分析無線通信中的綠色自組織技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯分析無線通信中的綠色自組織技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用針對未來通信系統(tǒng)的節(jié)能問題，文章介紹了具有自管理、自配置、自優(yōu)化以及自愈能力的綠色自組織網(wǎng)絡(luò)及其相應(yīng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，如融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的業(yè)務(wù)預(yù)測與感知、新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的智能資源分配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作和動態(tài)智能組網(wǎng)等。在此基礎(chǔ)上文章提出了一種聯(lián)合考慮能耗及負(fù)載均衡的動態(tài)扇區(qū)、小區(qū)關(guān)斷方法，從而在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下有效降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

至今，各種環(huán)保節(jié)能的的政策及措施都已成為我們耳熟能詳?shù)奈拿魃畎l(fā)展趨勢，然而我們對其真正深入了解認(rèn)識了嗎？我們的日常工作和生活中是否真正的做到了呢？是不是還是一副聽的時候?qū)Ｐ?，過后說起開心，做的時候不用心呢？節(jié)能環(huán)保并不是我們多喊幾句口號就可以實(shí)現(xiàn)的，它需要我們真正的從實(shí)際生活中去改善，去實(shí)踐，從身邊的每一件事情開始做起。通信行業(yè)節(jié)能減排的壓力巨大，因此迫切需要研究高效的節(jié)能方法，這是突破蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能“瓶頸”的關(guān)鍵。自組織技術(shù)的引入給節(jié)能減排帶來了新思路。

自組織（AdHoc）網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時性自治系統(tǒng)，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和之后于1973提出的PR（PacketRadio）網(wǎng)絡(luò)。ALOHA網(wǎng)絡(luò)需要固定的基站，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都必須和其它所有節(jié)點(diǎn)直接連接才能互相通信，是一種單跳網(wǎng)絡(luò)。PR網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。IEEE在開發(fā)802.11標(biāo)準(zhǔn)時，提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為AdHoc網(wǎng)絡(luò)，也即今天我們常說的移動自組織網(wǎng)絡(luò)。下一代移動通信網(wǎng)（NGMN）組織中的移動運(yùn)營商對SON的部署有強(qiáng)烈的需求，紛紛開展SON的研究，并發(fā)布了一系列有關(guān)SON的白皮書和建議書；3GPP也在重點(diǎn)研究SON與當(dāng)前電信管理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案；歐洲從SON的技術(shù)方案、實(shí)現(xiàn)方法及驗(yàn)證平臺入手，研究SON對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維產(chǎn)生的影響。

為推進(jìn)SON標(biāo)準(zhǔn)化工作，3GPP設(shè)置了4個技術(shù)組，分別進(jìn)行GSM和EDGE無線接入網(wǎng)（GERAN）、無線接入網(wǎng)（RAN）、業(yè)務(wù)與系統(tǒng)（SA）、網(wǎng)與終端（CT）的標(biāo)準(zhǔn)制訂和研究。2022年4月21—25日，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織SA5工作組在成都召開會議，決定專門成立SON子工作組，討論SON相關(guān)議題（包括eNB自動發(fā)現(xiàn)、自動安裝、自動配置、自動優(yōu)化和自動恢復(fù)等）。在3GPPRAN3工作組68次會議前，主要對SON場景進(jìn)行描述，并定義了所需的交互進(jìn)程；68次會議后，3GPP組織將結(jié)束SON的R9版本的討論，啟動R10版本。各大組織對SON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的大力推進(jìn)凸顯了其在未來通信系統(tǒng)中扮演的重要角色。

1自組織網(wǎng)絡(luò)的“綠色”特質(zhì)

關(guān)于節(jié)能方面，3GPPSON標(biāo)準(zhǔn)化工作組除了專為節(jié)能定義的用例ES（EnergySaving）外，還定義了諸如移動性負(fù)載均衡優(yōu)化（MLBO）、移動魯棒性優(yōu)化（MRO）和區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）等其他8種SON用例[2]。這些用例間存在著種種參數(shù)互操作關(guān)系，比如MLB的目的是為了實(shí)現(xiàn)小區(qū)間負(fù)載的自動均衡，可是具體實(shí)現(xiàn)中，調(diào)整MLB相關(guān)參數(shù)同樣會涉及MRO參數(shù)的調(diào)整。不難看出，負(fù)載的均衡同時也帶來了網(wǎng)絡(luò)整體能耗降低，因此對未來國際移動通信（IMT-Advanced）系統(tǒng)利用SON實(shí)現(xiàn)節(jié)能方面的研究要著眼整體，不能局限于ES單一用例。

對于運(yùn)營商而言，通常17％的基本建設(shè)費(fèi)用及24％的維護(hù)費(fèi)用將花費(fèi)在系統(tǒng)工程安裝、維護(hù)、管理、能耗等方面。通過自組織方式，能夠有效改善系統(tǒng)性能。自組織技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層面上的優(yōu)勢顯而易見，首先其提高了資源利用率，為資源的更合理調(diào)度提供了途徑；其次，可以提供更為靈活的組網(wǎng)方式，使網(wǎng)絡(luò)形式可按需呈現(xiàn)；同時，其分布式管理的特點(diǎn)，又為網(wǎng)絡(luò)提供了一種自愈的能力，使網(wǎng)絡(luò)的可靠性更強(qiáng)。毋庸置疑，SON化和全融合化是未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，而且SON是各種網(wǎng)絡(luò)全融合的前提和基礎(chǔ)。只有智能地實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的自組織、協(xié)作服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)融合才有意義，才能更大程度地減少網(wǎng)絡(luò)的人工操作或管理工作。自組織網(wǎng)絡(luò)不僅大大減輕了人力資源，而且也為網(wǎng)絡(luò)節(jié)能提供了基礎(chǔ)架構(gòu)，因此自組織技術(shù)具有“綠色”的特質(zhì)。

2綠色無線自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的高效業(yè)務(wù)預(yù)測技術(shù)

在新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，極豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)之一。結(jié)合SON架構(gòu)下的動態(tài)智能組網(wǎng)應(yīng)用，為了能夠以的能量消耗給不同的業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的服務(wù)，必須很好地掌握各種業(yè)務(wù)的動態(tài)特性，從而為之分配更加合理的資源。

圖1所示為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布的預(yù)測圖。本文應(yīng)用各種預(yù)測方法對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果動態(tài)組網(wǎng)。比如，針對城區(qū)環(huán)境，白天辦公區(qū)域業(yè)務(wù)需求很大，晚上則很小；而居民區(qū)正好相反。對于這樣的業(yè)務(wù)“潮汐”特性，如果能根據(jù)一定時段內(nèi)的業(yè)務(wù)分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確地預(yù)測出未來某時段的業(yè)務(wù)分布，網(wǎng)絡(luò)便能夠預(yù)先調(diào)整，以能耗為原則，給出組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化和用戶的行為是影響業(yè)務(wù)預(yù)測的重要因素，直接關(guān)系到業(yè)務(wù)預(yù)測的精度。可采用基于環(huán)境感知的業(yè)務(wù)和用戶行為聯(lián)合預(yù)測方法，使用戶行為和業(yè)務(wù)預(yù)測形成閉環(huán)，進(jìn)而提高相應(yīng)的預(yù)測精度。

2.2基于業(yè)務(wù)的資源流動性管理技術(shù)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，系統(tǒng)的時間、頻率、空間等資源越來越豐富，使得網(wǎng)絡(luò)資源的管理越發(fā)重要。呈現(xiàn)以業(yè)務(wù)為的按需分布，形成一種可管可控的資源場，滿足人們對無線網(wǎng)絡(luò)資源“按需使用”的需求。如圖2、圖3所示，運(yùn)營商可通過一定的方法預(yù)測出網(wǎng)絡(luò)將來一段時間的情況，并根據(jù)預(yù)測出的網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行資源預(yù)留，使資源分配更加合理，提高系統(tǒng)資源利用率，增加網(wǎng)絡(luò)的容量，進(jìn)而間接地降低能量消耗。

2.3異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中的綠色協(xié)作技術(shù)

基于對未來全融合化網(wǎng)絡(luò)的暢想，各種異構(gòu)形式的接入網(wǎng)絡(luò)資源可被看作一個整體資源環(huán)境提供給用戶，從而對各種用戶需求屏蔽具體的接入網(wǎng)絡(luò)形式，達(dá)到屏蔽不同無線接入技術(shù)差異的目的。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作服務(wù)，沒有SON這一交互平臺是不行的。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)綠色協(xié)作優(yōu)化模型中，業(yè)務(wù)在不同的接入網(wǎng)絡(luò)得到同時承載。網(wǎng)絡(luò)通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作，從而降低整個融合網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。另外，為了提高網(wǎng)絡(luò)綠色融合策略對環(huán)境的適應(yīng)性，降低策略生成過程的復(fù)雜度，提高終端業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的快速反應(yīng)能力，提高網(wǎng)絡(luò)融合的能效，系統(tǒng)必須引入網(wǎng)絡(luò)融合策略庫的概念。策略庫與各層協(xié)議之間的關(guān)系如圖4所示。為了適應(yīng)感知信息的不完全性，策略庫中的策略需要通過自學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行更新。依據(jù)輸入信息，修正各策略映射函數(shù)中的可變參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)策略的更新。

不同網(wǎng)絡(luò)承載不同業(yè)務(wù)時的能耗指標(biāo)是指導(dǎo)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)綠色融合策略的重要參量。首先應(yīng)建立單一網(wǎng)絡(luò)的能耗評估模型，細(xì)化其承載不同QoS需求的業(yè)務(wù)時的能耗等級；其次聯(lián)合多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的能耗模型構(gòu)建融合決策庫，以學(xué)習(xí)算法尋找的綠色融合方案。

網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)為高效利用無線頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)資源提供了保障，為用戶提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)。與此同時，運(yùn)營商可以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，以用戶為中心，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作以及節(jié)點(diǎn)SON功能，使得業(yè)務(wù)在不同的接入網(wǎng)絡(luò)得到同時承載，降低整個融合網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并在SON架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作，從而有效地降低運(yùn)營成本，增強(qiáng)競爭力。

融合實(shí)際上有兩層含義，層含義是在數(shù)據(jù)傳輸方面。以前分別基于PSTN電話網(wǎng)上的語音數(shù)據(jù)和基于有線電視同軸電纜上的視頻數(shù)據(jù)，以及基于IP的信息數(shù)據(jù)，都被整合在一個網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，這個物理媒介就是融合網(wǎng)絡(luò)。它統(tǒng)一了在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)亩喾N數(shù)據(jù)。但是融合網(wǎng)絡(luò)還有一層含義是在應(yīng)用層面。它把以前各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用全部整合到一個IP網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用上的大統(tǒng)一，這是一種更直觀的理解。

統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使各種基于IP的業(yè)務(wù)都能互通，如數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、電話網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)都可融合在一起。這種融合技術(shù)有很多優(yōu)勢，如企業(yè)在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上，通過融合技術(shù)將數(shù)據(jù)、語音及多媒體信息建立在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺上，既降低了管理和企業(yè)運(yùn)營的成本，又提高了企業(yè)工作效率。融合技術(shù)的迅猛發(fā)展又將使網(wǎng)絡(luò)本身增加很多新的延展特性。

由于IP對物理距離不敏感，因此，融合將有助于解決勞動力緊缺的問題。人們幾乎可以在任何時間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)工作和生活需求，如可以利用一條線路使移動用戶具有局域網(wǎng)接入、Internet接入、PBX分機(jī)、語音郵件以及高速撥號等相關(guān)特性。

2.4基于業(yè)務(wù)的智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)

在未來IMT-Advanced系統(tǒng)中，由于中繼節(jié)點(diǎn)以及基站間協(xié)作技術(shù)（CoMP）的引入，使得網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元設(shè)備不斷增加，且具有相互溝通、相互協(xié)調(diào)的能力。在圖5中，運(yùn)營商可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的不同，動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式。借助SON的技術(shù)架構(gòu)，運(yùn)營商可以針對不同業(yè)務(wù)的需求，建立自主管理與控制模型，實(shí)現(xiàn)資源的智能、動態(tài)、優(yōu)化管理，顯著提升無線網(wǎng)絡(luò)的資源和能量效率。

綠色網(wǎng)絡(luò)期望在保證用戶體驗(yàn)的前提下，盡可能地使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入休眠或關(guān)斷狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。然而部分設(shè)備的休眠或關(guān)斷往往會導(dǎo)致周圍網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載加重甚至不堪重負(fù)。通過業(yè)務(wù)流動性管理可使因網(wǎng)絡(luò)休眠而產(chǎn)生的負(fù)載被負(fù)載較輕的小區(qū)逐級吸納，從而既保證了網(wǎng)絡(luò)的綠色運(yùn)營又解決了相應(yīng)的負(fù)載均衡問題。

智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)在節(jié)約能耗的同時也給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來了其他諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了一系列問題：智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)在節(jié)約能耗的同時給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)；處于休眠狀態(tài)的網(wǎng)元設(shè)備如何喚醒，喚醒時刻如何確定；當(dāng)部分設(shè)備休眠時，如何保證所有用戶的QoS需求；如何保證要為網(wǎng)絡(luò)通信單元尋找一條可達(dá)的路徑，同時兼顧網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的負(fù)載情況；在SON框架下如何基于業(yè)務(wù)預(yù)測實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)商；在部分網(wǎng)元設(shè)備休眠的情況下，如何同樣保證高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。這些問題都有待深入研究。

3基于負(fù)載流動和覆蓋協(xié)商的節(jié)能算法示例

以未來IMT-Advanced系統(tǒng)為例：其節(jié)電策略著重考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)，而具體途徑需要通過小區(qū)、扇區(qū)的關(guān)閉或休眠、信道的關(guān)閉或休眠來實(shí)現(xiàn)。下面以小區(qū)關(guān)閉為例來介紹基于負(fù)載流動和覆蓋協(xié)商的節(jié)能算法。

關(guān)閉小區(qū)實(shí)現(xiàn)節(jié)電原理如圖6所示。紅色小區(qū)盡全力吸收綠色小區(qū)的用戶，直到自己滿負(fù)荷后停止；此時藍(lán)色小區(qū)繼續(xù)吸收綠色小區(qū)用戶，直至其空載；這時，綠色小區(qū)完全沒有業(yè)務(wù)，可以選擇休眠，直到新的業(yè)務(wù)激活它。這里我們對全網(wǎng)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行節(jié)電策略，便可選出可以進(jìn)行休眠的小區(qū)集合進(jìn)行休眠，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)電的目的。此策略可以周期性地對全網(wǎng)執(zhí)行。

在SON框架下，可對節(jié)電策略進(jìn)一步增強(qiáng)，如圖7所示。紅色小區(qū)負(fù)載很重，甚至過載，此時不能再接入新的用戶，若強(qiáng)行吸納綠色小區(qū)的負(fù)載，則原有用戶的QoS將不能得到很好的保障。但此時，若紅色小區(qū)選擇與藍(lán)色小區(qū)做移動性負(fù)載均衡（MLB）來分流掉自己的部分負(fù)載就可以產(chǎn)生新的容量來吸收綠色小區(qū)的用戶。在鄰小區(qū)無法完全吸收輕負(fù)載小區(qū)用戶的情況下，讓鄰小區(qū)強(qiáng)制與它的其他鄰小區(qū)做負(fù)載均衡，從而空出容量，進(jìn)一步吸收完輕負(fù)載小區(qū)的用戶，使更多輕負(fù)載小區(qū)進(jìn)入休眠小區(qū)集合，進(jìn)而增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)電性能，并保證整個網(wǎng)絡(luò)用戶的QoS。當(dāng)然，如果在鄰小區(qū)吸收到自己滿載后，仍未吸納完目標(biāo)小區(qū)的業(yè)務(wù)，則可逐級轉(zhuǎn)移負(fù)載，直到輕負(fù)載小區(qū)實(shí)現(xiàn)空載為止。雖然負(fù)載流動的目的是為了節(jié)電，但其同時也將移動性負(fù)載均衡（MLB）與節(jié)電（ES）聯(lián)動了起來，在某些場景下，既達(dá)到了節(jié)電的目的，又實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的局部均衡。

更進(jìn)一步，在鄰小區(qū)通過負(fù)載轉(zhuǎn)移仍無法完全吸收輕負(fù)載小區(qū)用戶的情況下，如圖8所示的情況（輕載小區(qū)的用戶在鄰小區(qū)的覆蓋邊界外不遠(yuǎn)，無法通過轉(zhuǎn)移負(fù)載實(shí)現(xiàn)小區(qū)空載），則目標(biāo)小區(qū)可通過與鄰小區(qū)協(xié)商調(diào)整覆蓋參數(shù)，調(diào)整各自覆蓋范圍，強(qiáng)制吸收輕載小區(qū)用戶，實(shí)現(xiàn)輕載小區(qū)完全空載，從而擴(kuò)大休眠小區(qū)集合，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)電性能。此時，SON為基站提供了交互協(xié)商的平臺。

上面的3個節(jié)電步驟同樣適用于扇區(qū)關(guān)斷的場景，且每一步均涉及到負(fù)載信息和基站參數(shù)的交互。3GPPRAN3工作組已經(jīng)定義了增強(qiáng)型通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)（E-UTRAN）的站間專用通信接口（X2），協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化工作也正在進(jìn)行。整個算法的詳細(xì)流程如圖9所示。

本節(jié)描述的節(jié)能策略首先從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)側(cè)能耗的問題出發(fā)，在SON框架下，利用站間直接協(xié)商的方式實(shí)現(xiàn)動態(tài)扇區(qū)、小區(qū)關(guān)斷，同時負(fù)載逐區(qū)轉(zhuǎn)移策略又在一定程度上起到了調(diào)節(jié)區(qū)間負(fù)載的功能。基站參數(shù)調(diào)整幅度要保持在干擾容忍的范圍內(nèi)以滿足用戶QoS要求，而且是步進(jìn)式調(diào)整，所以理論上完全可以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶設(shè)備服務(wù)連續(xù)性等方面必須要保證，如果用戶的QoS不能得到保障，那么節(jié)電就失去了意義。

上述策略只是基站節(jié)能的策略框架，并未談及小區(qū)如何喚醒的問題。IMT-Advanced系統(tǒng)是不允許網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生覆蓋空洞的，所以具體的休眠與喚醒機(jī)制還需充分發(fā)揮SON的動態(tài)組網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)間協(xié)作的優(yōu)