多载波移动通信系统中的基站节能研究

浦灵敏，张 健

（1.苏州健雄职业技术学院 电气工程学院，江苏 太仓 215411；2.上海无线通信研究中心 上海 201210）

UMTS、LTE、LTE-Advanced等蜂窝通信系统中，如何实现基站节能已经成为了业界关注的焦点之一[1-3]。基站节能技术的目标是在保证网络性能及用户体验不受影响的情况下尽量实现网络能耗与网络业务流量二者之间的匹配，进而达到节能和降低运营商OPEX的目的[4]。

为了提高HSPA系统的峰值数据速率以及用户吞吐量，3GPP在Rel-8/Rel-10分别引入了2载波和4载波HSDPA技术[5]。在LTE-Advanced系统等未来蜂窝通信系统中，多载波聚合（CA，Carrier aggregation）技术也已成为提高系统数据吞吐量和灵活使用频谱的有效技术，支持将2个及以上的载波 （CC，Component Carrier）聚合使用以达到更高的空口带宽，籍此获得更高的比特速率和业务容量[6]。文中提出了基于接力载波的基站节能方案，利用OAM配置方式和基站外部接口协商两种方案生成接力载波集。在定义的节能应用场景中，运用接力载波集协调和实现补偿基站的补偿行为以及节能站点的载波关闭行为，实现了基站节能目的。

1 应用场景

由此产生的一种节能应用场景，如图1所示，对于支持多载波的网络，当业务流量高时网络里的每个载波在每个扇区上都处于正常工作模式；当网络业务流量低时可以关闭部分基站的所有载波，这部分基站对应的覆盖和容量可以通过调整另外一些基站的载波覆盖来进行补偿，比如增大这些载波的天线发射功率、调整天线下倾角和方位角等。

图1中低负荷的覆盖情况1与情况2的区别在于补偿基站的补偿载波个数，情况1只在载波1上进行补偿，情况2在两个载波上都进行补偿。

图1 负荷覆盖场景示意图Fig.1 The scene of load coverage

对上述场景如何协调和实现补偿基站的补偿行为以及节能站点的载波关闭行为，是目前需要解决的问题。如果节能站点在获得补偿前关闭载波，那么会造成原有用户的掉话，影响用户体验；反之，如果补偿基站提前对节能基站进行补偿的话，那么用户受到的下行干扰将大大增加，同样会造成掉话等影响用户体验的后果。

针对上述场景，本文提出了通过统一配置或基站间协商的方式来确定节能基站及补偿基站的载波使用原则，从而实现在不影响用户体验的前提下，达到节能的目的。

文中对应用场景的约束：节能域至少存在2个载波；补偿域的载波集与节能域的载波集之间存在非空交集Ccommon。如图2所示。

图2 节能场景的概念示意图Fig.2 Schematic diagram of the concept of energy-saving scene

图2中，cell1到cell14这14个小区为小区补偿组，即可以实施相同补偿节能策略的多小区集合，里面包括可以实施补偿的小区和被补偿的小区。其中，cell1和cell2为补偿小区，可以对节能小区实施补偿的小区；cell3到cell14 12个小区为节能小区，可以被补偿小区所补偿的小区。而图中深色区域为补偿域，所有补偿小区覆盖的地理区域为补偿域；斜线部分为节能域，所有节能小区覆盖的地理区域为节能域。

2 基于接力载波的节能方案

文中将基于inter-eNB场景描述节能方案，对于inter-RNC或 eNB-RNC的场景，由于原理和机制相同，在这里不再单独描述。在下述描述中，假设eNB1和eNB2分别表示补偿小区的控制基站和节能小区的控制基站。

2.1 接力载波集的生成

定义并生成一个非空的接力载波集合Cr，接力载波是指可以完成补偿域与节能域之间覆盖交替的载波，以实现补偿小区与节能小区之间的负载转移；这样的载波组成的集合我们称之为接力载波集合。接力载波集Cr应满足如下两个基本特征：Cr?Ccommon；在节能域里，关闭Cr里的所有载波不能使得节能域出现覆盖空白，即不能使节能域出现coverage hole；接力载波集Cr的生成可以通过OAM配置方式也可以通过基站外部接口协商生成。利用这一思路进行节能，接力载波集Cr有两种生成方案。

2.1.1 方案1

接力载波子集的数据表达结构如表1所示，而FDD载波信息/TDD载波信息的具体结构定义参见表2、表3。

表1 小区补偿组的接力载波集信息结构表Tab.1 Inform ation structure diagram of the relay carrier cell com pensation set

表2 FDD载波信息数据结构表Tab.2 Structure diagram of FDD carrier?of inform ation

表3 TDD载波信息数据结构表Tab.3 Structure diagram of the TDD carrier?inform ationdata

接力载波集Cr基于小区补偿组要满足以上描述的基本原则；Cr变化后，可选支持由补偿小区所在的基站通过X2接口的ENB CONFIGURATION UPDATE过程向相关节能小区所在的eNB进行通知更新。

2.1.2 方案

通过X2接口自学习的方式生成接力载波集Cr；具体方法如图3所示。

1）eNB1通过已有的X2接口获得所有节能小区的载波集{CC1，CC2，CC3，CC4，CC5}（如通过 X2 SETUP 过程）；

图3 节能域的多载波示意图Fig.3 Schematic diagram of multi carrier energy domain

2）eNB1运算得到自身补偿小区与补偿组里所有节能小区的载波交集 Ccommon＝{CC1，CC3，CC4}；

3）在整个补偿组上，按载波负载从轻到重排列Ccommon为{CC3，CC1，CC4}，其中CC3和CC1满足上述负载和补偿能力规则，则eNB1可以生成针对该补偿组的接力载波集合Cr＝{CC1，CC3}。eNB1在 Ccommon集合里挑选载波组成接力载波集Cr，除了满足以上描述的原则外，在协商中也可以使用如下的规则。

①优先选择负载轻的载波；负载的衡量是基于整个补偿组，载波的负载就是该载波对应的所有小区的负载总和。

②在节能域，Cr里的载波对应的每个节能小区，其当前负载要小于对应覆盖的非Cr载波小区的剩余容量。

③对于补偿域，Cr里的载波对应的每个补偿小区在RF调整后的剩余容量之和要大于整个节能域的负载总量。

2.2 基于接力载波集的节能方法

在eNB间X2接口上或RNC间Iur接口上或RNC与eNB间 inte-RAT接口上传递接力载波集Cr，即Cr所包含的具体载波描述信息，包括但不限于每个载波的FDD载波信息（对于FDD制式）或TDD载波信息（对于TDD制式）。假设补偿的条件已经具备的条件下，那实施方式可结合图4和图5实现，具体过程如下：

1）eNB1向eNB2在内所有节能节点发送小区补偿准备请求，消息内容包括Cr。

2）eNB2在内所有节能节点关闭Cr载波所对应的小区（关闭之前应该先进行负载的迁移切换，切换原因为“Switch Off Ongoing”[注1]，关闭后可以通过X2接口的基站配置更新流程向eNB1指示小区状态变化），并向eNB1返回成功的小区补偿准备响应；如果存在UE不能成功迁移的节能小区，则这些节能小区对应的载波不能关闭，Cr存在问题，所以应该返回失败的小区补偿准备响应消息，并终止流程。

3）eNB1收到eNB2在内所有节能节点的成功响应后，调整自身的RF参数如发射功率、天线的下倾角和方位角等；实现在Cr的载波上对节能域的覆盖。

4）下面分两种处理方式，①和②选择其一：

①eNB1向eNB2在内所有节能节点发送小区补偿请求消息，触发eNB2在内所有节能节点发起UE从剩余节能小区到新补偿小区的切换流程，流程跳转到下面第5步。

②eNB2在内所有节能节点也可以通过UE测量报告来感知Cr载波的补偿情况，并由此触发UE切换流程；流程跳转到下面第6）步。

5）eNB2在内所有节能节点向eNB1返回小区补偿响应消息。

图4 基于多载波的小区补偿流程图Fig.4 Multi carrier cell based on the compensation of flow chart

图5 基于多载波的小区节能补偿原理示意图Fig.5 Schematic diagram of cell energy compensation principle based on multi carrier

6）eNB2在内所有节能节点开始启动UE切换流程，切换原因为 “Switch Off Ongoing”（ 该切换原因为 3GPP Rel-9新增的原因码，表示小区后续会实施关闭行为）；在成功实施负载切换后对所有剩余节能小区实施关闭；如果存在UE不能成功切换的节能小区，则这些节能小区不能实施关闭。

7）eNB2在内所有节能节点通过X2接口的ENB CONFI GURATION UPDATE过程向eNB1指示小区已经关闭；

8）eNB1根据当前负荷的实际情况判断是否需要进一步在（Ccommon-Cr）的载波上也实现补偿，若需要则继续在这些载波上调整RF参数。（注：前提为Cr是Ccommon的真子集，且所有Ccommon里的载波所对应的节能小区都已关闭）。

3 结 论

本文基于LTE-Advanced系统等未来蜂窝通信系统中的多载波聚合场景，提出了一种节能方案。通过确定节能基站及补偿基站的载波使用原则，提出了基于接力载波集的节能实现方法，并给出了其具体的实现方法，从而实现在不影响用户体验的前提下，达到节能的目的。

[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]张高记，吕建东，陈文学.通信基站节能减排评估指标及评估方法研究[J].电信科学，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.多载波HSPA技术研究[D].北京：北京邮电大学，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，Feb.2011.