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：國家重點基礎研究發(fā)展(“973”)規(guī)劃(2009CB320404)；國家自然科學基金(60972048)

節(jié)能環(huán)保是當今世界的主流理念，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)展的利益結合點?？梢灶A見，隨著用戶規(guī)模的進一步擴大和業(yè)務量的迅猛增長，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)絡節(jié)能“瓶頸”的關鍵。自組織技術的引入給節(jié)能減排帶來了新思路。

自組織網(wǎng)絡(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。自組織網(wǎng)絡具有對網(wǎng)絡參數(shù)等自動配置、自動優(yōu)化、自動管理、自動愈合等通信網(wǎng)絡功能。自組織網(wǎng)絡是在LTE網(wǎng)絡標準化階段由移動運營商主導提出的概念，其主要目的是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的一些自主功能，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SON的白皮書和建議書；3GPP也在重點研究SON與當前電信管理網(wǎng)絡的實現(xiàn)方案；歐洲從SON的技術方案、實現(xiàn)方法及驗證平臺入手，研究SON對網(wǎng)絡運維產(chǎn)生的影響。

為推進SON標準化工作，3GPP設置了4個技術專家組，分別進行GSM和EDGE無線接入網(wǎng)(GERAN)、無線接入網(wǎng)(RAN)、業(yè)務與系統(tǒng)(SA)、核心網(wǎng)與終端(CT)的標準制訂和研究。其中3GPP SA5工作組的研究內容是與3G體系架構和網(wǎng)絡設備技術發(fā)展保持同步，研究與之相適應的網(wǎng)絡管理框架和管理需求。2008年4月21—25日，3GPP標準組織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)化和自動恢復等)。3GPP標準組織RAN3工作組主要討論SON的相關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組織將結束SON的R9版本的討論，啟動R10版本。各大組織對SON技術和標準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)絡的“綠色”特質

關于節(jié)能方面，3GPP SON標準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(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，調整MLB相關參數(shù)同樣會涉及MRO參數(shù)的調整。不難看出，負載的均衡同時也帶來了網(wǎng)絡整體能耗降低，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。自組織技術是解決未來網(wǎng)絡管理及維護工作、有效支持異構多網(wǎng)絡并存、提高網(wǎng)絡服務質量、大幅降低網(wǎng)絡維護成本的一條有效途徑。自組織技術在網(wǎng)絡層面上的優(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)絡形式可按需呈現(xiàn)；同時，其分布式管理的特點，又為網(wǎng)絡提供了一種自愈的能力，使網(wǎng)絡的可靠性更強。毋庸置疑，SON化和全融合化是未來通信網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，而且SON是各種網(wǎng)絡全融合的前提和基礎。只有智能地實現(xiàn)各種網(wǎng)絡的自組織、協(xié)作服務，網(wǎng)絡融合才有意義，才能更大程度地減少網(wǎng)絡的人工操作或管理工作。自組織網(wǎng)絡不僅大大減輕了人力資源，而且也為網(wǎng)絡節(jié)能提供了基礎架構，因此自組織技術具有“綠色”的特質。

2 綠色無線自組織網(wǎng)絡的關鍵技術

2.1 新型無線網(wǎng)絡架構下的高效業(yè)務預測技術

在新型無線網(wǎng)絡架構下，極豐富的業(yè)務應用是網(wǎng)絡的重要特點之一。結合SON架構下的動態(tài)智能組網(wǎng)應用，為了能夠以最小的能量消耗給不同的業(yè)務提供高質量的服務，必須很好地掌握各種業(yè)務的動態(tài)特性，從而為之分配更加合理的資源。

圖1所示為網(wǎng)絡業(yè)務分布的預測圖。本文應用各種預測方法對網(wǎng)絡業(yè)務分布進行預測，并根據(jù)預測結果動態(tài)組網(wǎng)。比如，針對城區(qū)環(huán)境，白天辦公區(qū)域業(yè)務需求很大，晚上則很??；而居民區(qū)正好相反。對于這樣的業(yè)務“潮汐”特性，如果能根據(jù)一定時段內的業(yè)務分布統(tǒng)計結果準確地預測出未來某時段的業(yè)務分布，網(wǎng)絡便能夠預先調整，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)絡環(huán)境的變化和用戶的行為是影響業(yè)務預測的重要因素，直接關系到業(yè)務預測的精度。可采用基于環(huán)境感知的業(yè)務和用戶行為聯(lián)合預測方法，使用戶行為和業(yè)務預測形成閉環(huán)，進而提高相應的預測精度。

2.2 基于業(yè)務的資源流動性管理技術

新型網(wǎng)絡架構下，系統(tǒng)的時間、頻率、空間等資源越來越豐富，使得網(wǎng)絡資源的管理越發(fā)重要。為了建立綠色低碳的新一代無線網(wǎng)絡，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)，運營商應使無線網(wǎng)絡中的資源在業(yè)務需求的驅動下形成合理的資源流動策略，呈現(xiàn)以業(yè)務為核心的按需分布，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測出網(wǎng)絡將來一段時間的情況，并根據(jù)預測出的網(wǎng)絡情況進行資源預留，使資源分配更加合理，提高系統(tǒng)資源利用率，增加網(wǎng)絡的容量，進而間接地降低能量消耗[3]。

2.3 異構融合網(wǎng)絡中的綠色協(xié)作技術

基于對未來全融合化網(wǎng)絡的暢想，各種異構形式的接入網(wǎng)絡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)絡形式，使得各種類型的接入網(wǎng)絡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計，為各種高層協(xié)議(如網(wǎng)絡層)提供統(tǒng)一的接口，達到屏蔽不同無線接入技術差異的目的。當然，實現(xiàn)網(wǎng)絡重構和異構網(wǎng)絡協(xié)作服務，沒有SON這一交互平臺是不行的。

在異構網(wǎng)絡綠色協(xié)作優(yōu)化模型中，業(yè)務在不同的接入網(wǎng)絡得到同時承載。網(wǎng)絡通過異構網(wǎng)絡間的綠色協(xié)作，從而降低整個融合網(wǎng)絡的能量消耗。另外，為了提高網(wǎng)絡綠色融合策略對環(huán)境的適應性，降低策略生成過程的復雜度，提高終端業(yè)務對網(wǎng)絡環(huán)境變化的快速反應能力，提高網(wǎng)絡融合的能效，系統(tǒng)必須引入網(wǎng)絡融合策略庫的概念。當需要進行網(wǎng)絡融合時，從策略庫中選擇合適的策略，根據(jù)當前的網(wǎng)絡環(huán)境及業(yè)務需求，修改策略的部分權值，即可生成網(wǎng)絡融合方案。策略庫與各層協(xié)議之間的關系如圖4所示。為了適應感知信息的不完全性，策略庫中的策略需要通過自學習的方式進行更新。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)絡承載不同業(yè)務時的能耗指標是指導異構網(wǎng)絡綠色融合策略的重要參量。首先應建立單一網(wǎng)絡的能耗評估模型，細化其承載不同QoS需求的業(yè)務時的能耗等級；其次聯(lián)合多個異構網(wǎng)絡的能耗模型構建融合決策庫，以學習算法尋找最優(yōu)的綠色融合方案。

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

2.4 基于業(yè)務的智能動態(tài)組網(wǎng)技術

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(CoMP)的引入，使得網(wǎng)絡中網(wǎng)元設備不斷增加，且具有相互溝通、相互協(xié)調的能力。運營商通過業(yè)務預測掌握了業(yè)務的“潮汐”特性之后，便可以動態(tài)地對網(wǎng)絡資源進行調配，使得網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡架構也隨著業(yè)務“涌動”起來。在圖5中，運營商可根據(jù)用戶業(yè)務的不同，動態(tài)地調整網(wǎng)絡的組網(wǎng)形式。當預測到小區(qū)或小區(qū)中的某些區(qū)域在某一時段業(yè)務量較輕，甚至為零時，則可以智能地關斷部分網(wǎng)絡設備，從而大大節(jié)約網(wǎng)絡的能量消耗。借助SON的技術架構，運營商可以針對不同業(yè)務的需求，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)絡的資源和能量效率。

綠色網(wǎng)絡期望在保證用戶體驗的前提下，盡可能地使網(wǎng)絡設備進入休眠或關斷狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡的能耗。然而部分設備的休眠或關斷往往會導致周圍網(wǎng)絡的負載加重甚至不堪重負。通過業(yè)務流動性管理可使因網(wǎng)絡休眠而產(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)絡的綠色運營又解決了相應的負載均衡問題。

智能動態(tài)組網(wǎng)技術在節(jié)約能耗的同時也給網(wǎng)絡設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)技術在節(jié)約能耗的同時給網(wǎng)絡設計帶來了挑戰(zhàn)；處于休眠狀態(tài)的網(wǎng)元設備如何喚醒，喚醒時刻如何確定；當部分設備休眠時，如何保證所有用戶的QoS需求；當網(wǎng)絡中部分設備休眠時，采用多跳的方式為用戶提供服務，就必須要以良好的路由技術為支撐，如何保證要為網(wǎng)絡通信單元尋找一條可達的路徑，同時兼顧網(wǎng)絡實際的負載情況；在SON框架下如何基于業(yè)務預測實現(xiàn)節(jié)點相互協(xié)商；在部分網(wǎng)元設備休眠的情況下，如何同樣保證高質量的用戶體驗。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)絡側，而具體途徑需要通過小區(qū)、扇區(qū)的關閉或休眠、信道的關閉或休眠來實現(xiàn)。下面以小區(qū)關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，可以選擇休眠，直到新的業(yè)務激活它。這里我們對全網(wǎng)按照一定的標準執(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)絡的節(jié)電性能，并保證整個網(wǎng)絡用戶的QoS。當然，如果在鄰小區(qū)吸收到自己滿載后，仍未吸納完目標小區(qū)的業(yè)務，則可逐級轉移負載，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，無法通過轉移負載實現(xiàn)小區(qū)空載)，則目標小區(qū)可通過與鄰小區(qū)協(xié)商調整覆蓋參數(shù)，調整各自覆蓋范圍，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)陸地無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)的站間專用通信接口(X2)，協(xié)議標準化工作也正在進行。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)絡側能耗的問題出發(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)關斷，同時負載逐區(qū)轉移策略又在一定程度上起到了調節(jié)區(qū)間負載的功能?；緟?shù)調整幅度要保持在干擾容忍的范圍內以滿足用戶QoS要求，而且是步進式調整，所以理論上完全可以實現(xiàn)。系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶設備服務連續(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于ES的初步設想[4-5]。

4 結束語

移動通信網(wǎng)絡是一個實時動態(tài)變化的網(wǎng)絡，如圖10所示。由圖10可知，在未來多種接入技術并存下，系統(tǒng)內小區(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)絡架構下的業(yè)務預測和感知技術、新型無線網(wǎng)絡架構下的智能資源分配技術和異構網(wǎng)絡間的綠色協(xié)作技術，借助SON平臺，根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模的變化合理地對網(wǎng)絡進行規(guī)劃調整并優(yōu)化網(wǎng)絡資源配置，可使網(wǎng)絡達到最佳的運營狀態(tài)，使移動通信網(wǎng)絡更好地為用戶提供優(yōu)質的服務，從而在保證業(yè)務QoS的基礎上大幅降低無線通信網(wǎng)絡能量消耗，最終形成“以業(yè)務為核心，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。

5 參考文獻
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盛敏，西安電子科技大學博士畢業(yè)；西安電子科技大學教授、博士生導師；主要研究領域為無線自組織網(wǎng)絡、認知網(wǎng)絡、寬帶無線通信等。

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

李建東，西安電子科技大學博士畢業(yè)；西安電子科技大學教授、博士生導師、研究生院常務副院長；主要研究領域為寬帶無線通信、Ad Hoc網(wǎng)絡、認知無線電等。