基于綠色基站的節(jié)能方案探討

龔霞+魏翼飛+宋梅+常琳

在無線通信系統(tǒng)中，基站為主要能耗部件，研究基站節(jié)能技術(shù)成為了無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的首要目標(biāo)。首先簡要介紹了綠色基站采用的相關(guān)技術(shù)，并分析其特點；然后總結(jié)了現(xiàn)有基站節(jié)能的主要思想和熱點問題；最后對基于綠色基站的節(jié)能方案進行探討，提出了綠色基站規(guī)劃問題、綠色基站對用戶的分流策略、綠色基站與傳統(tǒng)基站的協(xié)作方案、混合能源基站的能源管理技術(shù)，為綠色基站在節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

Discussion on Energy Saving Scheme Based on Green Base Station

GONG Xia1， WEI Yi-fei1， SONG Mei1， CHANG Lin2

（1. School of Electronic Engineering， Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China；

2. TL Certification Center， China Academy of Telecommunication Research of MIIT， Beijing 100088， China）

In a wireless communication system， base station as the main energy consumption component， the research on base station energy saving technology has become the primary goal of wireless communication network to save energy. First， the related technologies used by the green base station are briefly introduced and its characteristics are analyzed. Then the main ideas and issues for base station energy saving are summarized. Finally， the energy saving scheme based on green base station is discussed. The green base station planning， user distribution scheme， the cooperation scheme between the green base station and the traditional base station and energy management technology of hybrid energy base station are put forward， which provides the theoretical basis for the application of green base station in energy saving technology.

green energy BS energy-saving technology of BS BS planning collaborative strategy of BS

1 綠色基站簡介

在無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站能耗占通信網(wǎng)絡(luò)總能耗的75%[1]。同時，由于近兩年移動終端設(shè)備的發(fā)展及各種社交網(wǎng)絡(luò)的盛行，使得移動通信業(yè)務(wù)量急速增長，2012年基站的數(shù)量幾乎增加了一倍[2]。圖1顯示了移動通信中各模塊的耗能比例。

由圖1可知，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中超過一半的能耗都來自于基站，這就使得基站節(jié)能在通信領(lǐng)域的節(jié)能減排中具有重大的實際意義。現(xiàn)有的基站節(jié)能技術(shù)主要有以下兩類：

（1）綠色能源基站：綠色能源基站依賴于成熟的能源采集技術(shù)，結(jié)合自然環(huán)境的約束，利用可再生能源為基站供電。

（2）基站節(jié)能：按無線通信網(wǎng)絡(luò)的層次可分為設(shè)備級節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能。設(shè)備級節(jié)能是指從基站本身考慮，通過采用先進的設(shè)備或?qū)镜牟考M行功率管理來減少基站的能量消耗；網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能主要包括基站休眠機制、小區(qū)縮放技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)等。

綠色基站從廣義上來講，是指一切能夠減小基站能耗的基站節(jié)能技術(shù)[3]；而狹義的綠色基站是指利用可再生能源（如風(fēng)能、太陽能等）為基站供電的基站，從而減小傳統(tǒng)基站能耗[4]。本文中的綠色基站均指綠色能源基站。

2 綠色基站及基站節(jié)能機制

隨著基站節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，基站本身的功耗大大降低，從而使得利用可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源為基站供電成為可能。2010年，國資委把運營商從節(jié)能減排關(guān)注類企業(yè)調(diào)整為節(jié)能減排重點類企業(yè)[5]。在低碳社會和新能源的驅(qū)使下，我國正大力發(fā)展新能源經(jīng)濟，努力實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

2.1 綠色基站

利用綠色能源的思想很早以前就被提出，并得到了很好的應(yīng)用，如太陽能熱水器、風(fēng)力發(fā)電機等。如今隨著溫室效應(yīng)的加劇，使得全球氣候變暖，因此無論是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域還是學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，都具有重要的研究價值和實踐意義。

基站節(jié)能技術(shù)也成為中國通信行業(yè)一個迫切需要解決的問題，運營商和科研人員都對基站節(jié)能提出了很多解決方案，同時設(shè)備商也在基站節(jié)能上加大了投資和研發(fā)力度[6]。且綠色基站的性能受到了自然環(huán)境的約束，其影響因素主要包含綠色能源的不均勻分布和綠色能源的非連續(xù)性。目前對綠色基站技術(shù)研究的熱點問題主要包括以下方面：

（1）綠色基站選址：在現(xiàn)有的傳統(tǒng)固定基站的基礎(chǔ)上，綠色基站的選址應(yīng)該綜合考慮在保證無線通信服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上減小固定基站的能耗、提高綠色能源的利用率。endprint

（2）綠色基站能源采集：通過改進采集設(shè)備和增加采集裝置的數(shù)量來提高綠色能源采集量，但是采集裝置過多也是一種浪費，應(yīng)根據(jù)實際情況決定采集裝置的數(shù)量。

（3）綠色基站和傳統(tǒng)基站的協(xié)作：結(jié)合傳統(tǒng)基站間的協(xié)作機制，考慮到綠色能源分布和業(yè)務(wù)量，建立綠色基站和傳統(tǒng)基站的協(xié)作機制，主要包括傳統(tǒng)基站休眠機制和功率調(diào)整機制。

（4）混合能源基站：混合能源基站可由傳統(tǒng)能源和綠色能源供電。當(dāng)綠色能源充足時，只由綠色基站供電；而當(dāng)綠色能源不足時，可以使傳統(tǒng)能源和綠色能源同時為基站供電。針對綠色能源分布和業(yè)務(wù)量，設(shè)計混合能源基站的能源分配策略。

2.2 基站節(jié)能方案

據(jù)研究，基站的能耗主要來自于功率放大器、空調(diào)設(shè)備、信號處理設(shè)備和供電設(shè)備，如圖2所示：

圖2 基站節(jié)能機制

基站節(jié)能主要包括以下方面[7]：

（1）硬件節(jié)能：從基站本身考慮基站的節(jié)能技術(shù)，由圖2可知基站中功耗最大的是功率放大器，其次是空調(diào)設(shè)備。可以通過改進設(shè)備來提高設(shè)備效率；對基站部件進行功率管理，并對基站中各部件實現(xiàn)休眠或低功耗模式來降低能量消耗。

（2）基站多點協(xié)作技術(shù)：即COMP技術(shù)。基站間通過一些算法協(xié)議實現(xiàn)動態(tài)的功率調(diào)整，智能地實現(xiàn)小區(qū)縮放，從而節(jié)約基站能量，提高能量利用率；自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的思想，對網(wǎng)絡(luò)進行重構(gòu)建，使得網(wǎng)絡(luò)總能耗最小。

（3）綠色能源：主要利用新能源來供電，如太陽能、風(fēng)能、氫燃料電池等。

（4）綜合節(jié)能：包括很多方面，如智能載波調(diào)整技術(shù)、電源管理、減少基站數(shù)目、優(yōu)化基站架構(gòu)等，實現(xiàn)基站節(jié)能。智能載波調(diào)整是指根據(jù)白天和晚上業(yè)務(wù)量分布的不同動態(tài)調(diào)整基站輸出的載波數(shù)，適時關(guān)閉非工作載波，減小能量開銷。

3 基于綠色基站的節(jié)能方案探討

3.1 綠色基站規(guī)劃

在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，綜合考慮綠色能源分布、用戶業(yè)務(wù)量和現(xiàn)有的傳統(tǒng)基站位置等設(shè)計綠色基站的部署方案。節(jié)約傳統(tǒng)基站的能耗，提高綠色能源的利用率。

（1）綠色宏基站規(guī)劃：宏基站發(fā)射功率高，覆蓋范圍廣。由于通信網(wǎng)絡(luò)中存在著潮汐效應(yīng)以及綠色能源不穩(wěn)定等問題，綜合考慮綠色能源分布情況和業(yè)務(wù)量部署綠色基站，使得全網(wǎng)指標(biāo)最優(yōu)。

（2）綠色微基站規(guī)劃：由于現(xiàn)有的傳統(tǒng)宏基站存在著嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)問題，使得與基站距離較遠的用戶通信質(zhì)量較差，無法滿足用戶需求。在此情況下，綠色小小區(qū)基站應(yīng)運而生，用以彌補傳統(tǒng)宏基站的不足。綠色小小區(qū)基站覆蓋范圍小，可服務(wù)的用戶較少，將其部署在小區(qū)的邊緣位置，可以保證邊緣用戶的通信質(zhì)量，提高全網(wǎng)的平均通信水平。此外，還可將其與傳統(tǒng)基站協(xié)作，在確保用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下，盡可能地吸收更多的用戶。

在實際應(yīng)用中，可以綜合考慮以上兩種思想對綠色基站進行規(guī)劃選址。不僅可以提高全網(wǎng)用戶的平均通信水平，還可以減少傳統(tǒng)能源消耗。

3.2 綠色基站對用戶的分流

在確定綠色基站的選址后，對綠色基站儲存的能量進行分級，通過智能感知技術(shù)實時評估綠色基站電池的能量狀態(tài)，當(dāng)綠色基站能級較高時，其可承載的用戶數(shù)量增大。下面介紹兩種可行方案：

（1）功率控制：利用傳統(tǒng)小區(qū)縮放的機制，增加基站發(fā)射功率，相應(yīng)地增大其覆蓋面積，同時可以減小傳統(tǒng)基站的發(fā)射功率，從而綠色基站上承載的用戶數(shù)增加，實現(xiàn)對用戶的分流，提高綠色能源利用率。

（2）提高用戶接入綠色基站網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級：用戶能夠智能感知綠色基站的能量狀態(tài)，當(dāng)綠色基站存儲的能量較多時，用戶更偏向接入綠色基站網(wǎng)絡(luò)。因此，基于綠色基站的能量狀態(tài)和用戶與基站的距離設(shè)計一種接入策略。

綜合考慮用戶的移動速度和用戶接入基站的優(yōu)先級，設(shè)計綠色基站對用戶的分流策略，最大限度地利用綠色能源并減小相應(yīng)的切換開銷。其算法流程圖如圖3所示，其中綠色基站和傳統(tǒng)基站的優(yōu)先級由綠色基站的能量狀態(tài)及小區(qū)業(yè)務(wù)量共同決定。

圖3 用戶接入綠色基站的流程

以上兩種方案都可以使綠色基站吸納用戶，實現(xiàn)對用戶的分流，提高綠色基站的效率和綠色能源的利用率。

3.3 綠色基站與傳統(tǒng)基站協(xié)作

基站節(jié)能的方式有很多種，例如：硬件節(jié)能（如增加能量效率的功率放大器）、拓撲控制（如對中繼和微基站的調(diào)度[8-9]）、基站休眠（如動態(tài)基站休眠機制[10]使得網(wǎng)絡(luò)能耗最小）、小區(qū)縮放（基站功率控制）等。將綠色基站應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，設(shè)計綠色基站和傳統(tǒng)基站的協(xié)作機制，從而降低傳統(tǒng)能耗，提高綠色能量利用率。協(xié)作方式主要有以下兩種：

（1）傳統(tǒng)基站和綠色基站的小區(qū)縮放機制：在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過基站功率控制盡可能多地增加綠色基站的覆蓋范圍，提高綠色能源的利用率。當(dāng)綠色基站能量較多時，增加其發(fā)射功率，擴大其覆蓋面積，相應(yīng)地減小相鄰傳統(tǒng)基站的發(fā)射功率，以達到節(jié)能效果。

（2）傳統(tǒng)基站和綠色基站的休眠機制：當(dāng)通信業(yè)務(wù)量較少且綠色基站能量較多時，在保證通信業(yè)務(wù)的條件下可以關(guān)閉相鄰的傳統(tǒng)基站，以減小能耗。

綜合考慮傳統(tǒng)基站業(yè)務(wù)量和綠色基站能量狀態(tài)，根據(jù)小區(qū)休眠機制，實現(xiàn)傳統(tǒng)基站與綠色基站的協(xié)作，如圖4所示：

圖4 傳統(tǒng)基站與綠色基站協(xié)作方案流程

在能夠智能感知綠色基站的能量狀態(tài)的條件下，根據(jù)能量狀態(tài)和業(yè)務(wù)量等實現(xiàn)綠色基站和傳統(tǒng)基站的協(xié)作。以載波和業(yè)務(wù)量為自變量、基站耗電量為因變量，建立基站設(shè)備的能耗模型如下[11]：

Y=B+α×C+β×T （1）

其中，Y為基站設(shè)備總能耗；B為無載波時耗電量；α為載波系數(shù)；β為業(yè)務(wù)量系數(shù)；C為載波數(shù)；T為業(yè)務(wù)量。

因此，可以得到傳統(tǒng)基站和綠色基站的基站剩余能量模型為：endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1為傳統(tǒng)基站剩余能量；R2為綠色基站剩余能量；E為基站總能量；G為采集到的綠色能源。

由此可知，基站能耗與業(yè)務(wù)量之間是線性關(guān)系。假設(shè)載波數(shù)不變，且在一定時間內(nèi)綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據(jù)式（1）、（2）和（3），利用MATLAB軟件進行仿真可得到圖5所示仿真曲線：

圖5 基站剩余能量與業(yè)務(wù)量的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著業(yè)務(wù)量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統(tǒng)基站而言，其剩余能量就越來越少。而綠色基站隨時都在采集綠色能源，因此當(dāng)業(yè)務(wù)量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當(dāng)業(yè)務(wù)量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業(yè)務(wù)需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統(tǒng)基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統(tǒng)基站升級為混合能源基站。

混合能源基站的供電狀態(tài)可分為三種：傳統(tǒng)能源供電、綠色能源供電、綠色能源和傳統(tǒng)能源一起供電。其影響因素主要包括：基站中存儲的綠色能源量、無線通信業(yè)務(wù)需求量、信道條件等。

當(dāng)基站中存儲的綠色能源足夠多時，基站僅使用綠色能源為基站供電就可以滿足通信業(yè)務(wù)需求；而當(dāng)基站存儲的綠色能源不足以保證服務(wù)質(zhì)量時，則使用傳統(tǒng)能源來供給不足，滿足通信需求；若由于天氣等原因，基站中存儲的綠色能源量幾乎為0時，就只能依靠傳統(tǒng)能源來供電。

4 結(jié)束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環(huán)境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節(jié)約資源、減少溫室氣體的排放，保護環(huán)境，更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。雖然目前已經(jīng)有了綠色能源采集的技術(shù)和設(shè)備，但是其在無線通信上的應(yīng)用并不廣泛，因此綠色基站技術(shù)作為當(dāng)前綠色通信的一個熱點問題，需要更進一步的探討。

參考文獻：

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[4] Schmitt G. The Green Base Station[A]. Telecommunication-Energy Special Conference（TELESCON）， 2009 4th International Conference on VDE[C]. 2009： 1-6.

[5] 孟一翔. 移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2012.

[6] 余愛民. 論綠色基站對我國通信行業(yè)影響[J]. 總裁， 2009（5）.

[7] 申玲鈺. 移動通信基站節(jié)能機制的研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2013.

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[9] Rost P， Fettweis G. 11 Green Communications in Cellular Networks with Fixed Relay Nodes[J]. Cooperative Cellular Wireless Networks， 2010： 300.

[10] Oh E， Son K， Krishnamachari B. Dynamic Base Station Switching-on/off Strategies for Green Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013，12（5）： 2126-2136.

[11] 帥農(nóng)村，鄭輯杰，辛冰，等. GSM移動通信基站能耗模型研究[J]. 移動通信， 2011（2）： 87-90.endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1為傳統(tǒng)基站剩余能量；R2為綠色基站剩余能量；E為基站總能量；G為采集到的綠色能源。

由此可知，基站能耗與業(yè)務(wù)量之間是線性關(guān)系。假設(shè)載波數(shù)不變，且在一定時間內(nèi)綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據(jù)式（1）、（2）和（3），利用MATLAB軟件進行仿真可得到圖5所示仿真曲線：

圖5 基站剩余能量與業(yè)務(wù)量的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著業(yè)務(wù)量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統(tǒng)基站而言，其剩余能量就越來越少。而綠色基站隨時都在采集綠色能源，因此當(dāng)業(yè)務(wù)量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當(dāng)業(yè)務(wù)量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業(yè)務(wù)需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統(tǒng)基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統(tǒng)基站升級為混合能源基站。

混合能源基站的供電狀態(tài)可分為三種：傳統(tǒng)能源供電、綠色能源供電、綠色能源和傳統(tǒng)能源一起供電。其影響因素主要包括：基站中存儲的綠色能源量、無線通信業(yè)務(wù)需求量、信道條件等。

當(dāng)基站中存儲的綠色能源足夠多時，基站僅使用綠色能源為基站供電就可以滿足通信業(yè)務(wù)需求；而當(dāng)基站存儲的綠色能源不足以保證服務(wù)質(zhì)量時，則使用傳統(tǒng)能源來供給不足，滿足通信需求；若由于天氣等原因，基站中存儲的綠色能源量幾乎為0時，就只能依靠傳統(tǒng)能源來供電。

4 結(jié)束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環(huán)境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節(jié)約資源、減少溫室氣體的排放，保護環(huán)境，更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。雖然目前已經(jīng)有了綠色能源采集的技術(shù)和設(shè)備，但是其在無線通信上的應(yīng)用并不廣泛，因此綠色基站技術(shù)作為當(dāng)前綠色通信的一個熱點問題，需要更進一步的探討。

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[11] 帥農(nóng)村，鄭輯杰，辛冰，等. GSM移動通信基站能耗模型研究[J]. 移動通信， 2011（2）： 87-90.endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1為傳統(tǒng)基站剩余能量；R2為綠色基站剩余能量；E為基站總能量；G為采集到的綠色能源。

由此可知，基站能耗與業(yè)務(wù)量之間是線性關(guān)系。假設(shè)載波數(shù)不變，且在一定時間內(nèi)綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據(jù)式（1）、（2）和（3），利用MATLAB軟件進行仿真可得到圖5所示仿真曲線：

圖5 基站剩余能量與業(yè)務(wù)量的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著業(yè)務(wù)量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統(tǒng)基站而言，其剩余能量就越來越少。而綠色基站隨時都在采集綠色能源，因此當(dāng)業(yè)務(wù)量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當(dāng)業(yè)務(wù)量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業(yè)務(wù)需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統(tǒng)基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統(tǒng)基站升級為混合能源基站。

混合能源基站的供電狀態(tài)可分為三種：傳統(tǒng)能源供電、綠色能源供電、綠色能源和傳統(tǒng)能源一起供電。其影響因素主要包括：基站中存儲的綠色能源量、無線通信業(yè)務(wù)需求量、信道條件等。

當(dāng)基站中存儲的綠色能源足夠多時，基站僅使用綠色能源為基站供電就可以滿足通信業(yè)務(wù)需求；而當(dāng)基站存儲的綠色能源不足以保證服務(wù)質(zhì)量時，則使用傳統(tǒng)能源來供給不足，滿足通信需求；若由于天氣等原因，基站中存儲的綠色能源量幾乎為0時，就只能依靠傳統(tǒng)能源來供電。

4 結(jié)束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環(huán)境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節(jié)約資源、減少溫室氣體的排放，保護環(huán)境，更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。雖然目前已經(jīng)有了綠色能源采集的技術(shù)和設(shè)備，但是其在無線通信上的應(yīng)用并不廣泛，因此綠色基站技術(shù)作為當(dāng)前綠色通信的一個熱點問題，需要更進一步的探討。

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