基于綠色基站的節能方案探討

龔霞+魏翼飛+宋梅+常琳

在無線通信系統中，基站為主要能耗部件，研究基站節能技術成為了無線通信網絡節能的首要目標。首先簡要介紹了綠色基站采用的相關技術，并分析其特點；然后總結了現有基站節能的主要思想和熱點問題；最后對基于綠色基站的節能方案進行探討，提出了綠色基站規劃問題、綠色基站對用戶的分流策略、綠色基站與傳統基站的協作方案、混合能源基站的能源管理技術，為綠色基站在節能技術中的應用奠定了一定的理論基礎。

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

在無線蜂窩網絡中，基站能耗占通信網絡總能耗的75%[1]。同時，由于近兩年移動終端設備的發展及各種社交網絡的盛行，使得移動通信業務量急速增長，2012年基站的數量幾乎增加了一倍[2]。圖1顯示了移動通信中各模塊的耗能比例。

由圖1可知，蜂窩網絡中超過一半的能耗都來自于基站，這就使得基站節能在通信領域的節能減排中具有重大的實際意義?，F有的基站節能技術主要有以下兩類：

（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，結合自然環境的約束，利用可再生能源為基站供電。

（2）基站節能：按無線通信網絡的層次可分為設備級節能和網絡級節能。設備級節能是指從基站本身考慮，通過采用先進的設備或對基站的部件進行功率管理來減少基站的能量消耗；網絡級節能主要包括基站休眠機制、小區縮放技術和自組網技術等。

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能技術[3]；而狹義的綠色基站是指利用可再生能源（如風能、太陽能等）為基站供電的基站，從而減小傳統基站能耗[4]。本文中的綠色基站均指綠色能源基站。

2 綠色基站及基站節能機制

隨著基站節能技術的發展，基站本身的功耗大大降低，從而使得利用可再生能源代替傳統能源為基站供電成為可能。2010年，國資委把運營商從節能減排關注類企業調整為節能減排重點類企業[5]。在低碳社會和新能源的驅使下，我國正大力發展新能源經濟，努力實現經濟可持續發展。

2.1 綠色基站

利用綠色能源的思想很早以前就被提出，并得到了很好的應用，如太陽能熱水器、風力發電機等。如今隨著溫室效應的加劇，使得全球氣候變暖，因此無論是在工業生產領域還是學術研究領域，都具有重要的研究價值和實踐意義。

基站節能技術也成為中國通信行業一個迫切需要解決的問題，運營商和科研人員都對基站節能提出了很多解決方案，同時設備商也在基站節能上加大了投資和研發力度[6]。且綠色基站的性能受到了自然環境的約束，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性。目前對綠色基站技術研究的熱點問題主要包括以下方面：

（1）綠色基站選址：在現有的傳統固定基站的基礎上，綠色基站的選址應該綜合考慮在保證無線通信服務質量的基礎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：通過改進采集設備和增加采集裝置的數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，應根據實際情況決定采集裝置的數量。

（3）綠色基站和傳統基站的協作：結合傳統基站間的協作機制，考慮到綠色能源分布和業務量，建立綠色基站和傳統基站的協作機制，主要包括傳統基站休眠機制和功率調整機制。

（4）混合能源基站：混合能源基站可由傳統能源和綠色能源供電。當綠色能源充足時，只由綠色基站供電；而當綠色能源不足時，可以使傳統能源和綠色能源同時為基站供電。針對綠色能源分布和業務量，設計混合能源基站的能源分配策略。

2.2 基站節能方案

據研究，基站的能耗主要來自于功率放大器、空調設備、信號處理設備和供電設備，如圖2所示：

圖2 基站節能機制

基站節能主要包括以下方面[7]：

（1）硬件節能：從基站本身考慮基站的節能技術，由圖2可知基站中功耗最大的是功率放大器，其次是空調設備?？梢酝ㄟ^改進設備來提高設備效率；對基站部件進行功率管理，并對基站中各部件實現休眠或低功耗模式來降低能量消耗。

（2）基站多點協作技術：即COMP技術?；鹃g通過一些算法協議實現動態的功率調整，智能地實現小區縮放，從而節約基站能量，提高能量利用率；自組織網絡技術利用網絡拓撲控制的思想，對網絡進行重構建，使得網絡總能耗最小。

（3）綠色能源：主要利用新能源來供電，如太陽能、風能、氫燃料電池等。

（4）綜合節能：包括很多方面，如智能載波調整技術、電源管理、減少基站數目、優化基站架構等，實現基站節能。智能載波調整是指根據白天和晚上業務量分布的不同動態調整基站輸出的載波數，適時關閉非工作載波，減小能量開銷。

3 基于綠色基站的節能方案探討

3.1 綠色基站規劃

在保證用戶服務質量的基礎上，綜合考慮綠色能源分布、用戶業務量和現有的傳統基站位置等設計綠色基站的部署方案。節約傳統基站的能耗，提高綠色能源的利用率。

（1）綠色宏基站規劃：宏基站發射功率高，覆蓋范圍廣。由于通信網絡中存在著潮汐效應以及綠色能源不穩定等問題，綜合考慮綠色能源分布情況和業務量部署綠色基站，使得全網指標最優。

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

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

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，通過智能感知技術實時評估綠色基站電池的能量狀態，當綠色基站能級較高時，其可承載的用戶數量增大。下面介紹兩種可行方案：

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

（2）提高用戶接入綠色基站網絡的優先級：用戶能夠智能感知綠色基站的能量狀態，當綠色基站存儲的能量較多時，用戶更偏向接入綠色基站網絡。因此，基于綠色基站的能量狀態和用戶與基站的距離設計一種接入策略。

綜合考慮用戶的移動速度和用戶接入基站的優先級，設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基站的優先級由綠色基站的能量狀態及小區業務量共同決定。

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 綠色基站與傳統基站協作

基站節能的方式有很多種，例如：硬件節能（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度[8-9]）、基站休眠（如動態基站休眠機制[10]使得網絡能耗最?。?、小區縮放（基站功率控制）等。將綠色基站應用于無線通信系統，設計綠色基站和傳統基站的協作機制，從而降低傳統能耗，提高綠色能量利用率。協作方式主要有以下兩種：

（1）傳統基站和綠色基站的小區縮放機制：在保證網絡服務質量的基礎上，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。當綠色基站能量較多時，增加其發射功率，擴大其覆蓋面積，相應地減小相鄰傳統基站的發射功率，以達到節能效果。

（2）傳統基站和綠色基站的休眠機制：當通信業務量較少且綠色基站能量較多時，在保證通信業務的條件下可以關閉相鄰的傳統基站，以減小能耗。

綜合考慮傳統基站業務量和綠色基站能量狀態，根據小區休眠機制，實現傳統基站與綠色基站的協作，如圖4所示：

圖4 傳統基站與綠色基站協作方案流程

在能夠智能感知綠色基站的能量狀態的條件下，根據能量狀態和業務量等實現綠色基站和傳統基站的協作。以載波和業務量為自變量、基站耗電量為因變量，建立基站設備的能耗模型如下[11]：

Y=B+α×C+β×T （1）

其中，Y為基站設備總能耗；B為無載波時耗電量；α為載波系數；β為業務量系數；C為載波數；T為業務量。

因此，可以得到傳統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，基站能耗與業務量之間是線性關系。假設載波數不變，且在一定時間內綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據式（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 基站剩余能量與業務量的關系曲線

由圖5可知，隨著業務量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統基站而言，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，因此當業務量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當業務量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業務需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統基站升級為混合能源基站。

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

當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務需求；而當基站存儲的綠色能源不足以保證服務質量時，則使用傳統能源來供給不足，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，就只能依靠傳統能源來供電。

4 結束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節約資源、減少溫室氣體的排放，保護環境，更好地實現可持續發展。雖然目前已經有了綠色能源采集的技術和設備，但是其在無線通信上的應用并不廣泛，因此綠色基站技術作為當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：

[1] Han T， Ansari N. On Optimizing Green Energy Utilization for Cellular Networks with Hybrid Energy Supplies[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013，12（8）： 3872-3882.

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[5] 孟一翔. 移動通信基站節能減排技術研究[D]. 上海： 上海交通大學， 2012.

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

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[11] 帥農村，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，基站能耗與業務量之間是線性關系。假設載波數不變，且在一定時間內綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據式（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 基站剩余能量與業務量的關系曲線

由圖5可知，隨著業務量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統基站而言，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，因此當業務量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當業務量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業務需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統基站升級為混合能源基站。

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

當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務需求；而當基站存儲的綠色能源不足以保證服務質量時，則使用傳統能源來供給不足，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，就只能依靠傳統能源來供電。

4 結束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節約資源、減少溫室氣體的排放，保護環境，更好地實現可持續發展。雖然目前已經有了綠色能源采集的技術和設備，但是其在無線通信上的應用并不廣泛，因此綠色基站技術作為當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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R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1為傳統基站剩余能量；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，基站能耗與業務量之間是線性關系。假設載波數不變，且在一定時間內綠色基站單位時間采集到的能量值保持不變，根據式（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 基站剩余能量與業務量的關系曲線

由圖5可知，隨著業務量的增加，基站消耗的能量會越多，對于傳統基站而言，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，因此當業務量很少時，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量會增加；當業務量達到一定值后，采集到的能量不能滿足基站業務需求，因此基站的剩余能量會減小。

3.4 混合能源基站

在傳統基站中增加綠色能源采集裝置，將傳統基站升級為混合能源基站。

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

當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務需求；而當基站存儲的綠色能源不足以保證服務質量時，則使用傳統能源來供給不足，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，就只能依靠傳統能源來供電。

4 結束語

綠色能源為綠色通信帶來了新的生機，在面臨全球環境惡化、資源短缺的情況下，有效地利用綠色能源能夠節約資源、減少溫室氣體的排放，保護環境，更好地實現可持續發展。雖然目前已經有了綠色能源采集的技術和設備，但是其在無線通信上的應用并不廣泛，因此綠色基站技術作為當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