LTE网络中下行链路能效分析.doc

LTE网络中下行链路能效分析刘文晶节能减排已经成为移动运营过程中的重点研究方向，如何能够达到更多的能耗降低一直是一个热点话题。针对能效优化问题建立了一种简单的下行链路能耗 模型，并进一步分析了传送功率以及传送带宽对能效优化的影响。仿真结果表明 适当的增加传送带宽以及合适的传送功率分配，可以提高系统的整体能效优化。关键词： LTE 能效 传送功耗 刘文晶重庆邮电大学无线信息网络研究中心，硕士研究生，主要研究方向为LTE节 能技术。引言部署策略，频谱规划策略，自适应负载的动态的关闭小区、信令策略，自适应编码调制技术以及相应的带宽与功 率权衡，传输时间与传送功耗的权衡研究等2。文献3提 出了一种能量和传输延迟权衡机制，通过延长数据分组的 传输时间来换取能耗的节约。实际上，香农理论已经表明 用一个相对较长的时间传输数据分组来换取能量的节约是 可行的。然而，传统的基于能效优化问题的研究忽略了环 路功耗因素的影响，如果单一延长传输数据分组的时间， 传送功耗是会在一定程度上有所降低的，但同时环路功率 也是随着传输数据分组时间的延长而增加的，因此一味的 延长数据传输时间是不可行的。同时，传统的能效优化研 究忽略了环路功耗的影响，这将导致最终的系统理论性能 优化与实际系统的能效优化不匹配。针对上述问题，本文建立了一个简单的LTE下行链路 能耗模型。通过将LTE下行链路可能涉及到的各种能耗考 虑进来，对系统下行链路能效（EE，EnergyEfficiency）优化问题进行深入的研究，并进一步分析与EE有关的各LTE（Long Term Evolution）是近几年来3GPP启动的新技术研发项目，它以新架构、OFDM、MIMO等核心 技术为主要标志。然而，随着移动通信系统的快速发展， 网络建设规模不断扩大，整个通信行业的年耗电量急剧上 升，这不仅给运营商带来了较大的运营成本负担，也给环 境带来了污染。因此，实现绿色通信，采用高效的绿色无 线网络节能算法，对于通信行业来说是一项必不可少的工 作，特别是在下一代移动通信系统中尤为重要。为了顺应 “绿色通信”这个当今社会的主流研究理念，如何才能达 到更多的能耗降低，移动运营成本的减少以及环境污染的 降低，都是移动运营过程中值得思考的问题。因此，节能 技术研究有必要应用到通信的各个领域当中去。统计表明，基站是移动运营过程中最主要的能耗来 源1，现阶段LTE节能技术的研究主要集中在基站端。因 此，致力于基站节能问题的研究显得尤为重要。目前的LTE系统节能机制研究多集中在基站冷却技术，节能拓扑通 信 热 点40摘要传送功耗， pcir 代表环路功耗（基带信令处理、模拟射频放大等功耗）。此处，传送功耗以及环路功耗与相应的传 送带宽是成比例关系的。当传送带宽增加时，相应的处理 功耗也将增加。 psta 代表与传送功耗没有直接关系的静态功耗（AC/DC转换器，基站冷却装置等功耗）种影响因子。1系统模型系统模型如图1所示，考虑一个单基站多用户的网络场景，系统模型主要基于LTE/3GPP下行链路标准，所有 的用户终端随机的分布在基站覆盖范围内。在下行发送过 程中，基站可以获得本小区用户在每个子信道上的瞬时 链路增益，且各基站控制本小区内的资源块RB分配和发 送功率分配，不考虑用户间干扰。设系统内用户数为U， U=UE1,UEu, UEU代表小区内用户数集合。2EE相关分析有关能效优化问题的研究是一个在过去一段时间内被忽视了的重要问题，直到近几年才得到了人们的广泛关 注。由于“绿色通信”广泛应用，终端节能技术，节能传 输以及相应的基站冷却节能技术都变得越来越重要。因此 大量的研究都集中在如何进一步的降低传送功耗、环路 功耗以及静态功耗上面，这三大功耗的优化处理一直是 节能研究的重点。由于传统的能效分析忽略了环路功耗 以及静态功耗的影响，因此相应的优化结果与实际网络 中的能效优化结果可能不匹配，所以本文EE定义为成功 传输的比特数与下行链路总功耗的比值，此处不考虑接收 端功耗。因此，基站用于服务用户k的相关能效可表示为：图1 系统模型1.1 信道模型考虑AWGN信道模型，基站到用户u的信道模型可表 示为4：) = bW (1 pe )EE (h , p（3）kktrPtotyu = hu xu + nu其中 b = log2 M 代表每符号传送的比特数，M代表调制等级， pe 代表误符号率。（1）其中， yu 代表用户u接收到的信号， hu 代表基站到用户u的信道条件， xu 为基站端发送的传送信号，相应的传送功率可表示为 p = x x* ， nu 代表随机噪声，tru u噪声方差为 N0 。1.2 功耗模型在一个实际通信系统中，下行链路的功耗组成是十 分复杂的。为了更真实地模拟现实网络系统，我们将下行 链路最主要的相关功耗均考虑进来。在所建模型中，下行 链路的总功耗可表示为：Ptot = W ( ptr + pcir ) + psta（2）其中，W代表总的传送带宽， ptr 代表单位带宽上的图2 传统模式下EE VS.传送功耗2012.06.广东通信技术通 信 热 点41LTE网络中下行链路能效分析bW (1 (1 ) exp(k tr )k k trW ( p + p ) + pktr )b(1 (1 ) exp(+ pstap+ p限；（b）相应的带宽增加会来带来环路功耗的增加。在本文所建模型中，分析了M-QAM条件下，传送带宽与能效的关系。仿真中相关数值参考文献5，ptr=5w/2MHz，pcir =1w/MHz，psta=20w， | hk | / N0 =5dB。具体eM 1 N0M其中， av / N0代表平均符号信噪比， av =| hk |ptr 。由于 Q( x) exp() ，因此，式（5）可简化为：e2(M 1) N0MM2(M 1) N0（7）图4 传送带宽与能效的关系EE (h , p ) PtotEE (h , p )avktrk k tr= 0 对（8）式求一寻找最优能效值，利用通 信 热 点13| h |2 pEE (h , p ) M 2(M 1) N0trcirsta13| h |2 p= M 2(M 1) N0 trcirW（8） 从能效的观点出发，增加分配给每个用户的带宽，在一定程度上可以降低基站端的传送功率。因此，在低负 载条件下使用带宽扩展方法可以在一定程度上降低基站端 的传送功耗，但是分配给每个用户的带宽不可能无限制的增加。这是因为一下两个因素的影响：（a）频谱资源有图3 考虑环路功耗EE VS. 传送功耗传统模式下传送功耗与能效之间的关系如图2所示， 随着传送功耗的增加，系统的总能效成降低趋势，然而，3仿真结果 考虑环路功耗以及静态功耗进来之后，所得到的传送功耗 与能效之间的关系如图3所示，能效与传送功耗之间的关 系由传统的凹函数转变为了凸函数，因此本文将重点研 究，将环路功耗以及静态功耗考虑进来以后，在LTE系统M-QAM调制模式下，传送功耗以及传送带宽对能效的影分析如图4所示，通过理论数值分析可以看出，通过增加响。带宽，可以在一定程度上进一步提高能效。因此，在现实由文献4可知，对于接收用户u,在给定的信道条件下的网络系统中适当的增加传送带宽不但可以增加系统吞吐 使用M-QAM调制可以达到的误符号率可表示为：量还可以进一步提高无线网络传输的能效。p = 2(1 1 )Q( 3 av ) （5）21 x22 2p (1 1 ) exp(3 av ) （6） 将(6)式带入(3)式可得：bW (1 (1 1 ) exp(3av )k k tr为了进一步考察传送能耗与能效优化之间的关系，其中， =| h |2 p ，（7）式可进一步化简为：ptr通信热点42阶偏导，寻找能效最大处的相应传送功耗值。得到如下关系式：4结论本文建立了简单的LTE系统下行链路能耗模型，将影响系统能效优化的环路功耗以及静态功耗考虑进来，并进一步 对能效优化与传送功耗以及传送带宽，调制方式之间的关系 做了简单的分析，仿真结果表明适当的增加传送带宽以及 合适的传送功率分配，可以提高系统的整体能效优化。参考文献3| h |2 p3| h |2 p1p(1 ) exp(ktr )1 ktr( p + p + sta ) = 1trcirM2(M 1) N0 2(M 1) N0W因此，优化传送功率值应当满足上述等式。最终的能效优化值选择通过相关的数值计算可以得出，图5所示 为传送率与能效优化关系图。图5中，M=4，系统总带宽为5MHz， | h |2 / N=7dB。1Congzheng Han, Tim Harrold, and Simon Armour. GreenRadio: Radio Techniques to Enable Energy-efficientWireless NetworksJ. IEEE Commun. Mag., 2011, 49(6):4654.Tao Chen, Yang Yang, Honggang Zhang, et al. Network Energy Saving Technologies for Green Wireless Access NetworksJ. IEEE Wireless Communications Magazine,2011, 18(5): 30-38.C. Schurgers and O. Aberthorue and M. B. Srivastava. Modulation Scaling for Energy Aware Communication SystemsC. ISLPED 2001. California: IEEE Press, 2001:96-99.McGraw-Hill. 数字通信M. 第四版. 电子工业出版社，2003. Yi Huang, Jie Xu, and Ling Qiu. An Energy Efficient Semi- static Power Control and Link Adaptation Scheme in UMTS HSDPAJ. Accepted in EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2012.（收稿日期：2012-05-19）k02345图5 不同psta,pcir条件下ptr与EE关系（上接第22页）根 据 农 村 用 户 的 特 点 分 析 ， 现 阶 段采用FTTV+WLAN方式能够满足农户上网 需求，并且在建设难度和投资上也具有一 定优势。但长远来看，为了满足用