基于小区DTX技术的LTE系统节能机制

申玲钰, 楼培德

（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

1 引言

近年来，无线通信行业飞速发展。据统计，截至2011年全球移动基站数已超过400万，平均每个基站的年耗电量超过25MWh，预计2012年发展中国家的基站数将成倍增加[2～4]。为降低运营商运营成本，减小环境污染，大量学者正致力于研究高效的无线通信系统节能机制。

关闭无用的无线资源及硬件设备，是一种有效的节能思想。对于电池容量有限的终端，可使用非连续接收（DRX）模式，IEEE 802.16e也定义了一种基站休眠机制。对一个小区而言，驻留在该小区的终端数目及小区负载随时间变化，如深夜小区负载明显低于白天，此时可通过关闭小区中无用的无线资源及硬件设备以减少其能量消耗。

本文所研究的节能对象为基站功率放大器(PA)。在典型的无线蜂窝网中，约58%的能量消耗用于基站，而基站能量消耗中约65%用于PA[2，4]，故降低PA能量消耗是一种有效的节能机制。本文提出了一种用于LTE系统的小区非连续发射(DTX)技术，在满足用户QoS需求的基础上，时域上关闭一个系统帧中某些无用的无线资源及硬件设备(PA等)。未使用DTX技术时，小区在无用户数据传输的下行子帧中，需传输一定的控制信息，以确保用户的正常接入与通信，且此过程中硬件设备一直处于工作状态。引入DTX技术后，根据小区负载需求，动态选择一个系统帧中用于承载用户数据和控制信息的下行子帧数，在余下的下行子帧中执行休眠机制，同时关闭相应的PA，降低PA使用率。

2 LTE系统时频资源模型

LTE系统中信息资源以资源粒(RE，Resource Element)为单位在时频二维域进行分配，以物理资源块(RB，Resource Block)实现RE与具体的物理信道间的映射。LTE下行采用OFDMA技术，支持TDD与FDD两种帧结构。

时域上，一个FDD-LTE帧的长度为10ms,分为10个1ms子帧，每个子帧包括两个0.5ms时隙，每个时隙包含7个OFDM符号（使用短循环前缀）。频域上，每个子载波的带宽为15kHz，子载波数由系统带宽而定。一个RB时域长度为一个时隙，频域上包含12个连续子载波。FDD-LTE帧结构及时频资源网格[5]如图1所示。

图1 FDD-LTE帧结构及时频资源结构图

LTE下行资源中部分用于传输用户数据信息，其余用于传输下行控制信息。若某下行子帧内包含用户数据信息，则该子帧的前半个时隙需包含用于传输下行控制信息的PDCCH物理资源(1～3个OFDM符号)。另外两种重要的下行控制信息为同步信号和参考信号。LTE同步信号的周期是为5ms，分为主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)。这两种同步信号在终端开机执行小区搜索的过程中起着至关重要的作用，应确保其正确传输。小区参考信号(CRS)，主要用于信道估计、解调及小区选择和切换时的测量，与天线口存在一定的映射关系，按照一定规律分布于时频资源中[5]，若引入MBSFN子帧[6]，一个下行子帧中只需包含一个CRS。除此之外，0号下行子帧还包括PBCH物理资源，用于传输系统广播信息。

综上所述，不同下行子帧中控制信息占用的时间比不同，图2为一种可行的控制信息时频资源分布图。假设第i（0≤i≤9）个下行子帧中承载控制信息的时间比率为xi，该子帧无数据信息传输时，PA的开启时间为 tPA_i_bass，且PDCCH物理资源只占用该子帧的第一个OFDM符号。引入DTX技术后，若某下行子帧无数据信息传输，刚可在该子帧中部分OFDM符号内执行休眠，此时可关闭PA。假设开启PA需0.5个OFDM符号的时延[6]，关闭PA时延为0，xi与tPA_i_bass的取值见表1。

图2 下行控制信息时频资源分布图

表1 xi与tPA_i_base的取值

3 小区DTX原理及方案设计

在无线蜂窝网中，约一半以上的能量消耗用于基站，而基站能量消耗主要用于PA。PA消耗的总能量EPA，包括静态损耗EPA_S及动态能耗EPA_D，动态能耗中部分能量EPA_D_out经过天线向信道传输，其余为PA动态损耗。本文中假定PA动态输出功率EPA_D_out与动态总功率PPA_D成线性关系，动态输出效率为η。则有：

若从PA输出再经天线辐射至传输信道过程中的能量传输效率为β，则信道最终获得的传输能量ET为：

现设一个未引入DTX技术的单用户单天线FDDLTE系统的下行带宽为B (1.25～20MHz)，系统噪声密度为N0(W/Hz)，一个系统帧中第i个子帧用于传输用户数据信息的时间为tdi，传输功率为Pdi，信道增益g＝f(d)，其中d为终端至基站的距离；根据香农定理，该子帧的最大数据传输速率Rdi(bit/s)为：

FDD-LTE系统帧的一个子帧长度为txf＝0.001s，第i个子帧承载控制信息的时间比率为xi，且假设包含控制信息的OFDM符号内不再承载数据信息，则tdi＝(1-xi)xsf，该子帧中用于传输控制信息的时间为tsi＝xixsf。设系统使用下行峰值传输功率Pm传输控制信息，以确保其接收时能正确解码。则该系统帧内需要的信道传输总能量为：

此系统帧可承受的最大数据传输率为：

若该系统中PA的静态损耗功率为PPA_S，系统未引入小区DTX技术时，PA在该系统帧内的总能量消耗为：

系统引入DTX技术后，在确保系统用户QoS需求的基础上，可通过关闭系统帧中某些无用的物理资源及硬件设备(PA)以降低系统功耗。文献[1]中提出了一种时域上的小区休眠机制，但其休眠机制的优化对象为信道传输能量ET，而不是PA消耗的总能量EPA；且文献[1]中指出，若小区在某子帧（第一帧除外）中进入休眠状态，小区在该子帧内将不发送任何信息，包括控制信息，这将在一定程度上影响用户在该小区内的正常接入与通信，本文将文献[1]中的方法称为基于子帧休眠的信道传输能量优化机制。

本文所提出的小区DTX技术，优化对象为PA消耗的总能量EPA。在满足一个系统帧内小区容量需求Cneed(bit/s)的前提下，承载用户数据的子帧数为M，剩余子帧只传输必要的控制信息，而这些子帧内无控制信息的OFDM符号处可执行休眠机制，同时关闭PA以降低PA使用率，从而减小PA的静态损耗。该方法休眠的时间单位为OFDM符号，故称为基于OFDM符号的DTX技术。若一个系统帧中包含用户数据的子帧集合为U，第i个子帧中PA的开启时间为tPA_i，则可通过求解以下最优化模型，求出最优解U，使得在满足Cneed的前提下，EPA最小。

4 系统仿真及结果分析

系统仿真参数见表2。其中PA参数选择参考NXP公司最新推出的用于LTE和WiMAX系统的功率放大器芯片BLFG27L-90的参数规格[7]； β的选取参考文献[8]；仿真时假定终端至基站的距离不变，对应的信道增益为-60dB。根据BLFG27L-90数据手册，选取数据手册中所给的典型工作状态，PA的静态功率为：

依据数据手册，当PA工作频率fC＝2.6GHz时，选取PL＝40W作为系统最大负载功率，其对应的PA漏极效率ηD＝0.43。PL即为PA动态输出功率PPA_D_out，由公式（2）可得：

由上式可得，此时PA动态输出效率η≈0.55。系统下行峰值传输功率Pm＝βPL＝20W，系统噪声密度N0(W/Hz)＝KT＝ 4×10-21。

设系统帧中每个子帧的数据传输速率相同，用于承载用户数据的子帧集合U的元素为从第0帧开始的连续子帧，且数据传输速率可达到香农上限。若引入MBSFN子帧[6]，则从只包含控制信息的子帧集合中选取1～6个子帧（第0帧与第5帧除外）设置为MBSFN子帧，且设置最大的MBSFN子帧数。

表2 仿真参数

图3 Cneed与EPA关系图（未设置MBSFN子帧）

图4 Cneed与EPA关系图（设置MBSFN子帧）

图3及图4分别为未设置MBSFN子帧及设置MBSFN子帧时，系统帧内负载Cneed与PA总能量消耗值EPA的关系图。图中可得，在满足不同Cneed值时，应选择的用于承载用户数据的最少子帧数，即M的最优值，使得EPA最小。对比两图，可明显看出设置MBSFN子帧的DTX技术能更加有效的降低PA能量消耗。对于特定的M值，Cneed在一定数据传输速率区间内变化对EPA影响不大，因为该区间内PA的静态损耗及控制信息所消耗能量均为定值且占主导。

图5为使用不同DTX技术时，负载Cneed与其对应的最小PA能量消耗值EPA的关系图。由图5可知，系统负载越低，DTX技术的节能效益越大。随着系统负载量的增大，需使用更多的子帧来承载数据信息，可设置为MBSFN的子帧数减少，且增大了PA的工作时间，因此DTX技术的节能效益下降。由图5可知，未设置MBSFN子帧的DTX技术最大可节省约25%（负载为0时）的PA能量消耗，当系统负载超过最大负载的60%（2.2×108bit/s）时，该技术无明显的节能效益。而设置MBSFN子帧的DTX技术最大可节省约60%（负载为0时）的PA能量消耗，当系统负载超过最大负载的80%（3×108bit/s）时，该技术无明显的节能效益。

图5 使用不同DTX方案时Cneed与EPA的关系图

文献[1]中采用基于子帧休眠的信道传输能量优化机制，提出了一种依据系统负载选择最佳承载数据信息子帧数M的方案，使得信道传输功率ET最小。该文还指出对于某个特定的负载，并非M越小ET则越小。本文所提出的DTX方案优化的对象为PA消耗的总能量EPA，不仅考虑了传输控制信息和传输数据信息所消耗能量，同时考虑了PA的静态损耗和动态损耗。因PA能量消耗中静态损耗占有一定比例，故本文所提出的方案（方案一）与文献[1]中方案（方案二）存在一定的决策差异。图6为一段负载区间内该两种方案的决策对比图，对于某些负载，方案一所选择的M值比方案二所选择的M值小，因为PA静态损耗会随着M的增大而增大。若决策时考虑的是PA能量消耗而非文献[1]中仅考虑的信道传输能量，最终得到的决策方案可更有效的降低PA能量消耗，因而本文中的方法具有更好的节能效益。

图6 方案决策对比图

5 总结

本文研究的节能对象为PA能量消耗而不是文献[1]中仅考虑的信道传输能量，可更有效地降低PA能量消耗，因而本文中的方法具有更好的节能效益。以单用户LTE系统为例，系统无负载或低负载时，该方法可有效降低PA能量消耗，且负载越小该方法的节能效益越明显。相比未引入小区DTX技术，未设置MBSFN子帧的小区DTX技术最大可节省约25%的PA能量消耗，当系统负载超过最大负载的60%时，该技术无明显的节能效益；而设置MBSFN子帧的小区DTX技术最大可节省约60%的PA能量消耗，当系统负载超过最大负载的80%时，该技术无明显的节能效益。

[1] Wang R, Thompson J S, Haasm H. A novel time-domain sleep mode design for energy-efficient LTE[A]. Proc ISCCSP’4th[C], Limassol,cyprus, 3-5 March 2010.

[2] Hasan Z, Boostanimehr H, Bhargava V K. Green cellular networks: a survey, some research issues and challenges[J]. IEEE Communications Surveys& Tutorials, 2011,13:524-540.

[3] Han C, et al. Green radio: radio techniques to enable energy-efficient wireless networks[J]. IEEE Commun Mag, 2011,49(6):46-54.

[4] Correia L M. et al. Challenges and enabling technologies for energy aware mobile radio networks[J]. IEEE Commun Mag, 2010,48(11):66-72.

[5] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 10), 3GPP TS. 36.211[S]. 2010.

[6] Ericsson and ST-Ericsson. Extended cell DTX for Enhanced Energy-Efficient Network Operation, 3GPP TSG-RAN WG1 #59, R1-095011[S].Jeju, Korea, November 9-13, 2009.

[7] Power LDMOS transistor (BLF7G27L-90P),NXP, 2011.

[8] Bories S. Dussopt L, Giry A, Delaveaud C. Duplexer-less RF frontend for LTE picocell using a dual polarization antenna[A]. European Wireless 2011, 11th European[C]. Vienna, Austria, 27-29 April 2011,paper 1569424097, p729.