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《移動(dòng)通信雜志》2014年第z1期

1基站自?xún)?yōu)化系統(tǒng)模型研究

1.1博弈理論博弈論又稱(chēng)為對(duì)策論，包括參與者（player）、策略（strategies）、收益（payoff）等要素，目標(biāo)是找到各參與者間最優(yōu)的策略選擇以及選擇策略時(shí)的博弈結(jié)果、分析這些結(jié)果的數(shù)學(xué)理論和方法。本文采用了協(xié)作博弈的思想，博弈的要素包括：博弈參與者是各小區(qū)，策略是子信道上的發(fā)射功率集合，收益是吞吐量。首先引用了凈函數(shù)的概念，凈函數(shù)包括效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)。其中，效用函數(shù)代表一個(gè)小區(qū)的容量，代價(jià)函數(shù)代表需要基站付出的“代價(jià)”。然后模擬最大化多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的總?cè)萘?，最?yōu)化基站能耗的博弈過(guò)程。在該博弈過(guò)程中，每個(gè)小區(qū)的基站獨(dú)立控制本小區(qū)的子信道分配，獨(dú)立地進(jìn)行功率分配，從而最大化本小區(qū)的容量。

1.2效用函數(shù)效用函數(shù)是一個(gè)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念，用來(lái)表示消費(fèi)者所獲得的收益與消費(fèi)的商品之間數(shù)量關(guān)系。效用函數(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信的功率控制問(wèn)題中，通常選取用戶(hù)的信干比γ和發(fā)射功率P作為參數(shù)。當(dāng)發(fā)射功率P固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是信干比γ的單調(diào)增函數(shù)；當(dāng)信干比γ固定時(shí)，效用函數(shù)Ui是發(fā)射功率P的單調(diào)減函數(shù)；當(dāng)發(fā)射功率趨于無(wú)窮大時(shí)，效用函數(shù)值為零；當(dāng)發(fā)射功率趨于零時(shí)，效用函數(shù)值為零。因此，能耗博弈的效用函數(shù)表達(dá)式如。

1.3代價(jià)函數(shù)小區(qū)簇內(nèi)每個(gè)小區(qū)都試圖最大化自己的效用函數(shù)，從而會(huì)對(duì)小區(qū)簇內(nèi)其他小區(qū)造成影響，因此在博弈過(guò)程中引入了代價(jià)函數(shù)。代價(jià)函數(shù)是指博弈過(guò)程中每個(gè)小區(qū)在提高自身發(fā)射功率的同時(shí)，需要付出相應(yīng)的“代價(jià)”。引入代價(jià)函數(shù)可對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行限制，以達(dá)到降低系統(tǒng)干擾、增加系統(tǒng)整體收益的目的。代價(jià)函數(shù)定義如下。

1.4能耗博弈算法（1）初始化小區(qū)簇內(nèi)各小區(qū)各子信道的發(fā)射功率，即把各小區(qū)的發(fā)射功率平均發(fā)給各個(gè)子信道，此時(shí)的子信道發(fā)射功率為P(0)。定義一個(gè)計(jì)算精度t，設(shè)置為0.1，設(shè)置一個(gè)更新次數(shù)n。（2）各個(gè)小區(qū)的子信道更新自身的發(fā)射功率。對(duì)于第n次功率更新的功率為P(n)，第(n-1)次更新為（3）當(dāng)|P(n)-P(n-1)|<t，即功率收斂，找出U(n)中最大的凈函數(shù)Umax(n)，認(rèn)為此時(shí)的功率為最優(yōu)功率，否則返回步驟（2）繼續(xù)執(zhí)行。（4）累加每個(gè)小區(qū)各信道的發(fā)射功率，得出每個(gè)小區(qū)的發(fā)射功率。算法流程圖如圖1所示。

2節(jié)能模塊實(shí)現(xiàn)方案

基于上文提出的lte網(wǎng)絡(luò)基站自優(yōu)化的節(jié)能方法，可在基站增加節(jié)能模塊裝置，實(shí)現(xiàn)基站的自?xún)?yōu)化節(jié)能。節(jié)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(shí)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(guò)定時(shí)器在設(shè)置時(shí)間周期內(nèi)對(duì)網(wǎng)管下達(dá)指令，要求發(fā)送本小區(qū)和小區(qū)簇內(nèi)鄰小區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)包。（2）信息采集模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)包采集本小區(qū)和相鄰小區(qū)的發(fā)射功率以及路徑損耗等數(shù)據(jù)信息。（3）SNR處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算小區(qū)的信干比。（4）功率處理模塊根據(jù)信干比、數(shù)據(jù)信息等數(shù)據(jù)代入凈函數(shù)，循環(huán)進(jìn)行能耗博弈運(yùn)算，最終得到函數(shù)收斂時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，并根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整該基站小區(qū)的發(fā)射功率。

3實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試

針對(duì)基于博弈論的LTE基站自?xún)?yōu)化節(jié)能方法，筆者在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了詳細(xì)的測(cè)試研究工作，主要驗(yàn)證技術(shù)可行性及節(jié)能效果。本文采用的仿真模型：系統(tǒng)帶寬為10MHz，子載波帶寬為15kHz，則子載波數(shù)為600個(gè)，假設(shè)每25個(gè)子載波組成1個(gè)子信道，則系統(tǒng)共有24個(gè)子信道，小區(qū)簇內(nèi)每基站3小區(qū)，每小區(qū)均勻分布5個(gè)用戶(hù)。仿真參數(shù)具體如表1所示。圖3為系統(tǒng)模型在不同定價(jià)因子下獲得的系統(tǒng)總吞吐量仿真結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，則代價(jià)函數(shù)為0，此時(shí)系統(tǒng)的凈函數(shù)即為效用函數(shù)，系統(tǒng)的吞吐量為滿(mǎn)功率發(fā)射時(shí)的吞吐量；定價(jià)因子越小，系統(tǒng)干擾就越大，系統(tǒng)吞吐量也越低；反之亦然。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)，該算法與傳統(tǒng)的系統(tǒng)最大功率發(fā)射相比，系統(tǒng)總體容量可提高1.23%。在不同定價(jià)因子的情況下，系統(tǒng)的能耗也有差別。圖4為在不同定價(jià)因子下的小區(qū)平均功率仿真結(jié)果。當(dāng)定價(jià)因子取值較小時(shí)，系統(tǒng)收斂到一個(gè)較大的功率值；當(dāng)定價(jià)因子取值較大時(shí)，則功率較??；當(dāng)定價(jià)因子為0時(shí)，小區(qū)平均功率最大。綜合以上結(jié)果可得到最佳的定價(jià)因子，使得系統(tǒng)的吞吐量和發(fā)射功率達(dá)到博弈的最優(yōu)配置。從以上仿真可知，在最高功耗與最優(yōu)功耗對(duì)比中，最優(yōu)功耗的功率比最高功耗低30%，系統(tǒng)吞吐量提升1.23%，該方法能在降低功耗的同時(shí)保證系統(tǒng)的吞吐量，具體如圖5和圖6所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文利用LTE網(wǎng)絡(luò)的CoMP技術(shù)，提出了基于博弈論的自?xún)?yōu)化節(jié)能方案優(yōu)化LTE系統(tǒng)的能耗，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和基站能耗達(dá)到最優(yōu)配置，為運(yùn)營(yíng)商的節(jié)能減排工作提供了參考。

作者：李韶英莊湛海倪偉彬單位：中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院廣州因孚網(wǎng)絡(luò)科技有限公司