn^ 0,pns^Pmax,n= 1,2,3,---,N (2) 其中，p_為基站最大發(fā)射功率，hKV-V-hpcw表示小尺度衰減信道， P= [iV"iV--凡表示復(fù)數(shù)域，M表示實(shí)數(shù)域，PrO)表示概率值；約束⑴表示 數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛喔怕什怀^用戶業(yè)務(wù)要求的最大值，約束（2)表示基站的發(fā)射功率限制； 將上述優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為如下的標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化問題：
拉雙伽馬函數(shù)，^(_)為歐拉雙伽馬函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)，?)為誤差函數(shù)的反函數(shù)； 該問題采用如下次優(yōu)閉式解：
根據(jù)計(jì)算得到的功率分配結(jié)果P=匕…^^山計(jì)算系統(tǒng)的總能耗^㈨為疋^⑶ =At* (ap*I|P|IjIIpIIc^pc,active+(N-| |p| |。）?pc,sleep)，其中Ap為功率放大器系數(shù)， IIpII^p的I:范數(shù)，表示系統(tǒng)的總發(fā)射功率，IIpII〇是P的1 〇范數(shù)，表示基站開啟的總 時隙數(shù)，N-| |p|Itl表示基站休眠的總時隙數(shù)，？。，3。^和？。，31_分別表示基站開啟時和休眠 時的電路功耗； 步驟四：采用貪婪算法找到使系統(tǒng)總能耗最低的傳輸時隙數(shù)N，具體方法如下： 迭代更新N=N-I，并執(zhí)行步驟二和步驟三，更新功率分配結(jié)果P，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的總能 耗Ettrt (N);當(dāng)max (P)> 口_時,迭代停止,并定義Nmin=N+1; 找到圪〇^，一，4(U的最小值，其對應(yīng)的N即為最優(yōu)的傳輸時隙數(shù)，相應(yīng)的功率分 配結(jié)果即為使系統(tǒng)總能耗最低的功率分配方案。
【文檔編號】H04W52/24GK104507151SQ201410842350
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】胡宇洲, 韓圣千, 楊晨陽 申請人:北京航空航天大學(xué)