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无线通信中的绿色自组织技术

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摘要:针对未来通信系统的节能问题，文章介绍了具有自管理、自配置、自优化以及自愈能力的绿色自组织网络及其相应的关键支撑技术，如融合网络架构下的业务预测与感知、新型无线网络架构下的智能资源分配、异构网络间的绿色协作和动态智能组网等。在此基础上文章提出了一种联合考虑能耗及负载均衡的动态扇区、小区关断方法，从而在保证用户服务质量的条件下有效降低网络的能量消耗。

关键字:节能；绿色自组织网络；业务预测与感知；资源分配；绿色协作

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).

英文关键字:energy saving; green SON; traffic forecast and sensing; intelligent resource allocation; green cooperation.

基金项目：国家重点基础研究发展("973")规划(2009CB320404)；国家自然科学基金(60972048)

节能环保是当今世界的主流理念，作为较高耗能的通信行业，加大节能减排力度、促进"绿色"通信发展，将成为新时期通信行业与社会共同发展的利益结合点。可以预见，随着用户规模的进一步扩大和业务量的迅猛增长，通信行业的能耗仍将保持较快增速。通信行业节能减排的压力巨大，因此迫切需要研究高效的节能方法，这是突破蜂窝网络节能"瓶颈"的关键。自组织技术的引入给节能减排带来了新思路。

自组织网络(SON)是指自身能够探测周围环境信息及其变化，并能够由此做出自主决策的网络。自组织网络具有对网络参数等自动配置、自动优化、自动管理、自动愈合等通信网络功能。自组织网络是在LTE网络标准化阶段由移动运营商主导提出的概念，其主要目的是实现无线网络的一些自主功能，减少人工参与，降低运营成本。下一代移动通信网(NGMN)组织中的移动运营商对SON的部署有强烈的需求，纷纷开展SON的研究，并发布了一系列有关SON的白皮书和建议书；3GPP也在重点研究SON与当前电信管理网络的实现方案；欧洲从SON的技术方案、实现方法及验证平台入手，研究SON对网络运维产生的影响。

为推进SON标准化工作，3GPP设置了4个技术专家组，分别进行GSM和EDGE无线接入网(GERAN)、无线接入网(RAN)、业务与系统(SA)、核心网与终端(CT)的标准制订和研究。其中3GPP SA5工作组的研究内容是与3G体系架构和网络设备技术发展保持同步，研究与之相适应的网络管理框架和管理需求。2008年4月21—25日，3GPP标准组织SA5工作组在成都召开会议，决定专门成立SON子工作组，讨论SON相关议题(包括eNB自动发现、自动安装、自动配置、自动优化和自动恢复等)。3GPP标准组织RAN3工作组主要讨论SON的相关用例需求和解决方案，定义X2/S1接口部分[1]。在3GPP RAN3工作组68次会议前，主要对SON场景进行描述，并定义了所需的交互进程；68次会议后，3GPP组织将结束SON的R9版本的讨论，启动R10版本。各大组织对SON技术和标准化的大力推进凸显了其在未来通信系统中扮演的重要角色。

1 自组织网络的"绿色"特质

关于节能方面，3GPP SON标准化工作组除了专为节能定义的用例ES(Energy Saving)外，还定义了诸如移动性负载均衡优化(MLBO)、移动鲁棒性优化(MRO)和区间干扰协调(ICIC)等其他8种SON用例[2]。这些用例间存在着种种参数互操作关系，比如MLB的目的是为了实现小区间负载的自动均衡，可是具体实现中，调整MLB相关参数同样会涉及MRO参数的调整。不难看出，负载的均衡同时也带来了网络整体能耗降低，因此对未来国际移动通信(IMT-Advanced)系统利用SON实现节能方面的研究要着眼整体，不能局限于ES单一用例。

对于运营商而言，通常17％的基本建设费用及24％的维护费用将花费在系统工程安装、维护、管理、能耗等方面。通过自组织方式，能够有效改善系统性能。自组织技术是解决未来网络管理及维护工作、有效支持异构多网络并存、提高网络服务质量、大幅降低网络维护成本的一条有效途径。自组织技术在网络层面上的优势显而易见，首先其提高了资源利用率，为资源的更合理调度提供了途径；其次，可以提供更为灵活的组网方式，使网络形式可按需呈现；同时，其分布式管理的特点，又为网络提供了一种自愈的能力，使网络的可靠性更强。毋庸置疑，SON化和全融合化是未来通信网络发展的必然趋势，而且SON是各种网络全融合的前提和基础。只有智能地实现各种网络的自组织、协作服务，网络融合才有意义，才能更大程度地减少网络的人工操作或管理工作。自组织网络不仅大大减轻了人力资源，而且也为网络节能提供了基础架构，因此自组织技术具有"绿色"的特质。

2 绿色无线自组织网络的关键技术

2.1 新型无线网络架构下的高效业务预测技术

在新型无线网络架构下，极丰富的业务应用是网络的重要特点之一。结合SON架构下的动态智能组网应用，为了能够以最小的能量消耗给不同的业务提供高质量的服务，必须很好地掌握各种业务的动态特性，从而为之分配更加合理的资源。

图1所示为网络业务分布的预测图。本文应用各种预测方法对网络业务分布进行预测，并根据预测结果动态组网。比如，针对城区环境，白天办公区域业务需求很大，晚上则很小；而居民区正好相反。对于这样的业务"潮汐"特性，如果能根据一定时段内的业务分布统计结果准确地预测出未来某时段的业务分布，网络便能够预先调整，以最小能耗为原则，给出最佳组网方式，实现节能。

网络环境的变化和用户的行为是影响业务预测的重要因素，直接关系到业务预测的精度。可采用基于环境感知的业务和用户行为联合预测方法，使用户行为和业务预测形成闭环，进而提高相应的预测精度。

2.2 基于业务的资源流动性管理技术

新型网络架构下，系统的时间、频率、空间等资源越来越丰富，使得网络资源的管理越发重要。为了建立绿色低碳的新一代无线网络，运营商必须向管理要效益，以管理降能耗。从资源场的概念出发，运营商应使无线网络中的资源在业务需求的驱动下形成合理的资源流动策略，呈现以业务为核心的按需分布，形成一种可管可控的资源场，满足人们对无线网络资源"按需使用"的需求。如图2、图3所示，运营商可通过一定的方法预测出网络将来一段时间的情况，并根据预测出的网络情况进行资源预留，使资源分配更加合理，提高系统资源利用率，增加网络的容量，进而间接地降低能量消耗[3]。