绿色通信：超蜂窝网优化资源能效

当前全球的能源和环境危机日益严重，节能减排成了各行业需要认真面对的严肃课题。数据显示，中国移动2011年能源消耗超过了200万吨标准煤，其中，电力占到81%%。而在整体耗电量中，基站和机房又占了88%%。爱立信2009年数据显示，大约80%%基站在80%%的时间里负载都低于20%%，但尽管如此，大部分基站在大部分时间里仍然按照设计(峰值)功率在消耗能量，这造成了巨大的能源浪费。有什么方法可以改变这种现状呢?IEEE会士、清华大学教授牛志升日前接受《中国电子报》专访时表示：“清华大学牵头承担的国家‘973计划’项目‘能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究’正试图从系统和网络的角度解决这个问题，把蜂窝网络的能效在2010年的基础上提高10倍以上”。

绿色通信架构超蜂窝网

牛志升说：“绿色通信近年来逐渐升温，最早较有影响力的是英国2009年启动的Green Radio项目和欧盟2010年启动的EARTH项目，目前规模比较大的是GreenTouch联盟，它由贝尔实验室牵头，联合了来自全球70多家的企业、运营商及大学等研究机构参加。中国移动、华为、清华大学等也参与其中。”

我国对绿色通信的基础研究也越来越重视。作为“能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究”项目首席科学家，牛志升表示，这是我国第一个以绿色通信为主题的国家级研究项目，代表着从基础研究做起的趋势。

“原有的蜂窝网络，主要目标是提高频谱利用率，采用以基站为中心的静态设计理念，通常根据业务的峰值流量和网络的无缝覆盖需求配备基站资源，其功率、发射范围和能耗都是相对固定的。”牛志升说，“然而目前蜂窝网络的网络环境与以前相比有了很大不同，业务种类越来越多、业务分布越来越不均匀、对网络容量的要求也越来越高，这就需要蜂窝小区的覆盖变得越来越小，基站需要发射更大的功率以抵消不断增长的小区间同频干扰。”

要想在不牺牲频谱效率、甚至还需要提高频谱效率的前提下大幅度地提升能量效率，单靠传输技术的提高是很难实现的。为此，需要从系统和网络的角度寻找解决途径。牛志升提出了“超蜂窝网”的理念，其核心是实现蜂窝网络的动态架构，保证能量效率和频谱效率的同步提高。

能量与业务量共跳“探戈”

超蜂窝网络架构是在现有蜂窝覆盖的基础上，让蜂窝具备智慧，可以根据业务流量的变化调整能耗。“我们借鉴了固网引入程控交换时加入‘7号信令’的模式，在蜂窝网中建立单独的信令控制网，以控制基站的覆盖，使控制覆盖和业务覆盖相分离。信令控制网络只需以较低的能量维持控制信号的覆盖，能保证用户的可连通性即可。”牛志升说，“而在网络覆盖得到保障的基础上，业务覆盖则可以根据实际业务需求柔性地进行布置，并随时根据网络状况及业务需求的变化调整其覆盖模式、覆盖范围和服务方式。信令控制网负责协调不同基站的休眠、唤醒和调整发射功率。”

牛志升把这种形式很形象地比喻为能量与业务的一场“探戈”(TANGO: Traffic-Aware Network planning and Green Operation)，在不同时段，根据用户数量和业务量的多少，动态地调整基站的覆盖范围，包括令部分极低负载的基站进入休眠状态，从而节约大量基站能耗。其中，一个核心技术为 “Cell zooming(蜂窝变焦)”，能够动态调节基站的覆盖范围，就像原来固定焦距的照相机，照相的时候要往前站往后站，现在有了变焦，就可以通过调焦距实现调整。蜂窝基站位置不能动，但覆盖范围可以扩大缩小。根据基站周围其他基站的变化调整，减少互相干扰，还能减少功耗。4G网络的容量要求进一步提高，单基站覆盖范围仅有一二百米，这种基站控制与业务分开的模式在4G网络中将更有前途。 “与以往不同，这次的项目还有中国电信和华为公司的参与，使我们在研究时候就能够更加贴近产业，而且我们希望有更多的企业会有兴趣参与进来。”牛志升说。

业务识别 转换服务方式

除去基站架构的调整，改变服务方式也能够节约能效。现在的蜂窝网络大部分都是点对点服务。有分析表明未来移动通信系统中，高速数据占1/5、视频业务占2/3，语音服务只占一小部分。而除了语音服务外，相当一部分数据业务和视频业务并不需要用到点对点通信，而可采用点对多点的形式，这样对降低能耗也起到积极的作用。比如手机报，用点对点方式传播，传100份手机报就需要消耗100次能量，但如果用广播或者多播的形式，只需要消耗一次能量就行。无线数据业务和视频业务还会出现一定的趋同性，即很多用户在相同的空间范围和时间范围内对网上的同一个数据或视频内容感兴趣。

“我们可以主动利用业务内容的差异性和趋同性，通过引入差异化服务机制来为不同的业务提供按需适度服务，从而提高网络资源和能量的利用率。”牛志升说，“原来移动通信，强调提供3A服务(Anytime、Anywhere、Any media)，即在任何时间、任何地点通过任何介质都可以连接移动网络。我认为，未来绿色通信应该提供3R服务(Right time、Right place、Right service)，即在需要的时候需要的地点提供最适当的服务。对非实时业务，通过主动改变调制方式等手段，以一定的延时来换取能量效率。”

在“能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究”项目中，研究和设计超蜂窝网络的体系细化到六个方面：一、网络能效理论与超蜂窝体系架构;二、超蜂窝网络的柔性覆盖与控制理论;三、能效优先的传输理论与弹性接入方法;四、超蜂窝网络协作机制与资源优化方法;五、用户群体行为建模与高能效服务方法;六、业务特征认知与高能效差异化服务方法。