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.

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展(“973”)規(guī)劃(2009CB320404)；國家自然科學(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“綠色”通信發(fā)展，將成為新時期通信行業(yè)與社會共同發(fā)展的利益結(jié)合點?？梢灶A(yù)見，隨著用戶規(guī)模的進一步擴大和業(yè)務(wù)量的迅猛增長，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)能減排帶來了新思路。

自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)是指自身能夠探測周圍環(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)具有對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等自動配置、自動優(yōu)化、自動管理、自動愈合等通信網(wǎng)絡(luò)功能。自組織網(wǎng)絡(luò)是在LTE網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化階段由移動運營商主導(dǎo)提出的概念，其主要目的是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的一些自主功能，減少人工參與，降低運營成本。下一代移動通信網(wǎng)(NGMN)組織中的移動運營商對SON的部署有強烈的需求，紛紛開展SON的研究，并發(fā)布了一系列有關(guān)SON的白皮書和建議書；3GPP也在重點研究SON與當(dāng)前電信管理網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案；歐洲從SON的技術(shù)方案、實現(xiàn)方法及驗證平臺入手，研究SON對網(wǎng)絡(luò)運維產(chǎn)生的影響。

為推進SON標(biāo)準(zhǔn)化工作，3GPP設(shè)置了4個技術(shù)專家組，分別進行GSM和EDGE無線接入網(wǎng)(GERAN)、無線接入網(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工作組的研究內(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工作組在成都召開會議，決定專門成立SON子工作組，討論SON相關(guān)議題(包括eNB自動發(fā)現(xiàn)、自動安裝、自動配置、自動優(yōu)化和自動恢復(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次會議前，主要對SON場景進行描述，并定義了所需的交互進程；68次會議后，3GPP組織將結(jié)束SON的R9版本的討論，啟動R10版本。各大組織對SON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的大力推進凸顯了其在未來通信系統(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)化工作組除了專為節(jié)能定義的用例ES(Energy Saving)外，還定義了諸如移動性負載均衡優(yōu)化(MLBO)、移動魯棒性優(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的目的是為了實現(xiàn)小區(qū)間負載的自動均衡，可是具體實現(xiàn)中，調(diào)整MLB相關(guān)參數(shù)同樣會涉及MRO參數(shù)的調(diào)整。不難看出，負載的均衡同時也帶來了網(wǎng)絡(luò)整體能耗降低，因此對未來國際移動通信(IMT-Advanced)系統(tǒng)利用SON實現(xiàn)節(jié)能方面的研究要著眼整體，不能局限于ES單一用例。

對于運營商而言，通常17％的基本建設(shè)費用及24％的維護費用將花費在系統(tǒng)工程安裝、維護、管理、能耗等方面。通過自組織方式，能夠有效改善系統(tǒng)性能。自組織技術(shù)是解決未來網(wǎng)絡(luò)管理及維護工作、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)勢顯而易見，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，其分布式管理的特點，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。毋庸置疑，SON化和全融合化是未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，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 綠色無線自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的高效業(yè)務(wù)預(yù)測技術(shù)

在新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，極豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)的重要特點之一。結(jié)合SON架構(gòu)下的動態(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)測圖。本文應(yīng)用各種預(yù)測方法對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布進行預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果動態(tài)組網(wǎng)。比如，針對城區(qū)環(huán)境，白天辦公區(qū)域業(yè)務(wù)需求很大，晚上則很小；而居民區(qū)正好相反。對于這樣的業(yè)務(wù)“潮汐”特性，如果能根據(jù)一定時段內(nèi)的業(yè)務(wù)分布統(tǒng)計結(jié)果準(zhǔn)確地預(yù)測出未來某時段的業(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，實現(xiàn)節(jié)能。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化和用戶的行為是影響業(yè)務(wù)預(yù)測的重要因素，直接關(guān)系到業(yè)務(wù)預(yù)測的精度?？刹捎没诃h(huán)境感知的業(yè)務(wù)和用戶行為聯(lián)合預(yù)測方法，使用戶行為和業(yè)務(wù)預(yù)測形成閉環(huán)，進而提高相應(yīng)的預(yù)測精度。

2.2 基于業(yè)務(wù)的資源流動性管理技術(shù)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，系統(tǒng)的時間、頻率、空間等資源越來越豐富，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線網(wǎng)絡(luò)，運營商必須向管理要效益，以管理降能耗。從資源場的概念出發(fā)，運營商應(yīng)使無線網(wǎng)絡(luò)中的資源在業(yè)務(wù)需求的驅(qū)動下形成合理的資源流動策略，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，滿足人們對無線網(wǎng)絡(luò)資源“按需使用”的需求。如圖2、圖3所示，運營商可通過一定的方法預(yù)測出網(wǎng)絡(luò)將來一段時間的情況，并根據(jù)預(yù)測出的網(wǎng)絡(luò)情況進行資源預(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，進而間接地降低能量消耗[3]。

2.3 異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中的綠色協(xié)作技術(shù)

基于對未來全融合化網(wǎng)絡(luò)的暢想，各種異構(gòu)形式的接入網(wǎng)絡(luò)資源可被看作一個整體資源環(huán)境提供給用戶，從而對各種用戶需求屏蔽具體的接入網(wǎng)絡(luò)形式，使得各種類型的接入網(wǎng)絡(luò)真正成為用戶所共享的資源。我們可通過資源感知和控制層的設(shè)計，為各種高層協(xié)議(如網(wǎng)絡(luò)層)提供統(tǒng)一的接口，達到屏蔽不同無線接入技術(shù)差異的目的。當(dāng)然，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作服務(wù)，沒有SON這一交互平臺是不行的。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)綠色協(xié)作優(yōu)化模型中，業(yè)務(wù)在不同的接入網(wǎng)絡(luò)得到同時承載。網(wǎng)絡(luò)通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作，從而降低整個融合網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。另外，為了提高網(wǎng)絡(luò)綠色融合策略對環(huán)境的適應(yīng)性，降低策略生成過程的復(fù)雜度，提高終端業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的快速反應(yīng)能力，提高網(wǎng)絡(luò)融合的能效，系統(tǒng)必須引入網(wǎng)絡(luò)融合策略庫的概念。當(dāng)需要進行網(wǎng)絡(luò)融合時，從策略庫中選擇合適的策略，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及業(yè)務(wù)需求，修改策略的部分權(quán)值，即可生成網(wǎng)絡(luò)融合方案。策略庫與各層協(xié)議之間的關(guān)系如圖4所示。為了適應(yīng)感知信息的不完全性，策略庫中的策略需要通過自學(xué)習(xí)的方式進行更新。依據(jù)輸入信息，修正各策略映射函數(shù)中的可變參數(shù)，可實現(xiàn)策略的更新。

不同網(wǎng)絡(luò)承載不同業(yè)務(wù)時的能耗指標(biāo)是指導(dǎo)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)綠色融合策略的重要參量。首先應(yīng)建立單一網(wǎng)絡(luò)的能耗評估模型，細化其承載不同QoS需求的業(yè)務(wù)時的能耗等級；其次聯(lián)合多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的能耗模型構(gòu)建融合決策庫，以學(xué)習(xí)算法尋找最優(yōu)的綠色融合方案。

網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)為高效利用無線頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)資源提供了保障，為用戶提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)。與此同時，運營商可以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，以用戶為中心，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作以及節(jié)點SON功能，使得業(yè)務(wù)在不同的接入網(wǎng)絡(luò)得到同時承載，降低整個融合網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并在SON架構(gòu)下實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作，從而有效地降低運營成本，增強競爭力。

2.4 基于業(yè)務(wù)的智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)

在未來IMT-Advanced系統(tǒng)中，由于中繼節(jié)點以及基站間協(xié)作技術(shù)(CoMP)的引入，使得網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元設(shè)備不斷增加，且具有相互溝通、相互協(xié)調(diào)的能力。運營商通過業(yè)務(wù)預(yù)測掌握了業(yè)務(wù)的“潮汐”特性之后，便可以動態(tài)地對網(wǎng)絡(luò)資源進行調(diào)配，使得網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也隨著業(yè)務(wù)“涌動”起來。在圖5中，運營商可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的不同，動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式。當(dāng)預(yù)測到小區(qū)或小區(qū)中的某些區(qū)域在某一時段業(yè)務(wù)量較輕，甚至為零時，則可以智能地關(guān)斷部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。借助SON的技術(shù)架構(gòu)，運營商可以針對不同業(yè)務(wù)的需求，建立自主管理與控制模型，實現(xiàn)資源的智能、動態(tài)、優(yōu)化管理，顯著提升無線網(wǎng)絡(luò)的資源和能量效率。

綠色網(wǎng)絡(luò)期望在保證用戶體驗的前提下，盡可能地使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進入休眠或關(guān)斷狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。然而部分設(shè)備的休眠或關(guān)斷往往會導(dǎo)致周圍網(wǎng)絡(luò)的負載加重甚至不堪重負。通過業(yè)務(wù)流動性管理可使因網(wǎng)絡(luò)休眠而產(chǎn)生的負載被負載較輕的小區(qū)逐級吸納，從而既保證了網(wǎng)絡(luò)的綠色運營又解決了相應(yīng)的負載均衡問題。

智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)在節(jié)約能耗的同時也給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計帶來了其他諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了一系列問題：智能動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)在節(jié)約能耗的同時給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)；處于休眠狀態(tài)的網(wǎng)元設(shè)備如何喚醒，喚醒時刻如何確定；當(dāng)部分設(shè)備休眠時，如何保證所有用戶的QoS需求；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分設(shè)備休眠時，采用多跳的方式為用戶提供服務(wù)，就必須要以良好的路由技術(shù)為支撐，如何保證要為網(wǎng)絡(luò)通信單元尋找一條可達的路徑，同時兼顧網(wǎng)絡(luò)實際的負載情況；在SON框架下如何基于業(yè)務(wù)預(yù)測實現(xiàn)節(jié)點相互協(xié)商；在部分網(wǎng)元設(shè)備休眠的情況下，如何同樣保證高質(zhì)量的用戶體驗。這些問題都有待深入研究。

3 基于負載流動和覆蓋協(xié)商的節(jié)能算法示例

以未來IMT-Advanced系統(tǒng)為例：其節(jié)電策略著重考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)，而具體途徑需要通過小區(qū)、扇區(qū)的關(guān)閉或休眠、信道的關(guān)閉或休眠來實現(xiàn)。下面以小區(qū)關(guān)閉為例來介紹基于負載流動和覆蓋協(xié)商的節(jié)能算法。

關(guān)閉小區(qū)實現(xiàn)節(jié)電原理如圖6所示。紅色小區(qū)盡全力吸收綠色小區(qū)的用戶，直到自己滿負荷后停止；此時藍色小區(qū)繼續(xù)吸收綠色小區(qū)用戶，直至其空載；這時，綠色小區(qū)完全沒有業(yè)務(wù)，可以選擇休眠，直到新的業(yè)務(wù)激活它。這里我們對全網(wǎng)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行節(jié)電策略，便可選出可以進行休眠的小區(qū)集合進行休眠，從而達到網(wǎng)絡(luò)節(jié)電的目的。此策略可以周期性地對全網(wǎng)執(zhí)行。

在SON框架下，可對節(jié)電策略進一步增強，如圖7所示。紅色小區(qū)負載很重，甚至過載，此時不能再接入新的用戶，若強行吸納綠色小區(qū)的負載，則原有用戶的QoS將不能得到很好的保障。但此時，若紅色小區(qū)選擇與藍色小區(qū)做移動性負載均衡(MLB)來分流掉自己的部分負載就可以產(chǎn)生新的容量來吸收綠色小區(qū)的用戶。在鄰小區(qū)無法完全吸收輕負載小區(qū)用戶的情況下，讓鄰小區(qū)強制與它的其他鄰小區(qū)做負載均衡，從而空出容量，進一步吸收完輕負載小區(qū)的用戶，使更多輕負載小區(qū)進入休眠小區(qū)集合，進而增強整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)電性能，并保證整個網(wǎng)絡(luò)用戶的QoS。當(dāng)然，如果在鄰小區(qū)吸收到自己滿載后，仍未吸納完目標(biāo)小區(qū)的業(yè)務(wù)，則可逐級轉(zhuǎn)移負載，直到輕負載小區(qū)實現(xiàn)空載為止。雖然負載流動的目的是為了節(jié)電，但其同時也將移動性負載均衡(MLB)與節(jié)電(ES)聯(lián)動了起來，在某些場景下，既達到了節(jié)電的目的，又實現(xiàn)了負載的局部均衡。

更進一步，在鄰小區(qū)通過負載轉(zhuǎn)移仍無法完全吸收輕負載小區(qū)用戶的情況下，如圖8所示的情況(輕載小區(qū)的用戶在鄰小區(qū)的覆蓋邊界外不遠，無法通過轉(zhuǎn)移負載實現(xiàn)小區(qū)空載)，則目標(biāo)小區(qū)可通過與鄰小區(qū)協(xié)商調(diào)整覆蓋參數(shù)，調(diào)整各自覆蓋范圍，強制吸收輕載小區(qū)用戶，實現(xiàn)輕載小區(qū)完全空載，從而擴大休眠小區(qū)集合，增強網(wǎng)絡(luò)節(jié)電性能。此時，SON為基站提供了交互協(xié)商的平臺。

上面的3個節(jié)電步驟同樣適用于扇區(qū)關(guān)斷的場景，且每一步均涉及到負載信息和基站參數(shù)的交互。3GPP RAN3工作組已經(jīng)定義了增強型通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(E-UTRAN)的站間專用通信接口(X2)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化工作也正在進行。整個算法的詳細流程如圖9所示。

本節(jié)描述的節(jié)能策略首先從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)側(cè)能耗的問題出發(fā)，在SON框架下，利用站間直接協(xié)商的方式實現(xiàn)動態(tài)扇區(qū)、小區(qū)關(guān)斷，同時負載逐區(qū)轉(zhuǎn)移策略又在一定程度上起到了調(diào)節(jié)區(qū)間負載的功能?；緟?shù)調(diào)整幅度要保持在干擾容忍的范圍內(nèi)以滿足用戶QoS要求，而且是步進式調(diào)整，所以理論上完全可以實現(xiàn)。系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶設(shè)備服務(wù)連續(xù)性等方面必須要保證，如果用戶的QoS不能得到保障，那么節(jié)電就失去了意義。

上述策略只是基站節(jié)能的策略框架，并未談及小區(qū)如何喚醒的問題。IMT-Advanced系統(tǒng)是不允許網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生覆蓋空洞的，所以具體的休眠與喚醒機制還需充分發(fā)揮SON的動態(tài)組網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)間協(xié)作的優(yōu)勢。RAN3工作組在R10版本中已經(jīng)開始著重討論ES的問題，并有部分公司提出了關(guān)于ES的初步設(shè)想[4-5]。

4 結(jié)束語

移動通信網(wǎng)絡(luò)是一個實時動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，如圖10所示。由圖10可知，在未來多種接入技術(shù)并存下，系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間負荷分布、頻率資源分配、功率資源分配、系統(tǒng)間的干擾等都處在不斷變化中。通過深入研究新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的業(yè)務(wù)預(yù)測和感知技術(shù)、新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的智能資源分配技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的綠色協(xié)作技術(shù)，借助SON平臺，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化合理地對網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃調(diào)整并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置，可使網(wǎng)絡(luò)達到最佳的運營狀態(tài)，使移動通信網(wǎng)絡(luò)更好地為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，從而在保證業(yè)務(wù)QoS的基礎(chǔ)上大幅降低無線通信網(wǎng)絡(luò)能量消耗，最終形成“以業(yè)務(wù)為核心，智能資源管理和多網(wǎng)協(xié)同為基本點”的新一代綠色自組織無線網(wǎng)絡(luò)。

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盛敏，西安電子科技大學(xué)博士畢業(yè)；西安電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域為無線自組織網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、寬帶無線通信等。

黃超，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點實驗室在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域為移動通信、蜂窩自組織網(wǎng)絡(luò)。

李建東，西安電子科技大學(xué)博士畢業(yè)；西安電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、研究生院常務(wù)副院長；主要研究領(lǐng)域為寬帶無線通信、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線電等。