33、可持续无线宽带接入：节能与高效的创新之路

可持续无线宽带接入：节能与高效的创新之路

1. 基站硬件节能技术

在移动宽带网络中，流量负载变化迅速。为了在低流量负载情况下实现节能，可采用天线静音技术。由于流量负载变化快，天线静音的优化时间尺度需在毫秒范围内，而相关硬件能够满足这一要求。通过这种方式，即使流量负载下降，为实现最高吞吐量而设计的基站也能以节能的方式运行。

波束赋形技术也是节能的有效手段。它利用先进天线将发射信号导向狭窄方向。基于可重构天线的慢波束赋形，利用流量的中长期变化来节能；而快波束赋形则能立即跟随流量分布，可能节省更多能量。此外，基于可重构天线的慢波束赋形还能为某些网络管理解决方案提供支持。

2. 网络级解决方案

2.1 网络部署建议

• 最优小区尺寸 ：研究发现，传统观点认为小小区的低发射功率会降低网络功耗，但实际情况并非如此。采用反映基站硬件最新技术的现实功率模型表明，较小的小区尺寸会增加总功耗。因此，传统的宏网络规划，即根据系统性能和容量要求调整基站间的最大站间距，既具有成本效益又能节能。
• 异构网络部署 ：对于城市热点地区的超高流量需求，大型宏基站与小小区底层覆盖的异构部署比单纯增加宏小区密度更高效。特别是包含毫微微小区的异构部署，在室内解决方案中可节省约13%的能量。关键在于宏小区能够通过卸载流量来降低能耗，例如使用自适应基站硬件。
• 多无线接入技术（Multi - RAT）网络 ：在实际应用中，运营商基于现有GSM和3G部署构建网络时，较好的策略是让传统系统主要提供覆盖和低流量服务，而LTE满足增加的容量需求。这与能耗优化相契合，多RAT网络可在异构网络中高效利用。不过，采用更节能的无线接入技术时，需综合考虑容量需求预测、终端能力、覆盖范围、发射限制等因素。此外，站点共址可因更好的冷却效率降低约5%的功耗。
• 中继技术 ：中继技术在某些网络场景中具有节能优势。中继节点因传输跳数短和额外的收发分集而可能更节能。未来高效的中继硬件，在宏网络中安装新的中继节点比部署额外的宏节点更节能。不同中继技术对比显示，两跳半双工混合DF/CF转发在大型宏小区中能带来显著增益，但该混合技术目前未被标准支持。屋顶中继为室内用户提供了比宏室内覆盖更节能的选择。
• 基站协作与回程技术 ：除了网络致密化技术，基站间的协作也是应对流量增加的解决方案。上行链路协作多点传输（CoMP）在小区边缘通信和小小区部署中比非协作系统更节能。使用超过三个基站进行协作通常无明显益处，节能主要通过宏分集提高频谱效率实现。目前，无源光网络（PON）是最有效的回程技术，而有源光网络（AON）是未来基站带宽需求接近Gbps时的良好选择。

网络部署类型	特点	节能效果
传统宏网络规划	调整基站间距满足系统性能和容量要求	成本与节能兼顾
异构网络部署（含毫微微小区）	大型宏基站与小小区底层覆盖	室内节省约13%能量
多RAT网络	传统系统提供覆盖和低流量服务，LTE满足容量需求	契合能耗优化
中继技术	传输跳数短和收发分集	比部署额外宏节点更节能
基站协作（上行CoMP）	用于小区边缘通信和小小区部署	比非协作系统节能

2.2 网络和无线电资源管理

由于对低延迟和高系统吞吐量的要求，网络资源平均未得到充分利用，仅使用了部分容量。因此，动态调整网络配置是节能的关键，例如根据流量的日常变化动态减少活动网络元素的数量。以下是一些显著的节能成果：
- 自适应（去）扇区化 ：在城市网络中，基站的自适应（去）扇区化可节省30 - 60%的能量，且对覆盖和小区边缘用户吞吐量影响不大。
- 基站开关 ：在密集基站部署场景中，低流量时段不仅可关闭扇区，还可关闭整个基站。单层网络可节省15 - 20%的能量，车辆场景可节省20 - 25%。
- 异构网络自适应小区开关 ：在异构网络（甚至多RAT环境）中，自适应小区开关可节省35 - 40%的能量，同时改善用户体验，尤其在室内场景和上行链路方向。

graph LR
    A[低流量时段] --> B[自适应（去）扇区化]
    A --> C[关闭部分基站]
    A --> D[异构网络自适应小区开关]
    B --> E[节能30 - 60%]
    C --> F[单层网络节能15 - 20%]
    C --> G[车辆场景节能20 - 25%]
    D --> H[节能35 - 40%]

3. 集成解决方案

为提高能源效率，开发了多种集成解决方案，涵盖基站和天线硬件改进、无线电接口技术、网络管理和调度等方面。这些方案主要针对3GPP长期演进（LTE）无线电技术，但部分也适用于其他无线电标准。不同解决方案之间存在使能/利用关系，硬件解决方案提供特定功能，无线电接口技术利用这些功能，网络级解决方案则利用不同的无线电接口技术。

主要有两种集成解决方案：
- 停用策略 ：停用扇区、天线和时隙，减少运行设备数量。结合敏捷硬件，可处理突发流量，如文件下载。该方案结合了宏小区硬件、天线静音和自适应扇区化。
- 降模式策略 ：保持硬件运行，但切换到较低传输模式，适应较低流量速率。需要较少的硬件状态切换，结合了宏小区硬件、带宽（或容量）自适应和小区微不连续发射（DTX）。

尽管两种方案理念不同，但最终都能在全国范围的LTE网络中节省约70%的能量。

可持续无线宽带接入：节能与高效的创新之路

4. 颠覆性方法

展望未来，超越现有系统标准和典型部署，有一些有前景的设计选项和技术解决方案，可提升未来移动无线电系统的能源效率。未来系统（约2020年后）或无线电接口应设计为尽量减少空闲模式传输，如信令、参考信号等。特别是将数据传输与系统信息传输逻辑分离的概念，可消除高信令开销（尤其是在低负载时），开启更高效睡眠模式的可能性，相比现有系统可节省85 - 90%的能量。

5. 结果验证

为验证相关技术和方案的可行性及概念的有效性，进行了多方面的验证工作。

5.1 硬件概念验证

通过收发器原型对新型硬件解决方案进行验证。这些硬件解决方案是节能移动系统的关键推动者，已为宏小区和微微小区收发器实现并进行测量验证。

例如，原型的功率特性展示了不同信号水平下的瞬时行为，验证了基站功率模型。通过现实的LTE信号，研究了硬件组件的动态性能。组件停用可应用于LTE信号，即使在2或3个连续符号的短时间槽内。在频谱信号性能方面，成功传输LTE信号验证了组件自适应或停用功能。

验证方面	验证情况
功率特性	展示不同信号水平瞬时行为，验证基站功率模型
动态性能	通过LTE信号研究硬件组件动态性能
组件停用	可应用于LTE信号，短时间槽内有效
频谱信号性能	成功传输LTE信号验证组件功能

5.2 网络级解决方案验证

在运营商测试平台上对网络级解决方案进行验证，其中关键解决方案之一是根据流量需求切换小区的开/关。

EARTH开发的小区开/关方案基于软件工具，旨在降低各流量负载水平下的网络功耗，尤其关注低流量负载。该方案根据注册和附着用户数量及相应流量需求，通过用户在小区间的重新分配和关闭不服务用户的小区来节能。

在电信意大利测试平台上实施并验证了该方案，通过实际测量表明，在商业基站上实施该方案是可行的，且能实现节能。实验研究显示，应用特定的网络管理解决方案在商业基站组成的网络中，每天可节省约15%的能量，与模拟预测相符，结合硬件和其他解决方案有望实现超过50%的节能。

graph LR
    A[流量需求变化] --> B[小区开/关方案]
    B --> C[用户重新分配]
    B --> D[关闭不服务用户的小区]
    C --> E[节能]
    D --> E
    E --> F[验证节能效果]

6. 总结与结论

在移动宽带的可持续性和能源效率研究方面取得了显著成果：
- 评估方法 ：开发了评估无线接入网（RAN）能耗和能源效率的方法E3F，该方法已在项目外被采用，并为标准化提供了基础。
- 节能解决方案 ：开发了关键节能解决方案，将硬件、部署和管理解决方案有效集成，可降低超过50%的能耗。
- 可行性验证 ：在硬件和软件原型中实现了关键解决方案，在运营商测试平台的实际运行条件下验证了其可行性和节能效果，确保理论节能能转化为实际节能。
- 未来影响分析 ：首次分析了未来互联网对移动通信基础设施可持续性和能源需求的影响，表明集成解决方案可在扩展移动基础设施满足未来流量需求的同时，避免二氧化碳排放和能源需求的增加。

此外，相关成果在标准制定、科学界和公众中产生了影响。例如，相关白皮书在IEEE通信杂志发表后，成为2010年11月下载量前十的论文之一；项目还获得了2012年的第4届未来互联网奖。欧洲委员会副主席评价该项目在满足服务需求的同时减少了二氧化碳排放和能源消耗。

为获取更多信息，可访问相关公共网站，该网站包含项目的所有相关信息，如项目愿景和目标、与其他项目的关系、项目交付成果等。这些成果为可持续和环境友好的移动宽带通信发展提供了重要支持，有助于缩小数字鸿沟并推动智能增长。