摘  要： 宏蜂窩和小蜂窩混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)必然將會(huì)成為一種滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)業(yè)務(wù)量需求的手段。然而，大規(guī)模部署小蜂窩接入點(diǎn)（SAPs）也會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的能量消耗的增長(zhǎng)，隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和能源價(jià)格的提高，為宏蜂窩和小蜂窩設(shè)計(jì)高能效的無(wú)線系統(tǒng)至關(guān)重要。本文研究了認(rèn)知SAPs的一種分布式睡眠模式策略，利用隨機(jī)幾何工具，得出SAP的用戶(hù)發(fā)現(xiàn)性能，并得到位于一個(gè)宏蜂窩基站Voronoi小區(qū)中的小蜂窩的上行鏈路容量以及系統(tǒng)總的網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

　　關(guān)鍵詞： 小蜂窩；認(rèn)知無(wú)線；綠色通信；能量效率

0 引言

　　過(guò)去幾年里移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，能量消耗也有了相當(dāng)大的增長(zhǎng)。在日益增強(qiáng)的環(huán)境意識(shí)和日漸增長(zhǎng)的移動(dòng)基站（Mobile Base Stations，MBSs）電力消耗的驅(qū)動(dòng)下，綠色無(wú)線通信已經(jīng)成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

　　傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)精心部署MBSs，但室內(nèi)和小區(qū)邊緣的用戶(hù)總會(huì)遭受信號(hào)質(zhì)量差的困擾。而且，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量爆炸式涌現(xiàn)，更促進(jìn)了對(duì)新的蜂窩結(jié)構(gòu)的探索，以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)量的需求。LTE-A及以后的標(biāo)準(zhǔn)提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Networks，HetNet′s），其結(jié)構(gòu)是在一個(gè)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)上覆蓋若干小蜂窩。宏層保證覆蓋范圍；而上面覆蓋的那層網(wǎng)絡(luò)是一種宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)分流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的手段，用于滿(mǎn)足本地容量需求。這個(gè)兩層結(jié)構(gòu)中的小蜂窩可以是微蜂窩、微微蜂窩、或者毫微微蜂窩，這些不同類(lèi)型的小蜂窩之間的區(qū)別在于小區(qū)的尺寸以及自構(gòu)造和自?xún)?yōu)化的能力。小蜂窩能夠擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，而小區(qū)尺寸的減小能夠帶來(lái)更高的空間頻率復(fù)用和更大的網(wǎng)絡(luò)容量。

　　雖然前面關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的介紹能夠解決容量需求問(wèn)題[1]，但是安裝這些增加的基站后，總的能量消耗卻大大增加了。鑒于高業(yè)務(wù)量需求在空間、時(shí)間和頻率上的波動(dòng)，睡眠模式技術(shù)是克服能量消耗問(wèn)題的非常有前景的策略[2]。參考文獻(xiàn)[3]介紹了不同的SAPs睡眠模式策略，使得喚醒機(jī)制能夠由SAP、核心網(wǎng)或用戶(hù)設(shè)備（User Equipment，UE）驅(qū)動(dòng)。對(duì)于WiFi接入點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[4]研究了UE驅(qū)動(dòng)方式，但是反向波束成形增加了硬件復(fù)雜性且假設(shè)其已知信號(hào)結(jié)構(gòu)。分布式睡眠模式策略不涉及UE復(fù)雜性的增加，也不需要知道用戶(hù)定位信息或相關(guān)信令[5]。

1 系統(tǒng)模型

　　1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

　　考慮一個(gè)在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)上覆蓋若干小蜂窩的蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，第一層MBSs的分布為密度為λm的齊次泊松點(diǎn)過(guò)程（Poisson Point Process，PPP）Θ，上層覆蓋的網(wǎng)絡(luò)中SAPs的分布是密度為λs的PPPΦ[6]。參考文獻(xiàn)[7]指出，宏蜂窩集合的分布服從關(guān)于Φ的Poisson-Voronoi棋盤(pán)形鋪嵌R2。移動(dòng)用戶(hù)分散在密度為λu的PPPΨ分布的R2上。Θ、Φ和Ψ是獨(dú)立的點(diǎn)過(guò)程。ζ為檢測(cè)門(mén)限。當(dāng)一個(gè)SAP不向一個(gè)用戶(hù)呼叫提供服務(wù)時(shí)，它進(jìn)入睡眠模式并且周期性地感知宏蜂窩上行鏈路以檢測(cè)用戶(hù)活躍性。認(rèn)為干擾節(jié)點(diǎn)在整個(gè)平面上的空間分布是密度為λ的齊次PPPΩ。對(duì)于一個(gè)齊次PPP，k個(gè)節(jié)點(diǎn)落在區(qū)域R內(nèi)的概率表達(dá)式為：

　　其中，AR為區(qū)域R的面積。

　　一個(gè)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)上疊加多個(gè)小蜂窩組成的空間模型如圖1所示。

　　1.2 活動(dòng)模型

　　用時(shí)隙模型描述UEs和SAPs的活動(dòng)，如圖2所示。假設(shè)一個(gè)固定時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)為T(mén)，SAP感知信道的感知時(shí)間為τs，檢測(cè)到一個(gè)活躍的移動(dòng)用戶(hù)時(shí)SAP的活躍模式持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為T(mén)-τs。在一個(gè)給定時(shí)隙內(nèi)，SAP、UE和若干節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)可以被建模為相互獨(dú)立的成功概率分別為ps、pu和pI的伯努利過(guò)程[8]。

2 SAPs能量消耗模型

　　影響認(rèn)知SAPs能量消耗的三個(gè)主要方面為：鏈路同步相關(guān)的功率Vc、感知功率Vs、以及活動(dòng)模式期間的處理功率Vt。鏈路同步在整個(gè)時(shí)隙內(nèi)都在進(jìn)行，UE信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)二進(jìn)制假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)UE信號(hào)時(shí)（假設(shè)為H1），在感知到上行鏈路信道并正確地檢測(cè)到用戶(hù)活動(dòng)后，SAP開(kāi)始導(dǎo)頻傳送。當(dāng)沒(méi)有UE信號(hào)時(shí)（假設(shè)為H0），在錯(cuò)誤地檢測(cè)到有一個(gè)用戶(hù)出現(xiàn)之后，SAP開(kāi)始導(dǎo)頻傳送。在典型SAP的覆蓋范圍內(nèi)至少存在一個(gè)活躍UE的概率為pUE=1-exp（-puλuπR2）。一個(gè)小區(qū)的SAP能量消耗可以被建模為：

　　其中Pd和Pfa分別是用戶(hù)活動(dòng)檢測(cè)概率和誤告警的概率。

3 數(shù)值結(jié)果及分析

　　圖3描述了在一個(gè)SAP覆蓋范圍內(nèi)一個(gè)典型用戶(hù)的成功概率。該圖說(shuō)明，干擾者按PPP分布時(shí)，隨著干擾節(jié)點(diǎn)密度的增加，成功概率大幅度降低。圖4展示了PdC（經(jīng)檢測(cè)概率修正后，該SAP覆蓋范圍內(nèi)一個(gè)典型用戶(hù)的上行鏈路容量）作為干擾者密度的函數(shù)。該圖闡明了通過(guò)改變?chǔ)?，檢測(cè)性能提高和平均信道容量降低的聯(lián)合作用。

　　圖5描繪了固定目標(biāo)Pd和固定門(mén)限這兩種情況下分別對(duì)應(yīng)的總的能量消耗?？梢?jiàn)，在所有場(chǎng)景下能量消耗隨干擾節(jié)點(diǎn)密度的增加而增加，這是因?yàn)槟芰肯呐cPd和Pfa成線性正比。在固定門(mén)限的場(chǎng)景下，隨著干擾者密度的增加需要向ED提供更多的能量，從而Pd和Pfa也會(huì)提高，如果提高了門(mén)限，Pfa和能量消耗的增加會(huì)減緩。這說(shuō)明對(duì)干擾環(huán)境的掌握有助于提高小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

　　圖6展示了SAP覆蓋范圍和干擾節(jié)點(diǎn)密度對(duì)能量消耗的影響。當(dāng)R從15 m變化到50 m時(shí)，能量消耗增加了將近50%。對(duì)于所有覆蓋范圍內(nèi)的值，感知時(shí)間固定在N=15采樣，且Pd=Pd*=0.9。為了滿(mǎn)足對(duì)Pd的約束，覆蓋范圍較大時(shí)降低檢測(cè)門(mén)限，因此Pfa也隨之降低。這在總的能量消耗中有所體現(xiàn)?？梢缘贸鱿铝薪Y(jié)論：由于用戶(hù)檢測(cè)性能與覆蓋范圍之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，改變SAP的覆蓋范圍會(huì)顯著影響能量消耗。

4 結(jié)論

　　本文提出了一種分析架構(gòu)，可以分析出部署在一個(gè)MBS Voronoi小區(qū)內(nèi)采用認(rèn)知SAPs時(shí)系統(tǒng)的能量消耗。該模型考慮了信道衰落、總的網(wǎng)絡(luò)干擾、群發(fā)性活動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及負(fù)載量，允許量化關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的影響，例如干擾者密度以及SAP覆蓋范圍對(duì)檢測(cè)性能以及對(duì)總的能量消耗的影響。數(shù)值結(jié)果證明，對(duì)干擾環(huán)境的了解可以使得SAP能量消耗大幅減小。本研究未來(lái)可能的擴(kuò)展方向：多層級(jí)的聯(lián)合能量消耗，對(duì)用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的約束，以及分布式睡眠模式方案與其他策略的比較等。

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