高能效无线网络基站控制理论研究

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随着信息与通信技术(ICT,Information and Communication Technology)的飞速发展,无线网络在满足用户业务量爆炸式增长的同时,其消耗的能量也在急速增长。过高的基站能耗开销不仅对生态环境带来负面影响,也带来了运营成本的提高。基站能源消耗受制于网络中基站部署和控制的灵活性。近年来绿色节能通信技术得到了广泛而深入的研究,高能效基站控制技术作为提高网络能量效率的重要手段,已成为无线通信技术研究的重点。本论文针对新一代无线移动通信网络新需求,从服务适配需求的角度出发,探索解决未来无线网络中网络低时延高速率需求、网络能耗、网络调度效率间的协调关系。通过对已有基站资源模型的利用和改善,寻求业务需求与基站服务间的高效匹配,提出一套基于服务适配、协同休眠、通信-计算融合的高能效基站控制机制理论和方法,为现有实际网络和未来无线网络中的高能效技术提供技术手段和理论支撑。论文的主要研究内容和创新点总结如下:1.面向业务时间波动性的基站高能效匹配机制研究针对用户状态与基站状态失配造成的单基站能耗问题,研究单小区场景下基站状态配置策略。本文首先对现网基站的流量数据进行采集分析,然后考虑基站配置非实时性对性能的影响,提出了一种基于延迟决策的基站延迟休眠策略,以适配业务需求的多样性。理论推导所提策略的性能表现随决策延迟的变化关系,得到不同业务时延需求下的最优休眠阈值与基站控制参数。仿真结果表明所提延迟休眠方案相比传统的功率控制方案更适配业务时间波动性场景。2.面向业务空间波动性的异构协同休眠策略研究针对超密集异构网络架构及用户高移动性造成的单位面积能耗问题,本文首先提出了一种双级基站休眠及弹性覆盖的网络架构,理论推导出所提策略的基站休眠率和网络能效的表达式,并得到最优的双级休眠控制阈值及在不同业务需求下的双级休眠能效上界。在此基础上,考虑用户的聚集特性及运动特性,提出了一种基于马尔克夫决策过程的基站休眠控制算法,分析了用户聚集性及运动性对网络能效的影响。在保证用户满意度的前提下最优化网络能效。仿真结果表明所提的双尺度休眠方案相比传统单尺度方案能更有效利用不同尺度的休眠增益,提升网络能效。3.面向通信计算融合的资源配置联合优化研究随着5G网络发展,功能丰富的移动应用层不断涌现,通常这些应用包含十分复杂的运算过程。通过协作计算卸载,将移动设备所包含的复杂运算迁移到移动边缘网络来完成这些运算,可极大地提高应用程序运行效率,提升用户体验质量。本研究在双层异构网络场景下,针对通信业务与计算业务是否解耦,设计了两种不同的业务卸载策略。仿真结果表明,当噪声功率相对较大,基站间干扰较小,网络负载较低时,基于计算-通信解耦的业务卸载策略能效更高;而当噪声功率相对较小,基站间干扰较大,网络负载较高时,更适合采用非解耦的业务卸载策略。
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