朱禹濤 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室博士研究生

張?zhí)炜?北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室副教授

曾志民 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室教授

基于基站休眠的蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究

朱禹濤 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室博士研究生

張?zhí)炜?北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室副教授

曾志民 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合重點實驗室教授

指數(shù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與高速移動的接入需求使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需求急劇擴大，由此也增加了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與運營成本。移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特點決定了移動業(yè)務(wù)的動態(tài)變化，用戶移動性與作息規(guī)律使得業(yè)務(wù)負(fù)載具有明顯的空時變化特性。根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載空時變化，可將低業(yè)務(wù)負(fù)載小區(qū)的基站調(diào)整為休眠（關(guān)閉）狀態(tài)減小能耗，以此為基礎(chǔ)的節(jié)能技術(shù)具有實際應(yīng)用前景。本文首先對蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量消耗現(xiàn)狀進(jìn)行分析，說明蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)與能效優(yōu)化的重要性；然后，針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)的能效優(yōu)化相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述；最后，對基站休眠技術(shù)及其能效優(yōu)化研究進(jìn)行了總結(jié)與分析。

綠色網(wǎng)絡(luò) 基站休眠 能量效率 節(jié)能

1 引言

移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與智能終端的發(fā)展促進(jìn)了無線寬帶需求的增長。然而，指數(shù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與高速移動接入需求使得無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需求急劇擴大，由此也增加了無線網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與運營成本。提高空中接口部分能量效率、減小基站能量開銷成為綠色無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵研究內(nèi)容。為了能夠提高移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量效率，需要設(shè)計高能效的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與協(xié)議，采用高能效網(wǎng)絡(luò)管理與資源管理技術(shù)，以及高能效信號處理技術(shù)等。

移動網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點決定了移動網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，用戶移動性與作息規(guī)律使得網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載具有空時變化特性。在實際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)通信資源的部署依據(jù)峰值業(yè)務(wù)需求而定，考慮到基站是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中耗能較大的組件，可將低負(fù)載小區(qū)的基站調(diào)整為休眠（關(guān)閉）狀態(tài)減小能耗，同時通過增加相鄰小區(qū)基站的發(fā)送功率或者通過基站間協(xié)作、部署中繼節(jié)點、調(diào)整天線角度技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與用戶服務(wù)質(zhì)量（QualtiyofService，QoS），以此為基礎(chǔ)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理是具有應(yīng)用前景的能效優(yōu)化技術(shù)之一。

本文主要包括3個部分，首先對蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量消耗現(xiàn)狀進(jìn)行分析，說明蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)與能效優(yōu)化的重要性；然后針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，包括基站休眠技術(shù)的可行性、基站休眠技術(shù)不同蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下的研究現(xiàn)狀；最后對基站休眠技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與分析。

2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量消耗現(xiàn)狀

智能手機與平板電腦的發(fā)展顯著增加了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。3G和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，智能手機和平板電腦使用戶能夠在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用更多的應(yīng)用，例如流視頻下載、電子書閱讀和社交網(wǎng)絡(luò)等。其結(jié)果是，移動用戶的數(shù)目由2012年的45億預(yù)計將增長至2020年的76億，每一個用戶每年使用的數(shù)據(jù)流量由2012年的10GB預(yù)計將增長至2020年的82GB。此外，更多的突發(fā)性和動態(tài)移動數(shù)據(jù)及視頻流量已經(jīng)取代了移動語音成為移動終端的主要負(fù)載。這些因素導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量消耗顯著增加，為了提供相同覆蓋，LTE網(wǎng)絡(luò)相比于2G網(wǎng)絡(luò)需要消耗約60倍的能量。

數(shù)據(jù)中心和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要更多的基站以支持移動業(yè)務(wù)流量的增長。在一個典型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站能量消耗占總能量消耗的一半以上，增加基站的數(shù)量顯著影響能耗。相應(yīng)數(shù)據(jù)表明，全世界基站的數(shù)目從2007—2012年大約增加了一倍，而今天基站的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到400多萬個。

相對于宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，小型蜂窩（SmallCell）可以減少能耗。小型化基站可以部署在人口稠密地區(qū)或已有宏蜂窩小區(qū)邊緣，改善頻譜效率和能源利用率。然而，由于大量部署小型化基站，到2020年將消耗約4.4億千瓦時電，構(gòu)成了傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)額外5%的能量消耗。

3 基站休眠技術(shù)相關(guān)研究

3.1 基站休眠技術(shù)可行性分析

基站休眠的基本思想是一些非高峰負(fù)載情況下有選擇地打開關(guān)閉基站一段時間。這類方法通常通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，然后決定是否將某些網(wǎng)絡(luò)單元關(guān)閉（或切換到休眠模式，在一些文獻(xiàn)也稱為低功率模式或空閑模式），或打開（或切換到主動模式，準(zhǔn)備模式或激活模式）。采用這種休眠的機制能夠避免低負(fù)載基站的不必要能量消耗。這類方法中，涉及開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)某些元素不限于功率放大器，還包括信號處理單元、冷卻設(shè)備、整個基站或整個網(wǎng)絡(luò)，這些都可以來回切換休眠模式和激活模式。多數(shù)情況下，休眠技術(shù)旨在“非高峰期”時間通過選擇性地關(guān)閉基站以節(jié)約能源。圖1給出了運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗組成與占比，可以看出基站的能量消耗占比最高。

圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗組成與占比

首先分析一下基站的能量消耗結(jié)構(gòu)。在一個典型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有3個關(guān)鍵組件：

●用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備。

●語音和數(shù)據(jù)的交換子系統(tǒng)。

●基站。

如前所述，基站的能耗占移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的比例最大。

如圖1所示，由于基站是最主要的能耗部分，所以是基站休眠技術(shù)的主要目標(biāo)?；镜目偣陌ü潭ǖ南暮拓?fù)載相關(guān)的部分消耗。圖2為典型宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的功耗。如圖2所示，固定能耗部分包括空調(diào)和電源，占總能耗的1/4左右，這部分能耗在沒有業(yè)務(wù)的情況直接浪費了。從圖2中可以看出功率放大器消耗的功率占了大部分，這是由于在高路徑損耗的情況下需要足夠的功率來傳輸。而在實際當(dāng)中功放的效率并不高，其在滿負(fù)載的情況下也只有50%左右，而在中負(fù)載或低負(fù)載的情況下，其效率將更為低下。

圖2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備各部分的功耗

很明顯，移動用戶的移動負(fù)載水平在一天或定期每周內(nèi)周期變化。在工作日白天，人們主要集中在城市商業(yè)區(qū)使用手機。在晚上或周末，大多數(shù)人在居民區(qū)。晚上比白天電話一般都少，但因為使用了更多的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，如傳播社交網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)頁瀏覽、視頻和視頻聊天等，產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)流量。圖3給出了2012年歐洲網(wǎng)絡(luò)運營商統(tǒng)計的每周流量特性，根據(jù)不同的應(yīng)用程序分類（包括移動電子郵件、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、點對點傳輸、定位服務(wù)和視頻等）?？梢钥闯?，根據(jù)業(yè)務(wù)流量變化適時地關(guān)閉基站可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量。

考慮到業(yè)務(wù)負(fù)載在蜂窩網(wǎng)絡(luò)大約波動是根據(jù)每日和每周的變化，在不考慮QoS影響的情況下，根據(jù)活躍水平把一些基站切換到休眠模式節(jié)約能源是可行的。

為了保證基站休眠技術(shù)功能可以實現(xiàn)，基站之間通常需要互相配合。在3G網(wǎng)絡(luò)中，基站之間的負(fù)載信息交互可以在基站控制器中進(jìn)行。在LTE/LTE-A網(wǎng)絡(luò)中，基站間信息交互通過X2接口進(jìn)行。如果選擇一個特定的基站休眠，休眠的基站釋放出信道資源，相鄰的基站擴展覆蓋范圍至需要提供服務(wù)的移動用戶的位置。此時需要監(jiān)測移動用戶的信道信息以保證QoS，由于移動用戶和服務(wù)基站之間距離增加了，更容易發(fā)生速率中斷。

圖3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計特性

3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織提出了自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Self-organizingNetworking，SON），它增加了自動網(wǎng)絡(luò)管理和智能系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和重構(gòu)過程增加蜂窩網(wǎng)絡(luò)的靈活性。無需人工干預(yù)的SON允許基站在必要時自動配置，使得一些基站操作，如定時休眠模式、用戶位置預(yù)測可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)。

在SON技術(shù)的基礎(chǔ)上，小區(qū)縮放和小區(qū)呼吸可以為蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供更高級別的靈活性。小區(qū)縮放屬于網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載狀況通過調(diào)整天線傾斜角度、高度、或傳輸能量自適應(yīng)地調(diào)整小區(qū)覆蓋范圍。從實現(xiàn)角度看，小區(qū)縮放比基站休眠更簡單，它可以用于業(yè)務(wù)負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載在一個特定的蜂窩小區(qū)內(nèi)增加，該蜂窩小區(qū)會縮小覆蓋范圍，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞?？瞻讌^(qū)域?qū)⒈秽徑牡拓?fù)載蜂窩小區(qū)覆蓋，此低負(fù)載蜂窩小區(qū)覆蓋范圍擴張。小區(qū)縮放的控制可以通過基站控制器實現(xiàn)，或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。需要設(shè)置的控制參數(shù)包括業(yè)務(wù)負(fù)載分布、用戶需求以及信道狀態(tài)信息等。實際上，小區(qū)覆蓋范圍縮小為零時相當(dāng)于關(guān)閉基站，因此小區(qū)縮放可以視為基站休眠技術(shù)的泛化。

異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下，多層基站重疊覆蓋的區(qū)域如果不進(jìn)行基站休眠，對于低業(yè)務(wù)負(fù)載情況下能量資源浪費比較嚴(yán)重，因此基站休眠技術(shù)非常必要。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，小型化基站休眠時宏蜂窩基站可以提供基本覆蓋，這對保證網(wǎng)絡(luò)性能非常有效。因此，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站休眠切實可行。

上述分析與討論表明，基于SON等技術(shù)，在業(yè)務(wù)負(fù)載動態(tài)變化情況下，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行基站休眠是可行的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)。

下面將重點針對傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)兩種場景下的基站休眠技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.2 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)研究

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)的基本思想是關(guān)閉低業(yè)務(wù)負(fù)載基站以減小網(wǎng)絡(luò)能耗。相關(guān)學(xué)者已經(jīng)分別從性能仿真驗證、基站休眠策略等方面進(jìn)行了研究。

利用簡單的業(yè)務(wù)模型，用動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靜態(tài)規(guī)劃，同時通過增加相鄰激活小區(qū)的傳輸功率來保證用戶的服務(wù)質(zhì)量和中斷率，最后仿真驗證了這樣的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃可以節(jié)約很大一部分能量（某些情況下可以關(guān)閉50%的基站來節(jié)約能耗）。在考慮關(guān)閉基站時，均假設(shè)可以關(guān)閉任意比例的基站，文獻(xiàn)15則具體地分析了幾種不同的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)小區(qū)布局確定了可休眠基站的比例，具體參見表1。

表1常見小區(qū)結(jié)構(gòu)基站休眠比例

上述動態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究主要通過仿真驗證基站休眠在網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方面的性能，建立最優(yōu)化模型并分別給出了集中式與分布式基站開關(guān)策略。本文給出了基站開關(guān)的具體實現(xiàn)算法，集中式算法是由核心基站根據(jù)信道信息和用戶業(yè)務(wù)需求來動態(tài)的選擇能夠被關(guān)閉的基站和用戶該接入哪個激活基站。因此，集中式算法適用于當(dāng)所有信道信息與業(yè)務(wù)需求都知道情況。分布式算法則是每個用戶根據(jù)基站選擇函數(shù)來選擇要接入的基站，沒有用戶接入的基站將被休眠。并提出這兩種算法的前提條件是小區(qū)與小區(qū)之間有覆蓋重疊，即假設(shè)部分基站休眠后，仍可以保證全覆蓋。

除了關(guān)于基站開關(guān)策略的研究，基于基站休眠的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)還需要考慮業(yè)務(wù)負(fù)載變化與基站密度、基站開關(guān)轉(zhuǎn)換時間等因素對基站休眠節(jié)能性能的影響。文獻(xiàn)17研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最基本的基站休眠策略，并指出業(yè)務(wù)負(fù)載的變化幅度（期望與方差的比）和基站的密度是影響節(jié)能的兩個主要因素。最后指出，業(yè)務(wù)負(fù)載量的波動越大，基站的密度越大，可節(jié)約的能量越多。文獻(xiàn)18指出以往研究中沒有考慮到基站開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的問題，并調(diào)研了在允許移動設(shè)備切換到新的基站同時又不使信令信道超載情況下實現(xiàn)基站關(guān)閉所需的時間。研究結(jié)果表明，想要保證休眠基站下的用戶不被中斷，基站的關(guān)閉需要一個漸緩的過程。同時討論了不同的基站關(guān)閉時間對節(jié)能表現(xiàn)的影響，最終的研究結(jié)果表明，基站開關(guān)的時間較長對節(jié)能的影響十分微弱。

在分析問題的過程中，均假設(shè)一部分基站關(guān)閉后，覆蓋均可以被其余激活狀態(tài)的基站來保證，同時休眠基站的喚醒問題也沒有具體考慮。實際上，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的同時也需要考慮以下兩方面關(guān)鍵問題：

第一，處于休眠狀態(tài)的基站如何喚醒，喚醒時刻如何確定。

第二，如何解決部分基站休眠后產(chǎn)生的覆蓋盲區(qū)與用戶QoS保證問題。

針對第一個問題，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃相關(guān)研究一般假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)業(yè)務(wù)負(fù)載變化有一定規(guī)律可循，可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載預(yù)測確定基站喚醒時刻，基站休眠或喚醒狀態(tài)由系統(tǒng)統(tǒng)一控制。文獻(xiàn)19指出由于無線接入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載量遵循時間和空間的一定規(guī)律，因此可以將業(yè)務(wù)量負(fù)載轉(zhuǎn)化為一個低秩矩陣，并通過基于壓縮傳感的預(yù)測方法來預(yù)測未來業(yè)務(wù)量，從而根據(jù)預(yù)測的業(yè)務(wù)量來進(jìn)行基站開關(guān)的選擇和控制。

針對第二個問題，提出采用CellZooming策略在部分基站關(guān)閉后通過調(diào)整天線角度、基站間協(xié)作或者使用中繼等方式來保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋。小區(qū)覆蓋范圍可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載、用戶需求、信道條件動態(tài)變化，實現(xiàn)能量節(jié)省與網(wǎng)絡(luò)性能的折中。文獻(xiàn)20也提出了類似思想。文獻(xiàn)21研究基站協(xié)作場景中的高能效網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，提出通過基站協(xié)作來增強小區(qū)覆蓋，從而保證節(jié)能效率。將網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題公式化為混合整數(shù)規(guī)劃問題，并通過基于拉格朗日松弛法的優(yōu)化算法來獲得最小化能耗的基站協(xié)作集。文獻(xiàn)22則綜合考慮了這兩個問題，基于自主管理技術(shù)提出了區(qū)域化的自主節(jié)能管理機制（AESMM）。該機制分為自主監(jiān)測、自主分析、自主規(guī)劃及自主執(zhí)行4個階段。自主監(jiān)測階段的任務(wù)是實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量和能耗。在自主分析階段，則通過設(shè)置節(jié)能觸發(fā)和節(jié)能恢復(fù)門限來控制是否要進(jìn)行基站的休眠及喚醒。若在自主分析階段做出了基站休眠或喚醒的決定，則在自主規(guī)劃階段根據(jù)實際基站的布局，通過區(qū)域化的雙小區(qū)補償法來選取待休眠的基站集合，并對未休眠的基站通過自主覆蓋優(yōu)化算法來調(diào)整傳輸功率，以在保證基站覆蓋范圍的基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能最大化。自主執(zhí)行階段則是根據(jù)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實際操控與執(zhí)行。該機制同時考慮了以上提到的兩個問題，但作為一種集中式的管理方法，其工程實現(xiàn)性有待提高。

三是原始創(chuàng)新的冒險作用。試錯是有成本投入，有失敗的風(fēng)險的。即便經(jīng)歷了失敗，也不意味著原始創(chuàng)新一定會成功，一般人力資本不能承受此類失敗，而原始創(chuàng)新型人力資本基本上是高風(fēng)險承擔(dān)者，具有觸底反彈的逆商，雖然遇到失敗會痛苦、會猶豫，但是最終能夠承受原始創(chuàng)新過程中的各種挫折，矢志不渝。

以上動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)能技術(shù)研究側(cè)重于討論基站休眠（開關(guān)）技術(shù)的實現(xiàn)方法、性能增益等問題。進(jìn)一步，基于基站休眠技術(shù)，文獻(xiàn)23～24研究了用戶接入（UserAssociation）問題：在一定業(yè)務(wù)負(fù)載情況下，以最小化網(wǎng)絡(luò)能耗（或最大化網(wǎng)絡(luò)能效）為目標(biāo)，為用戶選擇合適的關(guān)聯(lián)小區(qū)，在保證用戶QoS要求情況下盡可能多地關(guān)閉低負(fù)載小區(qū)。這類研究可以看作網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的反問題，即將業(yè)務(wù)負(fù)載較輕小區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到相鄰小區(qū)后關(guān)閉輕負(fù)載小區(qū)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。用戶關(guān)聯(lián)與基站開關(guān)可以同步實現(xiàn)，也可以在基站開關(guān)的基礎(chǔ)上以更小的時間周期實現(xiàn)。

3.3 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)研究

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念較為寬泛，包括3G與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、LTE與WiMAX網(wǎng)絡(luò)、UWB系統(tǒng)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知主從網(wǎng)絡(luò)等，本文更多關(guān)注的是SmallCell與宏蜂窩構(gòu)成的多層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即由具有很低功耗的微蜂窩（Micro Cell）、微微蜂窩（Pico Cell）以及家庭基站（FemtoCell）等各類無線接入站點構(gòu)成的異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同層次均為蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接入相同的移動核心網(wǎng)、相互協(xié)作操作簡單，不同層次間的區(qū)別主要體現(xiàn)在應(yīng)用場景不同，以及由此產(chǎn)生的信道衰落、發(fā)送功率、覆蓋范圍等差異。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在提高網(wǎng)絡(luò)容量、增加網(wǎng)絡(luò)靈活性的同時，也對網(wǎng)絡(luò)部署與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、頻譜管理與資源分配、干擾管理與移動性管理等問題提出了新的挑戰(zhàn)。隨著綠色無線網(wǎng)絡(luò)成為關(guān)注熱點，如何在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署之初就實現(xiàn)能效優(yōu)化也成為關(guān)鍵問題之一。以下對異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高能效網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化與動態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究進(jìn)行總結(jié)與分析。

與傳統(tǒng)宏基站相比，小型化基站不需要機房、空調(diào)單元等高功耗設(shè)備即可進(jìn)行工作，因此能耗較低。盡管單個小型化基站耗能較低，但是隨著異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署數(shù)量與密度的增加，網(wǎng)絡(luò)累計能耗也不容忽視，同時異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也增大了能效優(yōu)化的難度。

在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景中，針對FemtoCell（或Pico Cell）與宏蜂窩組成的雙層網(wǎng)絡(luò)研究為現(xiàn)有異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究的典型場景。

與基站休眠技術(shù)相關(guān)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化研究主要包括以下3個方面：

（1）高能效異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化

在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠與部署優(yōu)化研究中，一方面需要考慮SmallCell數(shù)量與覆蓋范圍的權(quán)衡，如激活小區(qū)數(shù)量與覆蓋范圍對網(wǎng)絡(luò)能效的影響、結(jié)合覆蓋范圍與網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化的Small Cell網(wǎng)絡(luò)節(jié)能部署方法。文獻(xiàn)25調(diào)研了網(wǎng)絡(luò)中微基站與中繼的部署以及基站開關(guān)策略對整個網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，并指出不同覆蓋范圍的混合小區(qū)以及中繼所構(gòu)成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以及實施基站休眠策略的節(jié)能基站的部署將是未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署的趨勢。文獻(xiàn)26給出了結(jié)合網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化和覆蓋范圍的宏基站位置優(yōu)化迭代算法，并指出在城市業(yè)務(wù)非均勻分布的情況下，引入SmallCell是一個非常有效的數(shù)據(jù)分流方法。文章最后給出的數(shù)值仿真結(jié)果也證明了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署對節(jié)能提高的重要作用。另一方面還需要考慮SmallCell與宏蜂窩的權(quán)衡。如文獻(xiàn)27研究MacroCell與PicoCell聯(lián)合部署場景下的能量效率，并提出了區(qū)域能量效率的概念來度量單位面積上的能效。文獻(xiàn)28～29分別從站間距和帶寬分配的角度進(jìn)行不同類型小區(qū)的數(shù)量與位置聯(lián)合能效優(yōu)化。其中，文獻(xiàn)28側(cè)重于研究在給定頻譜效率的情況下，如何部署PicoCell網(wǎng)絡(luò)（主要研究站間距）能達(dá)到最佳的能效；而文獻(xiàn)29則側(cè)重于研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶的切換和帶寬分配的問題。分別給出專用帶寬和共享帶寬兩種帶寬分配策略，并通過仿真驗證更小的基站與宏基站共存可以同時提高網(wǎng)絡(luò)容量和能量效率，同時指出基于能耗容量比的用戶切換可以使更多的用戶連接到FemtoCell上，從而對宏基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，呈現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)30則研究了在不均衡網(wǎng)絡(luò)場景下的頻譜效率和能量效率折中問題。此外，文獻(xiàn)31通過仿真分析了FemtoCell網(wǎng)絡(luò)容量與能耗、用戶QoS的關(guān)系，并指出了FemtoCell網(wǎng)絡(luò)容量與其設(shè)備實施比例之間的折中，認(rèn)為最佳的安裝比例應(yīng)該在20%～60%之間，如果超出這個范圍，網(wǎng)絡(luò)將不能有效的節(jié)能。

（2）異構(gòu)基站開關(guān)控制策略

在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠相關(guān)研究中，同樣需要解決基站開關(guān)控制問題，即基站如何進(jìn)入休眠以及休眠后的喚醒問題。文獻(xiàn)32～33分別利用宏基站和FemtoCell分簇解決FemtoCell基站休眠后的喚醒問題。文獻(xiàn)32提出在FemtoCell基站設(shè)立功率門限，當(dāng)用戶在FemtoCell的基站覆蓋范圍內(nèi)，并連接底層宏基站的信號功率超過預(yù)設(shè)門限時，F(xiàn)emtoCell休眠基站將被激活。文獻(xiàn)33提出了將FemtoCell基站分簇，并指定領(lǐng)導(dǎo)者和成員，用戶只需要確定接入哪個簇之后由領(lǐng)導(dǎo)者向成員發(fā)送添加可用時隙（AvailableInterval）的消息，便可喚醒在休眠中的成員基站。

（3）基站休眠下的用戶接入與QoS保證

利用控制每個基站接入的用戶數(shù)量可以實現(xiàn)負(fù)載均衡，充分利用SmallCell的傳輸資源，但在另一方面，用戶接入也可以控制部分輕負(fù)載小區(qū)進(jìn)入休眠狀態(tài)。文獻(xiàn)34在微微蜂窩基站和宏蜂窩基站組成的覆蓋區(qū)域內(nèi)，提出了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量模型，并利用跨層優(yōu)化實現(xiàn)異構(gòu)基站的用戶接入選擇，使得業(yè)務(wù)負(fù)載很小的微微蜂窩基站進(jìn)入休眠狀態(tài)。文獻(xiàn)35研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中SmallCell的接入問題，根據(jù)宏蜂窩流量和用戶移動性設(shè)置SmallCell休眠模式，從而提高能效。針對基站休眠后的QoS保證問題，文獻(xiàn)36研究考慮QoS需求的FemtoCell基站休眠策略，分別針對給定網(wǎng)絡(luò)性能約束條件最大化能效與給定網(wǎng)絡(luò)能效約束條件最大化網(wǎng)絡(luò)性能兩個方面進(jìn)行FemtoCell基站休眠模式參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)37利用Markov決策過程實現(xiàn)基站動態(tài)開關(guān)，在QoS約束條件下最小化網(wǎng)絡(luò)能耗。宏基站根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載量和用戶位置，并利用連續(xù)的或者離散的Markov決策過程來集中控制整個FemtoCell的休眠/喚醒模式。同時還給出了當(dāng)宏基站只知道部分網(wǎng)絡(luò)信息或者信息時延過大時，根據(jù)Markov決策過程仍然可以控制FemtoCell的休眠和喚醒，并達(dá)到一定量的節(jié)能。

4 未來研究方向分析

上述基站休眠技術(shù)可行性和已有研究分析可知，基站休眠技術(shù)的節(jié)能來源于低利用率基站的固定部分能耗。首先，業(yè)務(wù)負(fù)載變化大、業(yè)務(wù)負(fù)載相對較低和基站部署緊密的區(qū)域節(jié)能潛力較大；其次，基站固定能耗的比例越大（如宏基站），網(wǎng)絡(luò)節(jié)能空間越大。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中利用基站休眠實現(xiàn)節(jié)能具有較強的應(yīng)用潛力。但是，還需要解決更多的技術(shù)難題才能真正縮短理論研究與實際應(yīng)用的差距。

首先，在基站休眠相關(guān)研究中，一般假設(shè)業(yè)務(wù)負(fù)載分布是已知的。這一點，在實際系統(tǒng)中，需要對業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行估計和預(yù)測。如何對業(yè)務(wù)進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)業(yè)務(wù)感知的綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)也是當(dāng)前節(jié)能技術(shù)研究與未來節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

在基站休眠過程中，用戶QoS保證問題是不容忽視的。研究表明，如果用戶QoS需要保持高于或等于在所有基站處于激活狀態(tài)且處于負(fù)載高峰的情況下的水平，關(guān)閉更多的基站不一定能實現(xiàn)節(jié)能，因為維護(hù)QoS水平不變的激活基站需要額外的發(fā)送功率，這會抵消通過關(guān)閉基站節(jié)省的能量。針對這一問題，需要根據(jù)基站能耗參數(shù)、用戶業(yè)務(wù)分布等已知條件作出網(wǎng)絡(luò)節(jié)能和用戶QoS二者性能的最佳權(quán)衡。

受到自然條件的制約，太陽能和風(fēng)能等可再生能源不是任何時候都可用的。因此，當(dāng)基站配置傳統(tǒng)電網(wǎng)供電和可再生能源供電情況下，需要考慮如何充分利用可再生能源且保證網(wǎng)絡(luò)傳輸不會因為可再生能源變化而中斷。在可再生能源供電情況下，需要關(guān)閉的基站是采用傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的基站。此時，有兩種方法節(jié)能，一種是利用用戶接入，控制可再生能源供電的基站接入更多的用戶，另外一種是將可再生能源傳遞給用戶較多的傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的基站。上述兩種方案的選擇取決于業(yè)務(wù)負(fù)載分布、能源傳遞損耗、基站開關(guān)控制損耗等多種因素。

此外，新一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)（5G）的節(jié)能技術(shù)研究更值得關(guān)注。5G采用的新技術(shù)，如大規(guī)模MIMO、超密集部署網(wǎng)絡(luò)等都將在明顯提高用戶QoS的同時消耗更大量的能量。超密集部署網(wǎng)絡(luò)中的基站（射頻組件）休眠技術(shù)一定是節(jié)能技術(shù)的主要研究領(lǐng)域。

總之，基站休眠技術(shù)以及整個綠色蜂窩網(wǎng)絡(luò)是值得關(guān)注的一個研究領(lǐng)域。它可能會在未來仍然是一個熱門的研究課題，有許多關(guān)鍵問題仍然需要解決。

5 結(jié)束語

蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗的日益增加已經(jīng)成為運營商關(guān)注的一個主要問題，也成為無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的重點內(nèi)容之一。蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與部署的首要目標(biāo)是保證通信覆蓋與網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變和硬件技術(shù)的進(jìn)步，動態(tài)組件關(guān)閉成為可能，使得基站休眠成為一種被廣泛接受的蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)之一。本文主要介紹了蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗現(xiàn)狀，重點綜述近期在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站休眠技術(shù)中的研究進(jìn)展。在已有研究綜述的基礎(chǔ)上，作者認(rèn)為，基站休眠技術(shù)在基站開關(guān)控制、QoS保證和用戶接入等幾個方面需要深入研究。進(jìn)一步，新能源供電場景、超密集部署網(wǎng)絡(luò)場景等的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新無線技術(shù)下的基站/組件休眠也是未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化的主流技術(shù)與重點研究內(nèi)容之一。

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TheResearchonCellSleepingBasedPowerSavingTechnologyforCellular Networks

With the exponential growth of data service and the demand of high-speed mobile access, the requirement for the infrastructure of the cellular networks is rapidly expanding, which makes the energy consumption and operating costs of cellular networks increasing sharply. Since mobile application characteristics lead to the dynamic changes of mobile traffic, user mobility and work schedule make the traffic load has obvious time variation characteristics. According to the variation of traffic load, the base station with low traffic load can be turned off to reduce energy consumption. Therefore, the energy saving technology based on the base station sleeping has practical prospective. Firstly, the energy consumption of cellular networks is analyzed, from whichwecan notice the importance of energy saving technology and energy efficiency optimization. Then, the research status of the energy efficiency optimization of base station sleeping in cellular network is summarized. Finally, the research trend of the base station sleeping technology and the energyefficiency optimization are concluded.

green Networking, base station sleeping, energyefficiency, power saving

2015-09-20）