CN102170688A - 一种基于负载的降低基站能耗的功率配置方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负载的降低基站能耗的功率配置方法和装置，特征是基站通过统计获得功率模型，基于自动计时器和配置周期控制功率配置流程，估计得到下一周期平均负载量；基于基站功率模型和不同发送功率下小区平均吞吐量计算最大能量效率所对应的发送功率，基于下一周期平均负载量计算满足数据传输的最低发送功率，取下一周期内基站配置的发送功率为最大能量效率所对应的发送功率与满足数据传输的最低发送功率的最大值。采用本发明的方法和装置所配置的发送功率既能保证小区内用户的数据传输，又能节约基站的能耗，避免了关闭基站带来网络拓扑结构改变和覆盖空洞的问题，能较好折中无数据发送期间消耗的能量与发送数据期间消耗的能量。

Description

一种基于负载的降低基站能耗的功率配置方法和装置
技术领域
本发明属于无线通信系统的节能技术领域，特别涉及降低基站能耗的功率配置方法和装置。
背景技术
无线通信系统中的节能对于降低运营成本和降低能量消耗非常重要。由于基站占据了无线通信系统中大部分的能耗，因此在满足用户服务质量需求的基础上降低基站能耗，是实现无线通信系统节能的关键。
《贝尔实验室技术杂志》(Bell Labs Technical Journal，vol.15，no.2，pp.77-94，Sep.2010)公开的动态基站节能技术，在长时间尺度上利用低负载时通信能力具有余量的特性，采取动态关闭多余基站的方式以减小能量损耗。但该方法需要改变网络拓扑结构；由于基站的布局需要事先经过仔细的网络规划而得到，基站的动态关闭非常容易导致覆盖空洞的产生；为了避免覆盖空洞，需要打开额外的基站来保证覆盖，这使得基站动态关闭的性能受到很大的限制；另外，由于基站的动态关闭操作只能在长时间尺度上实施，因此受到这个时间段内的峰值负载的限制。
第三代合作伙伴计划(3GPP TSG-RAN WG1 #59，R1-094996，Jeju，Kor.，Nov.9-13，2009)公开的一种基站不连续发送技术，在短时间尺度无数据发送时刻，通过关闭功率放大器来节能。但由于该方法难于在不同负载的情况下较好折中无数据发送期间消耗的能量与发送数据期间消耗的能量，从而使节能性能非常有限。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于负载的降低基站能耗的功率配置方法和装置，以在不改变网络拓扑结构的基础上较好折中无数据发送期间消耗的能量与发送数据期间消耗的能量，从而实现在较大程度上的基站节能。
本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置方法，基站在向小区内的用户提供服务的过程中通过统计获得小区负载在不同时间段负载量动态变化的特性，其特征在于：
在基站端测量不同发送功率下的基站能量消耗，通过对一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型，包括：基站数据发送时的功率PAc和基站无数据发送时的功率PM-S；
以自动计时器从基站开机开始计时，每当自动计时器中的时间数值达到由基站系统设定的配置周期T，则触发一次功率配置流程，否则，自动计时器继续计时；
基于测量统计获得的不同时间段的负载量，得出需要发送的小区下一周期平均负载量M；
将不同发送功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)除以基站数据发送时的功率PAc与基站无数据发送时的功率PM-S的差值确定为不同发送功率Ptx配置下的能量效率
Figure BDA0000064073880000021
通过比较确定能量效率最优的发送功率为最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000022
以不同发送功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)乘以配置周期T，得到不同发送功率配置Ptx下的可支持负载量Load＝R(Ptx)×T；
将可支持负载量Load大于下一周期平均负载量M所对应的最小发送功率确定为满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000023
将上述最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000024
与满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000025
中的最大值
Figure BDA0000064073880000026
确定为下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000027
为基站配置下一周期内基站配置的发送功率同时将自动计时器清零。
相应的，本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置的装置，其特征在于以功率模型获取单元101获取基站功率模型，配置周期计时单元102以比较器112对自动计时器111的时间数值与根据基站系统设定的配置周期的大小作比较判断并触发功率配置流程，负载估计单元103基于测量统计获得的不同时间段的负载量得出下一周期平均负载量，发送功率确定单元104根据功率模型获取单元101所获得的基站功率模型和负载估计单元103得出的下一周期平均负载量确定下一周期内基站配置的发送功率，发送功率配置单元105为基站配置由发送功率确定单元104确定的下一周期内基站配置的发送功率，并对配置周期计时单元102内的自动计时器111清零；
其中，所述功率模型获取单元101由测量模块106和参数统计模块107组成，测量模块106测量不同发送功率下的基站能量消耗，参数统计模块107对测量模块106一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型，包括：基站数据发送时的功率和基站无数据发送时的功率；
所述配置周期计时单元102由自动计时器111和比较器112组成，比较器112对自动计时器111的时间数值与配置周期的大小进行判断：每当自动计时器111中的时间数值达到由基站系统设定的配置周期T，则触发一次功率配置流程，否则，自动计时器111继续计时；
所述负载估计单元103在配置周期计时单元102触发功率配置流程时，基于测量统计获得的不同时间段的负载量得出下一周期平均负载量；
所述发送功率确定单元104由能量效率最优模块108、满足数据传输模块109和功率确定模块110组成，其中能量效率最优模块108根据功率模型获取单元101获取的基站功率模型计算不同发送功率配置下的能量效率，通过比较能量效率确定最大能量效率所对应的发送功率；满足数据传输模块109计算不同发送功率配置下的可支持负载量，通过比较来确定满足数据传输的最低发送功率为：可支持负载量大于负载估计单元103得到的下一周期平均负载量所对应的最低发送功率；功率确定模块110比较能量效率最优模块108所输出的最大能量效率所对应的发送功率和满足数据传输模块109所输出的满足数据传输的最低发送功率，将其中的最大值确定为下一周期内基站配置的发送功率。
本发明基于负载的降低基站能耗的功率配置方法和装置，由于采取周期性的配置发送功率为最大能量效率的发送功率与满足数据传输的最小发送功率的最大值，所配置的发送功率能够在满足小区数据传输需求基础上最大化能量效率，这样既能保证小区内用户的数据传输，又能节约基站的能耗；与现有动态基站节能技术比较，本发明避免了关闭基站带来的网络拓扑结构改变和覆盖空洞的问题；与基站不连续发送技术相比，本发明能够较好折中无数据发送期间消耗的能量与发送数据期间消耗的能量。
附图说明：
图1为本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置装置原理示意图。
图2为本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置方法的实施步骤流程框图。
图3为基站测量统计获得的前四天不同时间段的负载变化量示意图。
图4为负载估计单元估计得到的配置周期T在一天中不同时间段需要发送的数据量M的示意图。
图5为能量效率与发送功率关系的仿真曲线。
图6为可支持负载量与发送功率关系的仿真曲线。
图7为本发明功率配置方法与固定功率方法的能耗性能比较的仿真图。
具体实施方式：
以下结合附图说明本方法的实施例。
实施例1：
图1为本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置装置原理示意图。
本发明的基于负载的降低基站能耗的功率配置装置包括：
功率模型获取单元101：由测量模块106和参数统计模块107组成，测量模块106测量不同发送功率下的基站能量消耗，参数统计模块107对测量模块106一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型，包括：基站数据发送时的功率PAc和基站无数据发送时的功率PM-S。
配置周期计时单元102：由自动计时器111和比较器112组成，通过比较器112对自动计时器111的时间数值与根据基站系统设定的配置周期T的大小进行比较判断：当自动计时器111的时间数值达到配置周期T时触发功率配置流程，否则，自动计时器111继续计时。
负载估计单元103：在配置周期计时单元102触发功率配置流程时，基于测量统计获得的不同时间段的负载量得出下一周期平均负载量M即小区需要发送的平均数据量。
发送功率确定单元104：由能量效率最优模块108、满足数据传输模块109和功率确定模块110组成，其中能量效率最优模块108根据功率模型获取单元101获取的基站功率模型计算不同发送功率Ptx配置下的能量效率EE，通过比较能量效率确定最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000041
满足数据传输模块109计算不同发送功率Ptx配置下的可支持负载量Load，通过比较来确定满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000042
为：可支持负载量Load大于负载估计单元103得到的下一周期平均负载量M所对应的最低发送功率；功率确定模块110比较能量效率最优模块108所输出的最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000043
和满足数据传输模块109所输出的满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000044
将其中的最大值确定为下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000046
发送功率配置单元105：配置基站的发送功率为发送功率确定单元104确定的下一周期内基站配置的发送功率并清零配置周期计时单元102的自动计时器111。
图2给出了本发明基于负载的降低基站能耗的功率配置方法的一种具体实施步骤流程框图。
本发明基于负载的降低基站能耗的功率配置方法包括：
功率模型获取步骤201：功率模型获取单元101通过测量和统计得到基站功率模型，其中，测量模块106测量不同发送功率下的基站能量消耗，参数统计模块107对测量模块106一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型：包括基站数据发送时的功率PAc和基站无数据发送时的功率PM-S，其中，一种典型的基站功率模型可以表示如下：基站数据发送时的功率PAc为发送功率Ptx乘以功率放大器效率aBS的积与其他功率bBS的和，即PAc＝aBSPtx+bBS，其中，其他功率bBS表示线路功率、信号处理等模块消耗的功率；在基站无数据发送时，由于功率放大器、信号处理等模块都已经关闭，因此，基站无数据发送时的功率PM-S是一个常数。
计时器计时步骤202：配置周期计时单元102以自动计时器111从基站开机开始计时。
计时判断步骤203：配置周期计时单元102判断自动计时器111的时间数值是否超出了基站系统设定的配置周期T，每当自动计时器111中的时间数值达到由基站系统设定的配置周期T，则触发一次功率配置流程，进入负载量估计步骤204，开始进行发送功率配置流程，否则，回到计时器计时步骤202，自动计时器111继续计时；配置周期T的设置根据小区负载的变化大小进行设置，尽量保证在配置周期T内，小区平均负载基本一致，不会发生很大的变化。
负载量估计步骤204：负载估计单元103根据基站测量统计获得的不同时间段的负载量，估计下一配置周期T内下一周期平均负载量M；负载量的估计可以根据前几天或几周时间内同一时间段的负载量取平均值获得，为了避免负载的突发性导致服务得不到满足的情况，可以将估计的下一周期平均负载量适当进行调整，如取估计下一周期平均负载量为平均值的110％。
发送功率确定步骤205：发送功率确定单元104确定下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000061
能量效率最优模块108基于功率模型获取步骤201功率模型获取单元101获得的基站功率模型计算不同发送功率Ptx下对应的能量效率EE，对于不同的发送功率Ptx，可以估计得到小区平均吞吐量R(Ptx)，则能量效率EE定义为不同发送功率Ptx对应的小区平均吞吐量R(Ptx)除以基站数据发送时的功率PAc和基站无数据发送时的功率PM-S的差值：比较不同发送功率Ptx对应的能量效率EE的大小，确定最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000063
同时，满足数据传输模块109计算不同发送功率Ptx配置下的可支持负载量Load为不同功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)乘以配置周期T，即：Load＝R(Ptx)×T，确定满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000064
为：可支持负载量Load大于根据负载量估计步骤204中负载估计单元103获得的下一周期平均负载量M所对应的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000065
功率确定模块110根据最大能量效率所对应的发送功率和满足数据传输的最低发送功率确定下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000068
为二者的最大值
Figure BDA0000064073880000069
发送功率配置步骤206：发送功率配置单元105根据发送功率确定步骤205发送功率确定单元104获得的下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA00000640738800000610
对基站的发送功率进行配置，同时将配置周期计时单元102的自动计时器111清零，回到计时器计时步骤202。
作为负载估计的一个具体例子，本实施例中配置周期T设为一个小时，根据前四天前的不同时间段的负载量，估计得到下一周期平均负载量M变化情况。其中，图3为基站测量统计获得的前四天不同时间段的负载量变化示意图，图4为负载估计单元103估计得到的下一周期平均负载量M的示意图。图3中，横坐标1代表前四天中第一天凌晨0点到1点的负载量，横坐标2代表前四天中第一天凌晨1点到2点的负载量，同时，横坐标25代表前四天中第二天凌晨0点到1点的负载量，横坐标49代表前四天中第三天凌晨0点到1点的负载量，以此类推。由图3可见，在上午九点到十二点，下午十五点到十八点，负载量最高，而凌晨一点到七点负载量最低，其余时间负载量中等。根据图3得到的负载估计的情况，可以根据如下方法得到图4，即：下一周期平均负载量M。如果下一配置周期T位于凌晨0点到1点，则确定下一周期平均负载量M为图3中1、25、49和73四个时间段负载量的平均值，以此类推，如下一配置周期T位于时间段i点到i+1点，其中，i为大于等于0小于等于23的整数，则确定下一周期平均负载量M为图3中i+1、i+25、i+49和i+73四个时间段负载量的平均值。根据以上流程，图4估计得到的下一周期平均负载量M具有与图3类似的特点：在上午九点到十二点，下午十五点到十八点，负载量最高，而凌晨一点到七点负载量最低，其余时间负载量中等。
图5和图6给出了基于基站功率模型和下一周期平均负载量M确定配置功率的示意：其中图5为能量效率EE与发送功率Ptx关系的仿真曲线a，图6为可支持负载量Load与发送功率Ptx关系的仿真曲线b。能量效率EE与发送功率Ptx关系的仿真曲线a根据基站功率模型和不同发送功率Ptx对应的小区平均吞吐量R(Ptx)得到，可以看到，从0dBm到25dBm，能量效率EE是单调递增的，从25dBm之后，能量效率EE是单调递减的，因此，可以确定最大能量效率所对应的发送功率
Figure BDA0000064073880000071
可支持负载量Load与发送功率关系Ptx的仿真曲线b根据满足数据传输模块109计算不同发送功率Ptx配置下的可支持负载量Load为不同发送功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)乘以配置周期T得到，可以看到，随着发送功率Ptx的增大，可支持负载量Load单调递增，但当发送功率Ptx大于30dBm之后，可支持负载量Load的增长逐渐趋缓。根据图4得到的下一周期平均负载量M，如：在下一配置周期T位于下午17点到18点时，下一周期平均负载量M约为1×105兆比特，根据图5，可支持负载量Load为1×105兆比特的时候，对应的满足数据传输的最低发送功率
Figure BDA0000064073880000072
因此，结合图5和图6，在下一配置周期T位于下午17点到18点时，下一周期平均负载量M约为1×105兆比特的时候，下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000073
应为
Figure BDA0000064073880000074
和
Figure BDA0000064073880000075
的最大值
Figure BDA0000064073880000076
以此类推可以得到其他时间段的下一周期内基站配置的发送功率
Figure BDA0000064073880000081
图7为本发明基于负载的降低基站能耗的功率配置方法与固定发送功率方法的能耗性能比较的仿真图，该图给出了本实施例中使用本发明功率配置方法的能耗c与固定发送功率的能耗d，如图7可以看到，本发明功率配置方法的能耗c大约为3.3×107焦耳，而固定发送功率的能耗d大约为2.1×107焦耳，因此，使用本发明功率配置方法，可以获得超过30％的能耗节省。
本发明通过在基站端测量获得基站功率模型；基于自动计时器和配置周期控制功率配置流程；根据基站测量统计获得不同时间段的负载量，得到下一周期平均负载量；基于基站功率模型和不同发送功率下的小区平均吞吐量获得最大能量效率所对应的发送功率，基于下一周期的平均负载量计算满足数据传输的最低发送功率，取下一周期内基站配置的发送功率为最大能量效率所对应的发送功率与满足数据传输的最低发送功率的最大值；配置下一周期内基站配置的发送功率；本发明周期性的配置发送功率为最大能量效率所对应的发送功率与满足数据传输的最低发送功率的最大值，所配置的发送功率能够在满足小区数据传输需求基础上最大化能量效率，这样既能保证小区内用户的数据传输，又能节约基站的能耗。

Claims (2)

1.一种基于负载的降低基站能耗的功率配置方法，基站在向小区内的用户提供服务的过程中通过统计获得小区负载在不同时间段负载量动态变化的特性，其特征在于：
在基站端测量不同发送功率下的基站能量消耗，通过对一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型，包括：基站数据发送时的功率PAc和基站无数据发送时的功率PM-S；
以自动计时器从基站开机开始计时，每当自动计时器中的时间数值达到由基站系统设定的配置周期T，则触发一次功率配置流程，否则，自动计时器继续计时；
基于测量统计获得的不同时间段的负载量，得出需要发送的小区下一周期平均负载量M；
将不同发送功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)除以基站数据发送时的功率PAc与基站无数据发送时的功率PM-S的差值确定为不同发送功率Ptx配置下的能量效率
Figure FDA0000064073870000011
通过比较确定能量效率最优的发送功率为最大能量效率所对应的发送功率
Figure FDA0000064073870000012
以不同发送功率Ptx配置下的小区平均吞吐量R(Ptx)乘以配置周期T，得到不同发送功率配置Ptx下的可支持负载量Load＝R(Ptx)×T；
将可支持负载量Load大于下一周期平均负载量M所对应的最小发送功率确定为满足数据传输的最低发送功率将上述最大能量效率所对应的发送功率
Figure FDA0000064073870000014
与满足数据传输的最低发送功率中的最大值确定为下一周期内基站配置的发送功率
为基站配置下一周期内基站配置的发送功率同时将自动计时器清零。
2.一种基于负载的降低基站能耗的功率配置的装置，其特征在于以功率模型获取单元(101)获取基站功率模型，配置周期计时单元(102)以比较器(112)对自动计时器(111)的时间数值与根据基站系统设定的配置周期的大小作比较判断并触发功率配置流程，负载估计单元(103)基于测量统计获得的不同时间段的负载量得出下一周期平均负载量，发送功率确定单元(104)根据功率模型获取单元(101)所获得的基站功率模型和负载估计单元(103)得出的下一周期平均负载量确定下一周期内基站配置的发送功率，发送功率配置单元(105)为基站配置由发送功率确定单元(104)确定的下一周期内基站配置的发送功率，并对配置周期计时单元(102)内的自动计时器(111)清零；
其中，所述功率模型获取单元(101)由测量模块(106)和参数统计模块(107)组成，测量模块(106)测量不同发送功率下的基站能量消耗，参数统计模块(107)对测量模块(106)一段时间内的测量所得不同发送功率下的基站能量消耗进行统计平均获取基站功率模型，包括：基站数据发送时的功率和基站无数据发送时的功率；
所述配置周期计时单元(102)由自动计时器(111)和比较器(112)组成，比较器(112)对自动计时器(111)的时间数值与配置周期的大小进行判断：每当自动计时器(111)中的时间数值达到由基站系统设定的配置周期T，则触发一次功率配置流程，否则，自动计时器(111)继续计时；
所述负载估计单元(103)在配置周期计时单元(102)触发功率配置流程时，基于测量统计获得的不同时间段的负载量得出下一周期平均负载量；
所述发送功率确定单元(104)由能量效率最优模块(108)、满足数据传输模块(109)和功率确定模块(110)组成，其中能量效率最优模块(108)根据功率模型获取单元(101)获取的基站功率模型计算不同发送功率配置下的能量效率，通过比较能量效率确定最大能量效率所对应的发送功率；满足数据传输模块(109)计算不同发送功率配置下的可支持负载量，通过比较来确定满足数据传输的最低发送功率为：可支持负载量大于负载估计单元(103)得到的下一周期平均负载量所对应的最低发送功率；功率确定模块(110)比较能量效率最优模块(108)所输出的最大能量效率所对应的发送功率和满足数据传输模块(109)所输出的满足数据传输的最低发送功率，将其中的最大值确定为下一周期内基站配置的发送功率。
Figure FDA0000064073870000031
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