無(wú)線(xiàn)通信中的綠色自組織技術(shù)

摘要:針對(duì)未來(lái)通信系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題，文章介紹了具有自管理、自配置、自?xún)?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(cè)與感知、新型無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(dòng)態(tài)扇區(qū)、小區(qū)關(guān)斷方法，從而在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的條件下有效降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

關(guān)鍵字:節(jié)能；綠色自組織網(wǎng)絡(luò)；業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)與感知；資源分配；綠色協(xié)作

英文摘要: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).

英文關(guān)鍵字:energy saving; green SON; traffic forecast and sensing; intelligent resource allocation; green cooperation.

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(“973”)規(guī)劃(2009CB320404)；國(guó)家自然科學(xué)基金(60972048)

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今世界的主流理念，作為較高耗能的通信行業(yè)，加大節(jié)能減排力度、促進(jìn)“綠色”通信發(fā)展，將成為新時(shí)期通信行業(yè)與社會(huì)共同發(fā)展的利益結(jié)合點(diǎn)�？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著用戶(hù)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和業(yè)務(wù)量的迅猛增長(zhǎng)，通信行業(yè)的能耗仍將保持較快增速。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(lái)了新思路。

自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)是指自身能夠探測(cè)周?chē)�環(huán)境信息及其變化，并能夠由此做出自主決策的網(wǎng)絡(luò)。自組織網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等自動(dòng)配置、自動(dòng)優(yōu)化、自動(dòng)管理、自動(dòng)愈合等通信網(wǎng)絡(luò)功能。自組織網(wǎng)絡(luò)是在LTE網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化階段由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)提出的概念，其主要目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一些自主功能，減少人工參與，降低運(yùn)營(yíng)成本。下一代移動(dòng)通信網(wǎng)(NGMN)組織中的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)SON的部署有強(qiáng)烈的需求，紛紛開(kāi)展SON的研究，并發(fā)布了一系列有關(guān)SON的白皮書(shū)和建議書(shū)；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(tái)入手，研究SON對(duì)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(gè)技術(shù)專(zhuān)家組，分別進(jìn)行GSM和EDGE無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(GERAN)、無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(RAN)、業(yè)務(wù)與系統(tǒng)(SA)、核心網(wǎng)與終端(CT)的標(biāo)準(zhǔn)制訂和研究。其中3GPP SA5工作組的研究?jī)?nèi)容是與3G體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)發(fā)展保持同步，研究與之相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理框架和管理需求。2008年4月21—25日，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織SA5工作組在成都召開(kāi)會(huì)議，決定專(zhuān)門(mén)成立SON子工作組，討論SON相關(guān)議題(包括eNB自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)安裝、自動(dòng)配置、自動(dòng)優(yōu)化和自動(dòng)恢復(fù)等)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織RAN3工作組主要討論SON的相關(guān)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(huì)議前，主要對(duì)SON場(chǎng)景進(jìn)行描述，并定義了所需的交互進(jìn)程；68次會(huì)議后，3GPP組織將結(jié)束SON的R9版本的討論，啟動(dòng)R10版本。各大組織對(duì)SON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的大力推進(jìn)凸顯了其在未來(lái)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，3GPP SON標(biāo)準(zhǔn)化工作組除了專(zhuān)為節(jié)能定義的用例ES(Energy Saving)外，還定義了諸如移動(dòng)性負(fù)載均衡優(yōu)化(MLBO)、移動(dòng)魯棒性?xún)?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(dòng)均衡，可是具體實(shí)現(xiàn)中，調(diào)整MLB相關(guān)參數(shù)同樣會(huì)涉及MRO參數(shù)的調(diào)整。不難看出，負(fù)載的均衡同時(shí)也帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)整體能耗降低，因此對(duì)未來(lái)國(guó)際移動(dòng)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(duì)于運(yùn)營(yíng)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(guò)自組織方式，能夠有效改善系統(tǒng)性能。自組織技術(shù)是解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)管理及維護(hù)工作、有效支持異構(gòu)多網(wǎng)絡(luò)并存、提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、大幅降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本的一條有效途徑。自組織技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層面上的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，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(shí)，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(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，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(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的高效業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)技術(shù)

在新型無(wú)線(xiàn)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(dòng)態(tài)智能組網(wǎng)應(yīng)用，為了能夠以最小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(dòng)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(cè)圖。本文應(yīng)用各種預(yù)測(cè)方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。比如，針對(duì)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��；而居民區(qū)正好相反。對(duì)于這樣的業(yè)務(wù)“潮汐”特性，如果能根據(jù)一定時(shí)段內(nèi)的業(yè)務(wù)分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出未來(lái)某時(shí)段的業(yè)務(wù)分布，網(wǎng)絡(luò)便能夠預(yù)先調(diào)整，以最小能耗為原則，給出最佳組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

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

2.2 基于業(yè)務(wù)的資源流動(dòng)性管理技術(shù)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，系統(tǒng)的時(shí)間、頻率、空間等資源越來(lái)越豐富，使得網(wǎng)絡(luò)資源的管理越發(fā)重要。為了建立綠色低碳的新一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商必須向管理要效益，以管理降能耗。從資源場(chǎng)的概念出發(fā)，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的資源在業(yè)務(wù)需求的驅(qū)動(dòng)下形成合理的資源流動(dòng)策略，呈現(xiàn)以業(yè)務(wù)為核心的按需分布，形成一種可管可控的資源場(chǎng)，滿(mǎn)足人們對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源“按需使用”的需求。如圖2、圖3所示，運(yùn)營(yíng)商可通過(guò)一定的方法預(yù)測(cè)出網(wǎng)絡(luò)將來(lái)一段時(shí)間的情況，并根據(jù)預(yù)測(cè)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[3]。