多載波移動通信系統(tǒng)中的基站節(jié)能研究

浦靈敏，張 健

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 太倉 215411；2.上海無線通信研究中心 上海 201210）

UMTS、LTE、LTE-Advanced等蜂窩通信系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能已經(jīng)成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1-3]?；竟?jié)能技術(shù)的目標(biāo)是在保證網(wǎng)絡(luò)性能及用戶體驗(yàn)不受影響的情況下盡量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量二者之間的匹配，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能和降低運(yùn)營商OPEX的目的[4]。

為了提高HSPA系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速率以及用戶吞吐量，3GPP在Rel-8/Rel-10分別引入了2載波和4載波HSDPA技術(shù)[5]。在LTE-Advanced系統(tǒng)等未來蜂窩通信系統(tǒng)中，多載波聚合（CA，Carrier aggregation）技術(shù)也已成為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量和靈活使用頻譜的有效技術(shù)，支持將2個及以上的載波 （CC，Component Carrier）聚合使用以達(dá)到更高的空口帶寬，籍此獲得更高的比特速率和業(yè)務(wù)容量[6]。文中提出了基于接力載波的基站節(jié)能方案，利用OAM配置方式和基站外部接口協(xié)商兩種方案生成接力載波集。在定義的節(jié)能應(yīng)用場景中，運(yùn)用接力載波集協(xié)調(diào)和實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償基站的補(bǔ)償行為以及節(jié)能站點(diǎn)的載波關(guān)閉行為，實(shí)現(xiàn)了基站節(jié)能目的。

1 應(yīng)用場景

由此產(chǎn)生的一種節(jié)能應(yīng)用場景，如圖1所示，對于支持多載波的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)業(yè)務(wù)流量高時網(wǎng)絡(luò)里的每個載波在每個扇區(qū)上都處于正常工作模式；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量低時可以關(guān)閉部分基站的所有載波，這部分基站對應(yīng)的覆蓋和容量可以通過調(diào)整另外一些基站的載波覆蓋來進(jìn)行補(bǔ)償，比如增大這些載波的天線發(fā)射功率、調(diào)整天線下傾角和方位角等。

圖1中低負(fù)荷的覆蓋情況1與情況2的區(qū)別在于補(bǔ)償基站的補(bǔ)償載波個數(shù)，情況1只在載波1上進(jìn)行補(bǔ)償，情況2在兩個載波上都進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1 負(fù)荷覆蓋場景示意圖Fig.1 The scene of load coverage

對上述場景如何協(xié)調(diào)和實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償基站的補(bǔ)償行為以及節(jié)能站點(diǎn)的載波關(guān)閉行為，是目前需要解決的問題。如果節(jié)能站點(diǎn)在獲得補(bǔ)償前關(guān)閉載波，那么會造成原有用戶的掉話，影響用戶體驗(yàn)；反之，如果補(bǔ)償基站提前對節(jié)能基站進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑?，那么用戶受到的下行干擾將大大增加，同樣會造成掉話等影響用戶體驗(yàn)的后果。

針對上述場景，本文提出了通過統(tǒng)一配置或基站間協(xié)商的方式來確定節(jié)能基站及補(bǔ)償基站的載波使用原則，從而實(shí)現(xiàn)在不影響用戶體驗(yàn)的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。

文中對應(yīng)用場景的約束：節(jié)能域至少存在2個載波；補(bǔ)償域的載波集與節(jié)能域的載波集之間存在非空交集Ccommon。如圖2所示。

圖2 節(jié)能場景的概念示意圖Fig.2 Schematic diagram of the concept of energy-saving scene

圖2中，cell1到cell14這14個小區(qū)為小區(qū)補(bǔ)償組，即可以實(shí)施相同補(bǔ)償節(jié)能策略的多小區(qū)集合，里面包括可以實(shí)施補(bǔ)償?shù)男^(qū)和被補(bǔ)償?shù)男^(qū)。其中，cell1和cell2為補(bǔ)償小區(qū)，可以對節(jié)能小區(qū)實(shí)施補(bǔ)償?shù)男^(qū)；cell3到cell14 12個小區(qū)為節(jié)能小區(qū)，可以被補(bǔ)償小區(qū)所補(bǔ)償?shù)男^(qū)。而圖中深色區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)償域，所有補(bǔ)償小區(qū)覆蓋的地理區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)償域；斜線部分為節(jié)能域，所有節(jié)能小區(qū)覆蓋的地理區(qū)域?yàn)楣?jié)能域。

2 基于接力載波的節(jié)能方案

文中將基于inter-eNB場景描述節(jié)能方案，對于inter-RNC或 eNB-RNC的場景，由于原理和機(jī)制相同，在這里不再單獨(dú)描述。在下述描述中，假設(shè)eNB1和eNB2分別表示補(bǔ)償小區(qū)的控制基站和節(jié)能小區(qū)的控制基站。

2.1 接力載波集的生成

定義并生成一個非空的接力載波集合Cr，接力載波是指可以完成補(bǔ)償域與節(jié)能域之間覆蓋交替的載波，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償小區(qū)與節(jié)能小區(qū)之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移；這樣的載波組成的集合我們稱之為接力載波集合。接力載波集Cr應(yīng)滿足如下兩個基本特征：Cr?Ccommon；在節(jié)能域里，關(guān)閉Cr里的所有載波不能使得節(jié)能域出現(xiàn)覆蓋空白，即不能使節(jié)能域出現(xiàn)coverage hole；接力載波集Cr的生成可以通過OAM配置方式也可以通過基站外部接口協(xié)商生成。利用這一思路進(jìn)行節(jié)能，接力載波集Cr有兩種生成方案。

2.1.1 方案1

接力載波子集的數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)如表1所示，而FDD載波信息/TDD載波信息的具體結(jié)構(gòu)定義參見表2、表3。

表1 小區(qū)補(bǔ)償組的接力載波集信息結(jié)構(gòu)表Tab.1 Inform ation structure diagram of the relay carrier cell com pensation set

表2 FDD載波信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab.2 Structure diagram of FDD carrier?of inform ation

表3 TDD載波信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab.3 Structure diagram of the TDD carrier?inform ationdata

接力載波集Cr基于小區(qū)補(bǔ)償組要滿足以上描述的基本原則；Cr變化后，可選支持由補(bǔ)償小區(qū)所在的基站通過X2接口的ENB CONFIGURATION UPDATE過程向相關(guān)節(jié)能小區(qū)所在的eNB進(jìn)行通知更新。

2.1.2 方案

通過X2接口自學(xué)習(xí)的方式生成接力載波集Cr；具體方法如圖3所示。

1）eNB1通過已有的X2接口獲得所有節(jié)能小區(qū)的載波集{CC1，CC2，CC3，CC4，CC5}（如通過 X2 SETUP 過程）；

圖3 節(jié)能域的多載波示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi carrier energy domain

2）eNB1運(yùn)算得到自身補(bǔ)償小區(qū)與補(bǔ)償組里所有節(jié)能小區(qū)的載波交集 Ccommon＝{CC1，CC3，CC4}；

3）在整個補(bǔ)償組上，按載波負(fù)載從輕到重排列Ccommon為{CC3，CC1，CC4}，其中CC3和CC1滿足上述負(fù)載和補(bǔ)償能力規(guī)則，則eNB1可以生成針對該補(bǔ)償組的接力載波集合Cr＝{CC1，CC3}。eNB1在 Ccommon集合里挑選載波組成接力載波集Cr，除了滿足以上描述的原則外，在協(xié)商中也可以使用如下的規(guī)則。

①優(yōu)先選擇負(fù)載輕的載波；負(fù)載的衡量是基于整個補(bǔ)償組，載波的負(fù)載就是該載波對應(yīng)的所有小區(qū)的負(fù)載總和。

②在節(jié)能域，Cr里的載波對應(yīng)的每個節(jié)能小區(qū)，其當(dāng)前負(fù)載要小于對應(yīng)覆蓋的非Cr載波小區(qū)的剩余容量。

③對于補(bǔ)償域，Cr里的載波對應(yīng)的每個補(bǔ)償小區(qū)在RF調(diào)整后的剩余容量之和要大于整個節(jié)能域的負(fù)載總量。

2.2 基于接力載波集的節(jié)能方法

在eNB間X2接口上或RNC間Iur接口上或RNC與eNB間 inte-RAT接口上傳遞接力載波集Cr，即Cr所包含的具體載波描述信息，包括但不限于每個載波的FDD載波信息（對于FDD制式）或TDD載波信息（對于TDD制式）。假設(shè)補(bǔ)償?shù)臈l件已經(jīng)具備的條件下，那實(shí)施方式可結(jié)合圖4和圖5實(shí)現(xiàn)，具體過程如下：

1）eNB1向eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)發(fā)送小區(qū)補(bǔ)償準(zhǔn)備請求，消息內(nèi)容包括Cr。

2）eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)關(guān)閉Cr載波所對應(yīng)的小區(qū)（關(guān)閉之前應(yīng)該先進(jìn)行負(fù)載的遷移切換，切換原因?yàn)椤癝witch Off Ongoing”[注1]，關(guān)閉后可以通過X2接口的基站配置更新流程向eNB1指示小區(qū)狀態(tài)變化），并向eNB1返回成功的小區(qū)補(bǔ)償準(zhǔn)備響應(yīng)；如果存在UE不能成功遷移的節(jié)能小區(qū)，則這些節(jié)能小區(qū)對應(yīng)的載波不能關(guān)閉，Cr存在問題，所以應(yīng)該返回失敗的小區(qū)補(bǔ)償準(zhǔn)備響應(yīng)消息，并終止流程。

3）eNB1收到eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)的成功響應(yīng)后，調(diào)整自身的RF參數(shù)如發(fā)射功率、天線的下傾角和方位角等；實(shí)現(xiàn)在Cr的載波上對節(jié)能域的覆蓋。

4）下面分兩種處理方式，①和②選擇其一：

①eNB1向eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)發(fā)送小區(qū)補(bǔ)償請求消息，觸發(fā)eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)發(fā)起UE從剩余節(jié)能小區(qū)到新補(bǔ)償小區(qū)的切換流程，流程跳轉(zhuǎn)到下面第5步。

②eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)也可以通過UE測量報(bào)告來感知Cr載波的補(bǔ)償情況，并由此觸發(fā)UE切換流程；流程跳轉(zhuǎn)到下面第6）步。

5）eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)向eNB1返回小區(qū)補(bǔ)償響應(yīng)消息。

圖4 基于多載波的小區(qū)補(bǔ)償流程圖Fig.4 Multi carrier cell based on the compensation of flow chart

圖5 基于多載波的小區(qū)節(jié)能補(bǔ)償原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of cell energy compensation principle based on multi carrier

6）eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)開始啟動UE切換流程，切換原因?yàn)?“Switch Off Ongoing”（ 該切換原因?yàn)?3GPP Rel-9新增的原因碼，表示小區(qū)后續(xù)會實(shí)施關(guān)閉行為）；在成功實(shí)施負(fù)載切換后對所有剩余節(jié)能小區(qū)實(shí)施關(guān)閉；如果存在UE不能成功切換的節(jié)能小區(qū)，則這些節(jié)能小區(qū)不能實(shí)施關(guān)閉。

7）eNB2在內(nèi)所有節(jié)能節(jié)點(diǎn)通過X2接口的ENB CONFI GURATION UPDATE過程向eNB1指示小區(qū)已經(jīng)關(guān)閉；

8）eNB1根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的實(shí)際情況判斷是否需要進(jìn)一步在（Ccommon-Cr）的載波上也實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，若需要則繼續(xù)在這些載波上調(diào)整RF參數(shù)。（注：前提為Cr是Ccommon的真子集，且所有Ccommon里的載波所對應(yīng)的節(jié)能小區(qū)都已關(guān)閉）。

3 結(jié) 論

本文基于LTE-Advanced系統(tǒng)等未來蜂窩通信系統(tǒng)中的多載波聚合場景，提出了一種節(jié)能方案。通過確定節(jié)能基站及補(bǔ)償基站的載波使用原則，提出了基于接力載波集的節(jié)能實(shí)現(xiàn)方法，并給出了其具體的實(shí)現(xiàn)方法，從而實(shí)現(xiàn)在不影響用戶體驗(yàn)的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。

[1]3GPP TR 25.913 V80.0.Requirements for Evolved UTRA（E-UTRA） and Evolved UTRAN （E-IJTRAN）[S].2008.

[2]YUAN Guang-xiang，ZHANG Xia，WNAG Wen-bo.Carrier Aggregation for LTE-advanced Mobile Communicationz[J].IEEE Communication Magazine，2010，48:88-93.

[3]3GPP R1-084424.Motorola.Control Channel Design Issues for Carrier Aggregation in LTE-A[C]//3GPPTSG RAN WGI Meeting#55，2008.

[4]張高記，呂建東，陳文學(xué).通信基站節(jié)能減排評估指標(biāo)及評估方法研究[J].電信科學(xué)，2011（3）:101-105.ZHANG Gao-ji，LU Jian-dong，CHEN Wen-xue.Research on the assessing method and index of Communication base station energy-saving emission reduction[J].Telecommunications Science.2011（3）:101-105.

[5]任浩.多載波HSPA技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[6]3GPP R4-111676.Nokia Simens Networks， NTT DoCoMo，Huawei et all.Further agreements on the CA simulation assumptions[R].3GPP TSG RAN WG4 Meeting#58，F(xiàn)eb.2011.