無線通信中的綠色自組織技術

針對未來通信系統的節能問題，文章介紹了具有自管理、自配置、自優化以及自愈能力的綠色自組織網絡及其相應的關鍵支撐技術，如融合網絡架構下的業務預測與感知、新型無線網絡架構下的智能資源分配、異構網絡間的綠色協作和動態智能組網等。在此基礎上文章提出了一種聯合考慮能耗及負載均衡的動態扇區、小區關斷方法，從而在保證用戶服務質量的條件下有效降低網絡的能量消耗。

節能；綠色自組織網絡；業務預測與感知；資源分配；綠色協作

[Abstract]:This paper introduces the green Self-Organized Network (SON)， which is capable of self- management， self-configuration， self-optimization， and self-healing. Its key techniques include traffic forecasting and sensing in a converged network architecture， intelligent resource allocation， green cooperation between heterogeneous networks， and dynamic and intelligent network organization. A method is proposed to dynamically turn off cells or sectors so that energy is saved and load balancing problems alleviated. Energy consumption can be reduced across the entire network while maintaining Quality of Service (QoS).

energy saving; green SON; traffic forecast and sensing; intelligent resource allocation; green cooperation.

節能環保是當今世界的主流理念，作為較高耗能的通信行業，加大節能減排力度、促進“綠色”通信發展，將成為新時期通信行業與社會共同發展的利益結合點。可以預見，隨著用戶規模的進一步擴大和業務量的迅猛增長，通信行業的能耗仍將保持較快增速。通信行業節能減排的壓力巨大，因此迫切需要研究高效的節能方法，這是突破蜂窩網絡節能“瓶頸”的關鍵。自組織技術的引入給節能減排帶來了新思路。

自組織網絡(SON)是指自身能夠探測周圍環境信息及其變化，并能夠由此做出自主決策的網絡。自組織網絡具有對網絡參數等自動配置、自動優化、自動管理、自動愈合等通信網絡功能。自組織網絡是在LTE網絡標準化階段由移動運營商主導提出的概念，其主要目的是實現無線網絡的一些自主功能，減少人工參與，降低運營成本。下一代移動通信網(NGMN)組織中的移動運營商對SON的部署有強烈的需求，紛紛開展SON的研究，并發布了一系列有關SON的白皮書和建議書；3GPP也在重點研究SON與當前電信管理網絡的實現方案；歐洲從SON的技術方案、實現方法及驗證平臺入手，研究SON對網絡運維產生的影響。

為推進SON標準化工作，3GPP設置了4個技術專家組，分別進行GSM和EDGE無線接入網(GERAN)、無線接入網(RAN)、業務與系統(SA)、核心網與終端(CT)的標準制訂和研究。其中3GPP SA5工作組的研究內容是與3G體系架構和網絡設備技術發展保持同步，研究與之相適應的網絡管理框架和管理需求。2008年4月21—25日，3GPP標準組織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相關議題(包括eNB自動發現、自動安裝、自動配置、自動優化和自動恢復等)。3GPP標準組織RAN3工作組主要討論SON的相關用例需求和解決方案，定義X2/S1接口部分[1]。在3GPP RAN3工作組68次會議前，主要對SON場景進行描述，并定義了所需的交互進程；68次會議后，3GPP組織將結束SON的R9版本的討論，啟動R10版本。各大組織對SON技術和標準化的大力推進凸顯了其在未來通信系統中扮演的重要角色。

1 自組織網絡的“綠色”特質

關于節能方面，3GPP SON標準化工作組除了專為節能定義的用例ES(Energy Saving)外，還定義了諸如移動性負載均衡優化(MLBO)、移動魯棒性優化(MRO)和區間干擾協調(ICIC)等其他8種SON用例[2]。這些用例間存在著種種參數互操作關系，比如MLB的目的是為了實現小區間負載的自動均衡，可是具體實現中，調整MLB相關參數同樣會涉及MRO參數的調整。不難看出，負載的均衡同時也帶來了網絡整體能耗降低，因此對未來國際移動通信(IMT-Advanced)系統利用SON實現節能方面的研究要著眼整體，不能局限于ES單一用例。

對于運營商而言，通常17％的基本建設費用及24％的維護費用將花費在系統工程安裝、維護、管理、能耗等方面。通過自組織方式，能夠有效改善系統性能。自組織技術是解決未來網絡管理及維護工作、有效支持異構多網絡并存、提高網絡服務質量、大幅降低網絡維護成本的一條有效途徑。自組織技術在網絡層面上的優勢顯而易見，首先其提高了資源利用率，為資源的更合理調度提供了途徑；其次，可以提供更為靈活的組網方式，使網絡形式可按需呈現；同時，其分布式管理的特點，又為網絡提供了一種自愈的能力，使網絡的可靠性更強。毋庸置疑，SON化和全融合化是未來通信網絡發展的必然趨勢，而且SON是各種網絡全融合的前提和基礎。只有智能地實現各種網絡的自組織、協作服務，網絡融合才有意義，才能更大程度地減少網絡的人工操作或管理工作。自組織網絡不僅大大減輕了人力資源，而且也為網絡節能提供了基礎架構，因此自組織技術具有“綠色”的特質。

2 綠色無線自組織網絡的關鍵技術

2.1 新型無線網絡架構下的高效

業務預測技術

在新型無線網絡架構下，極豐富的業務應用是網絡的重要特點之一。結合SON架構下的動態智能組網應用，為了能夠以最小的能量消耗給不同的業務提供高質量的服務，必須很好地掌握各種業務的動態特性，從而為之分配更加合理的資源。

圖1所示為網絡業務分布的預測圖。本文應用各種預測方法對網絡業務分布進行預測，并根據預測結果動態組網。比如，針對城區環境，白天辦公區域業務需求很大，晚上則很小；而居民區正好相反。對于這樣的業務“潮汐”特性，如果能根據一定時段內的業務分布統計結果準確地預測出未來某時段的業務分布，網絡便能夠預先調整，以最小能耗為原則，給出最佳組網方式，實現節能。

網絡環境的變化和用戶的行為是影響業務預測的重要因素，直接關系到業務預測的精度。可采用基于環境感知的業務和用戶行為聯合預測方法，使用戶行為和業務預測形成閉環，進而提高相應的預測精度。

2.2 基于業務的資源流動性管理技術

新型網絡架構下，系統的時間、頻率、空間等資源越來越豐富，使得網絡資源的管理越發重要。為了建立綠色低碳的新一代無線網絡，運營商必須向管理要效益，以管理降能耗。從資源場的概念出發，運營商應使無線網絡中的資源在業務需求的驅動下形成合理的資源流動策略，呈現以業務為核心的按需分布，形成一種可管可控的資源場，滿足人們對無線網絡資源“按需使用”的需求。如圖2、圖3所示，運營商可通過一定的方法預測出網絡將來一段時間的情況，并根據預測出的網絡情況進行資源預留，使資源分配更加合理，提高系統資源利用率，增加網絡的容量，進而間接地降低能量消耗[3]。

2.3 異構融合網絡中的綠色協作技術

基于對未來全融合化網絡的暢想，各種異構形式的接入網絡資源可被看作一個整體資源環境提供給用戶，從而對各種用戶需求屏蔽具體的接入網絡形式，使得各種類型的接入網絡真正成為用戶所共享的資源。我們可通過資源感知和控制層的設計，為各種高層協議(如網絡層)提供統一的接口，達到屏蔽不同無線接入技術差異的目的。當然，實現網絡重構和異構網絡協作服務，沒有SON這一交互平臺是不行的。

在異構網絡綠色協作優化模型中，業務在不同的接入網絡得到同時承載。網絡通過異構網絡間的綠色協作，從而降低整個融合網絡的能量消耗。另外，為了提高網絡綠色融合策略對環境的適應性，降低策略生成過程的復雜度，提高終端業務對網絡環境變化的快速反應能力，提高網絡融合的能效，系統必須引入網絡融合策略庫的概念。當需要進行網絡融合時，從策略庫中選擇合適的策略，根據當前的網絡環境及業務需求，修改策略的部分權值，即可生成網絡融合方案。策略庫與各層協議之間的關系如圖4所示。為了適應感知信息的不完全性，策略庫中的策略需要通過自學習的方式進行更新。依據輸入信息，修正各策略映射函數中的可變參數，可實現策略的更新。

不同網絡承載不同業務時的能耗指標是指導異構網絡綠色融合策略的重要參量。首先應建立單一網絡的能耗評估模型，細化其承載不同QoS需求的業務時的能耗等級；其次聯合多個異構網絡的能耗模型構建融合決策庫，以學習算法尋找最優的綠色融合方案。

網絡融合技術為高效利用無線頻譜資源、網絡資源提供了保障，為用戶提供了豐富多彩的業務。與此同時，運營商可以充分利用現有的網絡資源，以用戶為中心，通過異構網絡間的綠色協作以及節點SON功能，使得業務在不同的接入網絡得到同時承載，降低整個融合網絡的能量消耗，并在SON架構下實現異構網絡間的綠色協作，從而有效地降低運營成本，增強競爭力。

2.4 基于業務的智能動態組網技術

在未來IMT-Advanced系統中，由于中繼節點以及基站間協作技術(CoMP)的引入，使得網絡中網元設備不斷增加，且具有相互溝通、相互協調的能力。運營商通過業務預測掌握了業務的“潮汐”特性之后，便可以動態地對網絡資源進行調配，使得網絡資源和網絡架構也隨著業務“涌動”起來。在圖5中，運營商可根據用戶業務的不同，動態地調整網絡的組網形式。當預測到小區或小區中的某些區域在某一時段業務量較輕，甚至為零時，則可以智能地關斷部分網絡設備，從而大大節約網絡的能量消耗。借助SON的技術架構，運營商可以針對不同業務的需求，建立自主管理與控制模型，實現資源的智能、動態、優化管理，顯著提升無線網絡的資源和能量效率。

綠色網絡期望在保證用戶體驗的前提下，盡可能地使網絡設備進入休眠或關斷狀態，從而降低網絡的能耗。然而部分設備的休眠或關斷往往會導致周圍網絡的負載加重甚至不堪重負。通過業務流動性管理可使因網絡休眠而產生的負載被負載較輕的小區逐級吸納，從而既保證了網絡的綠色運營又解決了相應的負載均衡問題。

智能動態組網技術在節約能耗的同時也給網絡設計帶來了其他諸多挑戰，產生了一系列問題：智能動態組網技術在節約能耗的同時給網絡設計帶來了挑戰；處于休眠狀態的網元設備如何喚醒，喚醒時刻如何確定；當部分設備休眠時，如何保證所有用戶的QoS需求；當網絡中部分設備休眠時，采用多跳的方式為用戶提供服務，就必須要以良好的路由技術為支撐，如何保證要為網絡通信單元尋找一條可達的路徑，同時兼顧網絡實際的負載情況；在SON框架下如何基于業務預測實現節點相互協商；在部分網元設備休眠的情況下，如何同樣保證高質量的用戶體驗。這些問題都有待深入研究。

3 基于負載流動和覆蓋協商的節能算法示例

以未來IMT-Advanced系統為例：其節電策略著重考慮網絡側，而具體途徑需要通過小區、扇區的關閉或休眠、信道的關閉或休眠來實現。下面以小區關閉為例來介紹基于負載流動和覆蓋協商的節能算法。

關閉小區實現節電原理如圖6所示。紅色小區盡全力吸收綠色小區的用戶，直到自己滿負荷后停止；此時藍色小區繼續吸收綠色小區用戶，直至其空載；這時，綠色小區完全沒有業務，可以選擇休眠，直到新的業務激活它。這里我們對全網按照一定的標準執行節電策略，便可選出可以進行休眠的小區集合進行休眠，從而達到網絡節電的目的。此策略可以周期性地對全網執行。

在SON框架下，可對節電策略進一步增強，如圖7所示。紅色小區負載很重，甚至過載，此時不能再接入新的用戶，若強行吸納綠色小區的負載，則原有用戶的QoS將不能得到很好的保障。但此時，若紅色小區選擇與藍色小區做移動性負載均衡(MLB)來分流掉自己的部分負載就可以產生新的容量來吸收綠色小區的用戶。在鄰小區無法完全吸收輕負載小區用戶的情況下，讓鄰小區強制與它的其他鄰小區做負載均衡，從而空出容量，進一步吸收完輕負載小區的用戶，使更多輕負載小區進入休眠小區集合，進而增強整個網絡的節電性能，并保證整個網絡用戶的QoS。當然，如果在鄰小區吸收到自己滿載后，仍未吸納完目標小區的業務，則可逐級轉移負載，直到輕負載小區實現空載為止。雖然負載流動的目的是為了節電，但其同時也將移動性負載均衡(MLB)與節電(ES)聯動了起來，在某些場景下，既達到了節電的目的，又實現了負載的局部均衡。

更進一步，在鄰小區通過負載轉移仍無法完全吸收輕負載小區用戶的情況下，如圖8所示的情況(輕載小區的用戶在鄰小區的覆蓋邊界外不遠，無法通過轉移負載實現小區空載)，則目標小區可通過與鄰小區協商調整覆蓋參數，調整各自覆蓋范圍，強制吸收輕載小區用戶，實現輕載小區完全空載，從而擴大休眠小區集合，增強網絡節電性能。此時，SON為基站提供了交互協商的平臺。

上面的3個節電步驟同樣適用于扇區關斷的場景，且每一步均涉及到負載信息和基站參數的交互。3GPP RAN3工作組已經定義了增強型通用移動通信系統陸地無線接入網(E-UTRAN)的站間專用通信接口(X2)，協議標準化工作也正在進行。整個算法的詳細流程如圖9所示。

本節描述的節能策略首先從節省網絡側能耗的問題出發，在SON框架下，利用站間直接協商的方式實現動態扇區、小區關斷，同時負載逐區轉移策略又在一定程度上起到了調節區間負載的功能。基站參數調整幅度要保持在干擾容忍的范圍內以滿足用戶QoS要求，而且是步進式調整，所以理論上完全可以實現。系統穩定性和用戶設備服務連續性等方面必須要保證，如果用戶的QoS不能得到保障，那么節電就失去了意義。

上述策略只是基站節能的策略框架，并未談及小區如何喚醒的問題。IMT-Advanced系統是不允許網絡產生覆蓋空洞的，所以具體的休眠與喚醒機制還需充分發揮SON的動態組網以及異構網間協作的優勢。RAN3工作組在R10版本中已經開始著重討論ES的問題，并有部分公司提出了關于ES的初步設想[4-5]。

4 結束語

移動通信網絡是一個實時動態變化的網絡，如圖10所示。由圖10可知，在未來多種接入技術并存下，系統內小區間負荷分布、頻率資源分配、功率資源分配、系統間的干擾等都處在不斷變化中。通過深入研究新型無線網絡架構下的業務預測和感知技術、新型無線網絡架構下的智能資源分配技術和異構網絡間的綠色協作技術，借助SON平臺，根據網絡規模的變化合理地對網絡進行規劃調整并優化網絡資源配置，可使網絡達到最佳的運營狀態，使移動通信網絡更好地為用戶提供優質的服務，從而在保證業務QoS的基礎上大幅降低無線通信網絡能量消耗，最終形成“以業務為核心，智能資源管理和多網協同為基本點”的新一代綠色自組織無線網絡。

5 參考文獻

[1] 3GPP TS 36.423 V9.3.0. X2 Application Protocol (X2AP) [S]. 2006.

[2] 3GPP TR 36.902 V9.2.0. Self-Configuring and Self-Optimizing Network (SON) Use Cases and Solutions [S]. 2010.

[3] SHENG Min， LI Jiandong， LI Hongyan， et al. Resource Management Approach in Heterogeneous Wireless Access Networks based on IEEE1900.4 Architecture [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems (ICWITS'10)， Aug 28-Sep 3， 2010， Honululu， HI， USA. 2010.

[4] CMCC， CATT， Ericsson， et al. Way Forward for Energy Saving [C]//3GPP TSG RAN WG3 Meeting #68， May 10-14，2010， Montreal， Canada. 2005.

[5] CMCC. Inter-RAT Energy Saving Potential Solutions and Initial Evaluations [C]//3GPP TSG RAN WG3 Meeting #69， Aug 23-27，2010， Madrid， Spain. R3-102111. 2010.

收稿日期：2010-09-06

盛敏，西安電子科技大學博士畢業；西安電子科技大學教授、博士生導師；主要研究領域為無線自組織網絡、認知網絡、寬帶無線通信等。

黃超，西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室在讀碩士研究生；主要研究領域為移動通信、蜂窩自組織網絡。

李建東，西安電子科技大學博士畢業；西安電子科技大學教授、博士生導師、研究生院常務副院長；主要研究領域為寬帶無線通信、Ad Hoc網絡、認知無線電等。