CN102413554A - 一种基于异构蜂窝无线网络的节能方法及其实现结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于异构蜂窝无线网络的节能方法及其实现结构。所述方法通过蜂窝小区动态打开与关闭实现，包括如下步骤：（1）基础小区基站确定辅助小区状态信息；（2）判断辅助小区是否处于睡眠状态，若是执行步骤（3），否则执行步骤（4）；（3）基础小区基站作小区唤醒判决，当基础小区负载超过系统负载阈值时向辅助小区发送小区唤醒呼叫指令，激活辅助小区处理用户接入请求；（4）辅助小区基站作小区关闭判决，选择性地关闭辅助小区，向基础小区发送小区关闭指令，表明基于节省网络能量目的关闭辅助小区，基础小区基站处理用户接入请求。

Description

一种基于异构蜂窝无线网络的节能方法及其实现结构

技术领域

本发明涉及蜂窝无线通信网络，特别涉及一种在利用两种以上类型基站布网的异构蜂窝网络中降低网络能量消耗的方法及其实现结构。

背景技术

近年来，由于温室气体的过量排放和全球变暖问题的加剧，对生态环境的保护以及减少人类活动对环境的负面影响已然日趋严峻。由于用户数的周期指数级的攀升，各种通信网络的规模越来越大，信息与通信技术产业(ICT产业)的能量消耗占世界总能耗的比例也迅速增加，ICT产业正逐步发展成为高能量消耗行业。目前，ICT产业消耗全球2％-10％的电能，但是这一能耗比例在现有能源使用模式下正在以每十年翻一倍的速度增加。因此，基于保护生态环境的目的，提高通信系统的能量利用效率十分必要。

除了社会责任和保护生态环境的义务的出发点之外，改善ICT产业的能量有效性同样有其经济方面的因素和商业动力。在各大移动运营商的各种运营成本中，能耗成本占了近一半的比例。因此，改善ICT产业的能量有效利用从商业化的角度来看可以为运营商带来更加巨大的利润空间，为通信企业的可持续发展创造有利条件。

蜂窝网络作为ICT产业的占据十分重要地位的组成部分，其能量消耗也同样占了ICT产业的极大一部分。现有的蜂窝网络基本上都是基于满足峰值期用户容量需求的原则而设计。然而，蜂窝网络用户峰值时刻很少出现，由于用户的行为模式具有白天-夜晚差异性以及用户在办公区与住宅区之间的规律往返活动，蜂窝网络的负载流量在不同时刻不同地点波动较大，呈现出明显的时空差异性特征。网络负载的这种时空差异性特征正好与蜂窝网络的最大化容量的设计准则背道而驰。这样一来，当网络中的负载流量较低时(例如，白天住宅区的负载流量或者晚上办公区的负载流量)，大量蜂窝基站虽然没有用户接入却维持工作状态，以维持峰值流量，从而造成整个网络能量的极大浪费。如果能够让蜂窝网络根据网络流量的变化动态调整各个基站的工作状态，使得在网络负载较低时关闭部分不必要的基站，将大大的减少网络能量的浪费，改善网络能量的利用效率。

然而，在现有的技术标准中，例如，3GPP的各大标准，都没有考虑到降低蜂窝网络的能量消耗问题，自然就没有对应的解决方案和协议支持。虽然节约能量作为一个口号已经出现在3GPP RAN工作组的会议议程当中，但到目前为止没有制定任何关于提高蜂窝网络的能量有效性的标准。现有的蜂窝基站依然是一旦投入运营就一直维持工作状态，即使服务区域中没有用户需要服务，基站也同样消耗极大部分能量，能量浪费现象十分严重，造成蜂窝网络整体的能量利用效率十分低。

虽然在部分蜂窝网络中，例如GSM网络，有相关的标准提出根据网络中的用户负载的变化调整子载波的个数，动态打开或者关闭一个或多个子载波，以减少能量的不必要浪费。但是单个子载波的能量消耗十分有限，这只能局部缓和蜂窝网络基站能量严重浪费的问题，无法彻底解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向异构无线通信网络的蜂窝小区动态切换在工作状态与睡眠状态的方法，使网络中的部分小区基站在通信网络负载值较低的情况下进入睡眠状态，降低整体异构无线通信网络的能量消耗，从而解决在蜂窝网络中的用户较少或者完全没有用户的情况下基站依然维持工作状态带来的严重的能量浪费问题。

本发明的思路是：在分层蜂窝网络中，根据网络环境参数的变化，诸如反映蜂窝小区负载水平的统计参数、负载均衡操作触发统计量等等，为了降低分层蜂窝网络的能量消耗以提高整体网络的能量的利用效率，在需要时交替地增加或者减少工作状态的蜂窝小区。

具体地说，本发明实现其目的所采取的技术方案是：该面向异构无线通信网络的蜂窝小区动态打开和关闭方法是：

本发明异构无线通信网络至少包括两种类型的蜂窝小区：第一类蜂窝小区为基础小区，用于保证服务区域内的基本无线覆盖；第二类蜂窝小区为辅助小区，用于增加网络中的用户容量，可与基础小区进行通信。本发明异构无线通信网络采用垂直分层结构(Hierarchical Clustering Structure，HCS)，基础小区位于HCS结构底层，而辅助小区则位于HCS结构上层，基础小区和辅助小区之间通过双工通信链路进行通信。

本发明所述节能方法包括以下步骤：

(1)基础小区的基站读取在该基础小区的服务范围内的辅助小区的工作状态信息，并判断辅助小区是否处于睡眠状态：如果辅助小区处于睡眠状态，则执行步骤(2)，否则执行步骤(7)；

(2)基础小区的基站统计其所服务的基础小区的用户负载值；

(3)判断基础小区的用户负载值是否超过该基础小区的用户负载阈值：如果基础小区的用户负载值大于该基础小区的用户负载阈值，则执行步骤(4)，否则返回执行步骤(2)；

(4)基础小区的基站向在其服务范围内的辅助小区的基站发送小区唤醒呼叫指令；

(5)辅助小区的基站接收所述小区唤醒呼叫指令，然后向对应的基础小区的基站重新发送辅助小区定义消息，并读取已保存的小区配置信息，恢复该辅助小区至工作状态；

(6)基础小区的基站向在其服务范围内的辅助小区的基站发送用户终端切换指示消息，辅助小区的基站接收该用户终端切换指示消息，并处理对应用户的接入请求；

(7)辅助小区的基站监测该辅助小区的用户负载值；

(8)判断基础小区与辅助小区的用户负载值之和是否大于该基础小区的用户负载阈值：如果基础小区与辅助小区的实时用户负载值之和大于该基础小区的用户负载阈值，则返回执行步骤(7)，否则执行步骤(9)；

(9)生成小区关闭指令并发送至辅助小区配置信息模块，更新并保存辅助小区配置信息，并向基础小区的基站发送更新后的辅助小区配置信息，然后关闭辅助小区的基站，使对应的辅助小区进入睡眠状态，对应基础小区接收辅助小区发送的小区关闭指令和辅助小区配置信息，保存辅助小区配置信息；

(10)辅助小区的基站向基础小区的基站发送用户终端切换指示消息，基础小区的基站接收该用户终端切换指示消息，并处理对应用户的接入请求；后返回步骤(1)。

进一步地，本发明所述基础小区的用户负载值为基础小区内的用户数统计量或基础小区内的用户流量统计量。

进一步地，本发明所述基础小区的用户负载阈值为该基础小区的基站所能容纳的用户流量统计量的上限，或者为基础小区的基站所能服务的用户数统计量的上限。

进一步地，本发明所述辅助小区的用户负载值为该辅助小区内的用户数统计量或者辅助小区内的用户流量统计量。

进一步地，本发明所述辅助小区的用户负载阈值为辅助小区的基站所能容纳的用户流量统计量的上限，或者为辅助小区的基站所能服务的用户数统计量的上限。

本发明还公开了一种用于实现本发明面向异构无线通信网络节能方法异构无线通信网络。该异构无线通信网络包括两种类型的蜂窝小区：基础小区和辅助小区，网络采用垂直分层结构(HCS)，其中，基础小区位于HSC结构底层，辅助小区位于HCS结构上层。

所述基础小区的基站包括：

(1)基础小区无线覆盖模块，该模块与基础小区基站的天线相连，用于为基础小区内的用户提供基本的信号覆盖控制；

(2)基础小区配置信息模块，用于保存基础小区的配置信息、接收辅助小区基站的小区关闭模块所发送的小区关闭指令、保存辅助小区的小区配置信息、统计并保存该基础小区内用户负载值、向小区呼叫唤醒模块发送用户负载值；

(3)基础小区相邻小区关系模块，用于管理基础小区与在该基础小区基站覆盖范围下的辅助小区之间的相邻关系的变化、用于接收基础小区配置信息模块转发的小区关闭指令、用于更新基础小区与在该基础小区基站覆盖下的辅助小区的相邻关系、向基础小区配置信息模块发送相邻关系变化信号；

(4)小区唤醒呼叫模块，该模块与基础小区配置信息模块相连，用于接收基础小区配置信息模块所传送的基础小区的用户负载值信息，并向辅助小区基站发送小区唤醒呼叫指令，使相邻辅助小区恢复正常工作状态；

所述辅助小区的基站包括：

(1)小区关闭模块，用于关闭辅助小区的基站，使辅助小区进入睡眠状态；用于向基础小区相邻小区关系模块发送小区关闭指令、向该辅助小区的无线覆盖模块发送小区关闭指令、向辅助小区配置信息模块发送小区关闭指令、接收辅助小区配置信息模块传送的辅助小区的用户负载值信息；

(2)辅助小区无线覆盖模块，用于接收小区关闭模块发送的小区关闭指令，同时控制辅助小区的基站天线执行关闭操作；且该辅助小区无线覆盖模块与辅助小区的基站天线连接，用于为辅助小区内的用户提供基本的信号覆盖控制；

(3)辅助小区配置信息模块，用于在辅助小区被关闭时保存该辅助小区的配置信息、用于接收小区关闭模块发送的小区关闭指令、用于统计并保存该辅助小区内的用户负载值、用于向小区关闭模块传送辅助小区的用户负载值信息、以及用于向辅助小区相邻小区关系模块转发小区关闭模块发送的小区关闭指令或接收辅助小区相邻小区关系模块发送的相邻关系变化信号；

(4)辅助小区相邻小区关系模块，用于管理辅助小区与其所在基础小区基站覆盖范围内的基础小区之间的相邻关系的变化、用于接收辅助小区配置信息模块转发的小区关闭指令、用于更新辅助小区与其所在基础小区基站覆盖范围内的基础小区的相邻关系、用于向辅助小区小区配置信息模块发送相邻关系变化信号。

进一步地，本发明所述小区呼叫唤醒模块包括：

小区唤醒决策子模块，用于接收基础小区配置信息模块发送的基础小区的用户负载值信息，并利用基础小区中的用户负载值的变化作小区唤醒判决，并将决策信号发送到小区唤醒呼叫指令生成子模块中；

小区唤醒呼叫指令生成子模块，用于生成小区唤醒呼叫指令，并向辅助小区基站的小区关闭模块发送小区唤醒呼叫指令。

进一步地，本发明所述小区关闭模块包括小区开启子模块，用于接收基础小区基站的小区唤醒呼叫模块所发送的小区唤醒呼叫指令、向辅助小区无线覆盖模块和辅助小区配置信息模块转发小区唤醒呼叫指令以打开辅助小区。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式中异构无线通信网络的拓扑图；

图2为本发明基于异构无线通信网络的蜂窝小区动态打开与关闭方法的流程图；

图3为实现本发明蜂窝小区动态打开与关闭方法的基础小区基站操作流程图；

图4为实现本发明蜂窝小区动态打开与关闭方法的辅助小区基站操作流程图；

图5为说明基础小区基站与辅助小区基站之间操作与信令传递的方框图；

图6为基于异构无线通信网络蜂窝小区动态打开与关闭方法的基础小区基站的结构方框图；

图7为小区唤醒呼叫模块的结构方框图；

图8为基于异构无线通信网络蜂窝小区动态打开与关闭方法的辅助小区基站的结构实现方框图。

具体实施方式

为能够方便地解释本发明的技术方案，以下以图1所示的异构无线蜂窝网络为例。需要说明的是，图1所示的异构无线蜂窝网络并不是对本发明所用的异构无线通信网络的限制。对任何具有两种以上类型基站的分层形式网络，本发明均适用。

作为本发明的一种实施方式，在图1所示的异构无线蜂窝网络中，包括两层网络：宏蜂窝网络层与微蜂窝网络层。宏蜂窝小区A1、A2构成宏蜂窝网络层，对应于本发明的基础小区，用于保证服务区域内用户的基本无线覆盖。在每个宏蜂窝小区中部署若干个微蜂窝小区则构成微蜂窝网络层，即如图1中的B1、B2、B3所示，它们以热区接入点形式存在，覆盖区域与宏蜂窝小区部分重叠，每个宏蜂窝小区内的微蜂窝小区形成邻居小区对，微蜂窝小区对应于本发明的辅助小区。

图1所示的异构无线蜂窝网络使用的蜂窝小区有一个基本特征：第一类宏蜂窝小区A1、A2用于向通信网络用户提供基本的无线覆盖；第二类微蜂窝小区作为辅助小区与第一类宏蜂窝小区以相邻小区关系的方式互相关联；微蜂窝小区可以根据小区中的总体负载值变化和负载均衡信息，例如宏蜂窝基站向微蜂窝基站触发的负载均衡操作请求数统计量，而执行交替打开与关闭操作。

具体如图2所示，以宏蜂窝小区A1为例，本发明面向异构无线通信网络的基于降低网络能量消耗的蜂窝小区动态打开和关闭方法的步骤如下：

步骤1：宏蜂窝小区的基站A1首先访问该宏蜂窝宏蜂窝相邻小区关系模块，在相邻小区关系列表中找到与其具有相邻关系的微蜂窝小区B1、B3，然后访问宏蜂窝小区的基站A1中的宏蜂窝小区基站配置信息模块，读取与其具有相邻关系的微蜂窝小区B1、B3的工作状态，并判断微蜂窝小区是否处于睡眠状态，例如：如果该宏蜂窝小区配置信息模块中保存的微蜂窝小区的工作状态的值为“1”，则表示该微蜂窝小区处于工作状态；如果该宏蜂窝小区配置信息模块中保存的微蜂窝小区的工作状态的值为“0”，则表示该微蜂窝小区处于睡眠状态。如果微蜂窝小区处于睡眠状态，则执行步骤1；否则执行步骤7。

步骤2：宏蜂窝小区的基站A1通过访问宏蜂窝小区的小区配置信息模块，统计其所服务宏蜂窝小区内的用户负载值，该负载值通常为宏蜂窝小区的服务范围内的用户数统计量，或者宏蜂窝小区内的服务范围内的用户流量统计量。

步骤3：判断宏蜂窝小区内的用户负载值是否超过该宏蜂窝小区的用户负载阈值，该阈值可为该宏蜂窝小区的基站所能容纳的用户流量统计值的上限，或者该宏蜂窝小区的基站所能服务的用户数统计量的上限，一般预先根据该小区长期服务用户数或者用户流量统计量进行设定，本实施例中设宏蜂窝小区A1的基站的上限阈值为γ_A1，微蜂窝小区B1的基站的上限阈值设为γ_B1，微蜂窝小区B3的基站的上限阈值为γ_B3；如果宏蜂窝小区内的用户负载值大于该宏蜂窝小区的用户负载阈值，即实时用户负载值大于γ_A1，则执行步骤4，否则返回执行步骤2。

步骤4：宏蜂窝小区的基站A1的唤醒呼叫模块进行决策，若γ_A1≤用户负载值≤γ_A1+γ_B1，则A1生成并向B1的小区关闭模块发送呼叫唤醒信号，若≤γ_A1+γ_B1+γ_B3，则A1生成并向B1、B3的小区关闭模块发送呼叫唤醒信号；由于向多个微蜂窝小区的基站发送呼叫唤醒信号与向单个微蜂窝小区的基站发送呼叫唤醒信号，后续的工作模式相同，并不影响本专利的描述，所以在此假设实时用户负载值始终满足：

实时用户负载值≤γ_A1+γ_B1，

即A1生成并只需向B1的小区关闭模块发送呼叫唤醒信号，以宏蜂窝小区A1的基站与微蜂窝小区B1的基站之间的相互协调工作为例进行说明。

步骤5：微蜂窝小区B1的基站的小区关闭模块接收所述小区唤醒呼叫指令，向微蜂窝小区B1的基站的无线覆盖模块发送转发呼叫唤醒指令，使其重新处于工作状态，并向微蜂窝小区B1的基站的小区配置信息模块转发呼叫唤醒模块，更新并保存小区配置信息列表中的工作状态值，并向对应的宏蜂窝小区A1的基站的小区配置信息模块重新发送辅助小区的配置信息恢复该微蜂窝小区至工作状态。

步骤6：宏蜂窝小区A1的基站向在其服务范围内的被呼叫唤醒的微蜂窝小区B1的基站发送用户终端切换指示消息，微蜂窝小区的基站B1接收用户终端切换指示消息，并处理对应用户的接入请求，即微蜂窝小区B1的基站对用户的接入请求给予响应，并开始服务于切换接入的用户通信。

步骤7：微蜂窝小区B1的基站监测该微蜂窝小区内的用户负载值，该用户负载值可为微蜂窝小区B1的服务范围内的用户流量统计值，或者微蜂窝小区B1的服务范围内的用户数统计值，并将该用户负载值存储于微蜂窝小区B1的小区配置信息模块，并发送至宏蜂窝小区A1的基站。

步骤8：宏蜂窝小区A1的基站判断微蜂窝小区B1的基站所服务的实时用户负载值与宏蜂窝小区A1的基站所服务的实时用户负载值之和是否大于该宏蜂窝小区A1的基站的用户负载阈值γ_A1，如果实时用户负载值之和大于该宏蜂窝小区A1的基站的用户负载阈值γ_A1，则返回执行步骤7，否则执行步骤9。

步骤9：微蜂窝小区B1的基站的小区关闭模块生成小区关闭指令，更新微蜂窝小区B1的小区配置信息模块列表中的工作状态为“0”，并向宏蜂窝小区A1发送更新后的小区配置信息，微蜂窝小区B1的基站向宏蜂窝小区A1的基站发送用户终端切换指示消息，等接收到宏蜂窝小区A1的基站的应答后，关闭微蜂窝小区的基站的无线覆盖模块，使对应的微蜂窝小区进入睡眠状态。

步骤10：，宏蜂窝小区A1的基站的小区配置信息模块接收小区关闭指令和更新后的微蜂窝小区B1的小区配置信息，保存微蜂窝小区B1的小区配置信息，并接收该用户终端切换指示消息，给予应答，并处理对应用户的接入请求并服务微蜂窝小区B1的基站切换进入的用户通信；；后返回步骤1。

基于宏蜂窝小区基站装置与微蜂窝小区基站装置结构图，图3、图4为具体实现本发明节能方法的宏蜂窝基站和微蜂窝基站的操作流程图，具体包括：

宏蜂窝小区基站的操作步骤为：

(1)宏蜂窝小区A1的基站的相邻小区关系模块接收微蜂窝小区的小区关闭模块发送的小区关闭指令，说明微蜂窝小区B1基于降低网络能量消耗的目的处于被关闭状态。

(2)微蜂窝小区B1的小区配置模块保存被关闭的如表2所示的微蜂窝小区的小区配置信息。

(3)宏蜂窝小区A1的基站接收微蜂窝小区B1的基站发送的用户终端切换指示消息，并处理用户接入请求，即宏蜂窝小区的基站对用户的接入请求给予响应。

(4)宏蜂窝小区A1的基站监测该宏蜂窝小区A1的用户负载值。

(5)判断宏蜂窝小区A1的用户负载值是否大于该宏蜂窝小区A1的负载阈值δ，如果宏蜂窝小区A1的用户负载值大于该宏蜂窝小区A1的负载阈值，则执行步骤(6)，否则返回执行步骤(4)。

(6)向被关闭的微蜂窝小区B1的基站的小区关闭模块发送小区唤醒呼叫指令，并接收微蜂窝小区B2的基站的小区关闭模块发送的响应信号。

(7)向微蜂窝小区B1的基站发送用户终端切换指示消息，等待微蜂窝小区B1处理用户接入请求，即等待微蜂窝小区B1的基站对用户接入请求给予响应。

微蜂窝小区基站的操作步骤为：

(1)微蜂窝小区B1的基站的小区关闭模块接收宏蜂窝小区的基站的小区唤醒呼叫模块发送的小区唤醒呼叫指令，说明宏蜂窝小区A1需要微蜂窝小区恢复正常工作状态。

(2)打开微蜂窝小区B1的基站，重新广播小区状态消息，获取之前保存的小区配置信息，使得微蜂窝小区B1恢复正常工作状态。

(3)接收宏蜂窝小区A1发送的用户终端切换指示消息，并处理用户的接入请求，提供用户服务。

(4)微蜂窝小区B1的基站监测该微蜂窝小区内的实时用户负载值并保存在小区配置信息列表中，并将微蜂窝小区配置信息发送至宏蜂窝小区A1的基站。

(5)宏蜂窝小区A1的基站判断宏蜂窝小区A1的用户负载值与接收到的微蜂窝小区B1的基站的实时用户负载值之和是否大于该宏蜂窝小区A1的负载阈值α，如果用户负载值之和大于该宏蜂窝小区A1的负载阈值，则返回执行步骤(4)，否则执行步骤(6)。

(6)保存并发送微蜂窝小区B1的小区配置信息至宏蜂窝小区A1的基站。

(7)向宏蜂窝小区A1的基站的相邻小区关系模块发送小区关闭指令，说明微蜂窝小区B1将进入睡眠状态。

(8)向宏蜂窝小区的基站发送用户终端切换指示消息，要求宏蜂窝小区提供用户服务。

(9)关闭微蜂窝小区B1的基站的无线覆盖模块，使微蜂窝小区进入睡眠状态。

图5为说明宏蜂窝小区和微蜂窝小区之间操作和信令传递的方框图。在小区关闭判决后，微蜂窝小区基站执行关闭微蜂窝小区的操作(A)，同时向宏蜂窝小区发送小区关闭指令(B)，表明关闭微蜂窝小区。随后，由于网络中用户负载增加的原因需要关闭的微蜂窝小区恢复正常工作状态，对应的相邻宏蜂窝小区基站执行小区唤醒判决(C)，然后向微蜂窝小区基站发送小区唤醒呼叫指令(D)，微蜂窝小区基站根据接收到的小区唤醒呼叫指令执行打开微蜂窝小区操作(E)，处理用户接入请求。另外，微蜂窝小区可以选择性地向宏蜂窝小区发送一个响应信号(F)，表明打开辅助小区的操作是否成功。

图6、图8示出了本发明的一种基于异构无线通信网络蜂窝小区动态打开与关闭方法的宏蜂窝小区基站装置与微蜂窝小区基站装置的结构示意图。其中，

宏蜂窝小区的基站装置包括：

(1)无线覆盖模块，该模块与基站天线相连，用于为宏蜂窝小区内的用户提供基本的信号覆盖控制。

(2)宏蜂窝小区配置信息模块，模块内部储存宏蜂窝小区配置信息列表、微蜂窝小区配置信息列表，主要实施以下功能：

用于更新并保存宏蜂窝小区的配置信息，宏蜂窝小区的配置信息列表如表1；

该模块与宏蜂窝相邻小区模块存在双向链路，接收微蜂窝小区基站的小区关闭模块所发送的小区关闭指令或者向宏蜂窝相邻小区关系模块转发微蜂窝小区关闭模块发送的小区关闭指令、更新微蜂窝小区的小区配置信息，微蜂窝小区的配置信息列表如表2；

统计并保存该基础小区内用户负载值、并向呼叫唤醒模块发送用户负载值信息，为呼叫唤醒模块做出判决提供基础；

表1

表2

其中，基站位置信息包括基站所在的经度、纬度、高度，如果微蜂窝小区的基站处于工作状态，则用“1”表示，如果微蜂窝小区的基站处于睡眠状态，则用“0”表示；

(3)宏蜂窝相邻小区关系模块，模块内部储存相邻小区关系列表，如表3，用于管理宏蜂窝小区和对应的微蜂窝小区之间的相邻小区关系的变化，该模块与小区配置信息模块之间存在双向链路连接，接收宏蜂窝小区配置信息模块转发的微蜂窝小区关闭指令，更新宏蜂窝小区与对应微蜂窝之间的相邻小区关系；或者向宏蜂窝小区配置信息模块发送相邻关系变化信号；

表3

微蜂窝小区基站编号

相邻关系

其中，如果微蜂窝小区处于宏蜂窝小区的覆盖范围内，则两者之间相关关系用“1”表示，否则用“0”表示；例如图1所示的宏蜂窝小区基站A1、A2，其内部保存的相邻小区关系列表如表4、表5：

表4

微蜂窝小区基站编号	相邻关系
		B1	1
B2	0
		B3	1

表5

微蜂窝小区基站编号	相邻关系
		B1	0
B2	1
		B3	1

在网络初始化阶段以及后续的进程中，相邻关系的会不断地更新变化，主要包括相邻小区关系的建立和移除，下面举例说明：

相邻小区关系的建立：

如果有新的微蜂窝小区出现在宏蜂窝小区基站的覆盖范围内，则微蜂窝小区自动寻找该区域内离其最近的宏蜂窝小区基站，向其发送微蜂窝小区的位置信息并申请与该宏蜂窝小区建立相邻小区关系，宏蜂窝小区基站通过检测微蜂窝小区基站的位置信息是否处于自身覆盖范围内来决定是否与该微蜂窝小区建立相邻关系：

如果是，则发送信号“1”至微蜂窝小区的基站，微蜂窝小区基站将自身的小区配置信息发送至该宏蜂窝小区基站，宏蜂窝小区相邻关系模块更新宏蜂窝小区相邻关系列表，与该微蜂窝建立小区相邻关系；

如果否，则发送信号“0”至微蜂窝小区的基站，表示不与该微蜂窝小区建立小区相邻关系，微蜂窝小区继续寻找其他基站并重复上述方法。

相邻小区关系的移除：

由于微蜂窝小区的基站出现故障等缘故，微蜂窝小区的基站无法正常工作，已经建立的宏蜂窝小区与微蜂窝小区之间的相邻小区关系会发生变化。在微蜂窝小区配置信息模块中说明(见下)，每间隔5秒处于工作状态的微蜂窝小区会将更新后的微蜂窝小区配置信息发送至宏蜂窝小区基站，若宏蜂窝小区连续15秒(连续3次)未接收到微蜂窝小区基站的配置信息，则宏蜂窝小区的基站生成访问指令，访问该微蜂窝小区当前的状况，若该访问在固定一定时限内未收到答复，则认为该微蜂窝小区出现故障或者已经与该宏蜂窝小区不存在相邻关系，则宏蜂窝小区的基站将在宏蜂窝小区配置信息模块中该微蜂窝小区的配置信息删除，并且将宏蜂窝相邻小区关系模块中相邻小区关系列表中的对应相邻关系改为“0”，移除宏蜂窝与该微蜂窝之间的相邻关系。

(4)小区唤醒呼叫模块，用于向微蜂窝小区的基站的小区关闭模块发送小区唤醒呼叫指令，说明宏蜂窝小区需要微蜂窝小区恢复正常工作状态。该模块与小区配置信息模块相连，接收小区配置信息模块传送的宏蜂窝小区的用户负载值信息。

图7示出了所述的小区唤醒呼叫模块的一种结构实现，其中包括：

小区唤醒决策子模块，小区唤醒决策子模块与宏蜂窝的小区配置信息模块和小区唤醒呼叫指令生成子模块相连，接收宏蜂窝的小区配置信息模块发送的宏蜂窝的用户负载值信息，并利用宏蜂窝小区中的用户负载值的变化，例如宏蜂窝小区内的用户数统计量或用户流量统计量，作小区唤醒判决，将决策信号发送到小区唤醒呼叫指令生成子模块中；

其中小区唤醒判决的具体实施过程如下：

当宏蜂窝小区内的用户负载值大于宏蜂窝小区内的用户负载阈值时，判决为1，决策信号为生成唤醒呼叫指令；

当宏蜂窝小区内的用户负载值小于或等于宏蜂窝小区内的用户负载阈值时，判决为0，决策信号为不生成唤醒呼叫指令。

小区唤醒呼叫指令生成子模块，根据决策信号生成唤醒呼叫指令，并向微蜂窝小区基站的小区关闭模块发送小区唤醒呼叫指令，在需要时激活辅助小区恢复正常工作状态。打开辅助小区的判决为相邻小区触发模式。

所述微蜂窝小区基站装置包括：

(1)小区关闭模块，主要实现以下功能：

该模块与微蜂窝小区配置信息模块之间存在双向链路连接，用于向微蜂窝小区配置信息模块发送小区关闭指令，或者接收小区配置信息模块传送的微蜂窝小区的用户负载值信息，然后与用户负载阈值相比，生成关闭指令；

该模块与无线覆盖模块存在单向链路，用于生成并向无线覆盖模块发送关闭指令，以调节无线覆盖模块的发射功率，调节微蜂窝小区的基站的工作状态，使微蜂窝小区进入睡眠状态。

(2)无线覆盖模块，用于为微蜂窝小区内的用户提供基本的信号覆盖控制。该模块与小区关闭模块以及基站天线相连，接收小区关闭模块发送的小区关闭指令，同时控制基站天线执行关闭操作。

(3)微蜂窝小区配置信息模块，模块内部储存微蜂窝小区配置信息列表，如表2，用于更新和保存微蜂窝小区被关闭时保存该微蜂窝小区的配置信息。

每隔固定时间段，处于工作状态的微蜂窝小区的基站将通过天线将微蜂窝小区配置信息列表发送至宏蜂窝小区的基站，并由宏蜂窝小区配置信息模块更新宏蜂窝小区配置信息模块中的微蜂窝小区配置信息列表，这个固定时间段可有工程师自行设定，在本方案中，设定为5秒，即微蜂窝小区的基站间隔5秒给宏蜂窝小区的基站发送更新后的小区配置信息。

该模块与小区关闭模块和微蜂窝相邻小区关系模块之间都存在双向链路连接，用于接收微蜂窝小区关闭模块发送的小区关闭指令，检测并向微蜂窝小区关闭模块发送微蜂窝小区的用户负载值信息，为微蜂窝小区关闭模块做出小区关闭判决提供依据。

该模块与微蜂窝相邻小区关系模块存在双向链路，向微蜂窝相邻小区关系模块转发微蜂窝小区关闭模块发送的小区关闭指令，或接收微蜂窝小区的相邻小区关系模块发送的相邻关系变化信号；(4)微蜂窝相邻小区关系模块，模块内部储存微蜂窝相邻小区关系列表，如表6，用于管理微蜂窝小区与对应的宏蜂窝小区之间的相邻小区关系的变化。

表6

宏蜂窝小区基站编号

相邻关系

其中，如果微蜂窝小区处于宏蜂窝小区的覆盖范围内，则两者之间相关关系用“1”表示，否则用“0”表示；例如图1所示的微蜂窝小区基站B1、B2、B3保存的相邻小区关系列表分别如表7、表8、表9所示：

表7

宏蜂窝小区基站编号	相邻关系
		A1	1
A2	0

表8

宏蜂窝小区基站编号	相邻关系
		A1	0
A2	1

表9

宏蜂窝小区基站编号	相邻关系
		A1	1
A2	1

该模块与小区配置信息模块存在双向链路，当小区关闭模块发送小区关闭指令时，微蜂窝小区配置信息模块将该关闭指令转发给相邻关系变化模块，小区相邻关系变化模块更新小区相邻关系列表；当微蜂窝相邻小区模块内部的相邻小区关系列表发生变化时，相邻小区模块将相邻关系变化信号发送给小区配置信息模块，用于更新小区配置信息模块中的小区配置信息列表。

经验证，在无线蜂窝网的架构中使用本发明方法具有以下优点：

(1)本发明根据异构无线通信网络中小区负载值相关参数的变化，例如小区服务用户数统计量，小区用户流量统计量，基础小区向辅助小区触发的负载均衡操作请求数统计量等，动态操作辅助小区在正常工作状态和睡眠状态之间动态切换；而在目前的蜂窝网架构中，蜂窝网基站不会根据用户流量统计量、小区用户数统计量等进行基站发射功率的调节，因而基站一直以满足小区负载阈值所需的无线覆盖的发射功率进行工作，即一直工作在满负荷状态，带来了巨大的能量浪费；因此，本发明提出的基于无线异构网络的节能方法避免了在网络中用户较少的情况下基站依然维持正常工作状态带来的能量浪费，使得网络的能量使用情况能够十分灵活地匹配网络中用户负载的变化，极大的改善了整体异构网络的能量利用效率。

(2)在无线异构蜂窝网络中，根据小区负载值的变化动态地调节微蜂窝处于工作状态或休眠状态，宏蜂窝和微蜂窝之间进行了指令传递，这种交互式的动态切换，在保证减少无线异构通信网络中的能量消耗问题外，还保证了无线异构通信网络覆盖的完整性，即保证了不会出现因为小区的工作状态的切换而出现覆盖空洞，以至用户无法进行接入等现象，从而保证了对用户服务性能(Quality of Service，QoS)不造成影响。

(3)本发明在实现时降低能量消耗的基站操作以自组织的方式进行，基站可以在操作过程中监测相关参数统计量，并能够自适应地对收集的参数统计量信息作出响应，使得本发明公开的方法具有较好的灵活性和动态性，能够较好的跟踪网络环境参数的变化。

本发明使用于无线异构蜂窝网系统，不仅对于由宏蜂窝和微蜂窝组成的通信网络系统架构适用，且同样适用于其他两层架构的通信网络。

Claims (8)

1. 一种基于异构蜂窝无线网络的节能方法，其特征是：

所述异构蜂窝无线网络由基础小区和辅助小区构成且呈垂直分层结构，其中，基础小区位于所述垂直分层结构的底层，辅助小区位于所述垂直分层结构的上层，所述基础小区和辅助小区之间通过双工通信链路进行通信；

所述节能方法包括以下步骤：

（1）基础小区的基站读取在该基础小区的服务范围内的辅助小区的工作状态信息，并判断辅助小区是否处于睡眠状态：如果辅助小区处于睡眠状态，则执行步骤（2），否则执行步骤（7）；

（2）基础小区的基站统计其所服务的基础小区的用户负载值；

（3）判断基础小区的用户负载值是否超过该基础小区的用户负载阈值：如果基础小区的用户负载值大于该基础小区的用户负载阈值，则执行步骤（4），否则返回执行步骤（2）；

（4）基础小区的基站向在其服务范围内的辅助小区的基站发送小区唤醒呼叫指令； 

（5）辅助小区的基站接收所述小区唤醒呼叫指令，然后向对应的基础小区的基站重新发送辅助小区定义消息，并读取已保存的小区配置信息，恢复该辅助小区至工作状态；

（6）基础小区的基站向在其服务范围内的辅助小区的基站发送用户终端切换指示消息，辅助小区的基站接收该用户终端切换指示消息，并处理对应用户的接入请求；

（7）辅助小区的基站监测该辅助小区的用户负载值； 

（8）判断基础小区与辅助小区的用户负载值之和是否大于该基础小区的用户负载阈值：如果基础小区与辅助小区的实时用户负载值之和大于该基础小区的用户负载阈值，则返回执行步骤（7），否则执行步骤（9）；

（9）生成小区关闭指令并发送至辅助小区配置信息模块，更新并保存辅助小区配置信息，并向基础小区的基站发送更新后的辅助小区配置信息，然后关闭辅助小区的基站，使对应的辅助小区进入睡眠状态，对应基础小区接收辅助小区发送的小区关闭指令和辅助小区配置信息，保存辅助小区配置信息；

（10）辅助小区的基站向基础小区的基站发送用户终端切换指示消息，基础小区的基站接收该用户终端切换指示消息，并处理对应用户的接入请求；后返回步骤（1）。

2. 根据权利要求1所述的基于异构蜂窝无线网络的节能方法，其特征是：所述基础小区的用户负载值为基础小区内的用户数统计量或基础小区内的用户流量统计量。

3. 根据权利要求1所述的基于异构蜂窝无线网络的节能方法，其特征是：所述基础小区的用户负载阈值为该基础小区的基站所能容纳的用户流量统计量的上限，或者为基础小区的基站所能服务的用户数统计量的上限。

4. 根据权利要求1所述的基于异构蜂窝无线网络的节能方法，其特征是：所述辅助小区的用户负载值为该辅助小区内的用户数统计量或者辅助小区内的用户流量统计量。

5.根据权利要求1所述的基于异构蜂窝无线网络的节能方法，其特征是：所述辅助小区的用户负载阈值为辅助小区的基站所能容纳的用户流量统计量的上限，或者为辅助小区的基站所能服务的用户数统计量的上限。

6. 一种用于实现权利要求1所述节能方法的异构蜂窝无线网络结构，其特征是：

所述异构蜂窝无线网络由基础小区和辅助小区构成且呈垂直分层结构，其中，基础小区位于所述垂直分层结构的底层，辅助小区位于所述垂直分层结构的上层，所述基础小区和辅助小区之间通过双工通信链路进行通信；

所述基础小区的基站包括：

   （1）基础小区无线覆盖模块，该模块与基础小区基站的天线相连，用于为基础小区内的用户提供基本的信号覆盖控制；

（2）基础小区配置信息模块，用于保存基础小区的配置信息、接收辅助小区基站的小区关闭模块所发送的小区关闭指令、保存辅助小区的小区配置信息、统计并保存该基础小区内用户负载值、向小区呼叫唤醒模块发送用户负载值； 

（3）基础小区相邻小区关系模块，用于管理基础小区与在该基础小区基站覆盖范围下的辅助小区之间的相邻关系的变化、用于接收基础小区配置信息模块转发的小区关闭指令、用于更新基础小区与在该基础小区基站覆盖下的辅助小区的相邻关系、向基础小区配置信息模块发送相邻关系变化信号；

    （4）小区唤醒呼叫模块，该模块与基础小区配置信息模块相连，用于接收基础小区配置信息模块所传送的基础小区的用户负载值信息，并向辅助小区基站发送小区唤醒呼叫指令，使相邻辅助小区恢复正常工作状态；

    所述辅助小区的基站包括：

     （1）小区关闭模块，用于关闭辅助小区的基站，使辅助小区进入睡眠状态；用于向基础小区相邻小区关系模块发送小区关闭指令、向该辅助小区的无线覆盖模块发送小区关闭指令、向辅助小区配置信息模块发送小区关闭指令、接收辅助小区配置信息模块传送的辅助小区的用户负载值信息；

（2）辅助小区无线覆盖模块，用于接收小区关闭模块发送的小区关闭指令，同时控制辅助小区的基站天线执行关闭操作；且该辅助小区无线覆盖模块与辅助小区的基站天线连接，用于为辅助小区内的用户提供基本的信号覆盖控制；

   （3）辅助小区配置信息模块，用于在辅助小区被关闭时保存该辅助小区的配置信息、用于接收小区关闭模块发送的小区关闭指令、用于统计并保存该辅助小区内的用户负载值、用于向小区关闭模块传送辅助小区的用户负载值信息、以及用于向辅助小区相邻小区关系模块转发小区关闭模块发送的小区关闭指令或接收辅助小区相邻小区关系模块发送的相邻关系变化信号；

   （4）辅助小区相邻小区关系模块，用于管理辅助小区与其所在基础小区基站覆盖范围内的基础小区之间的相邻关系的变化、用于接收辅助小区配置信息模块转发的小区关闭指令、用于更新辅助小区与其所在基础小区基站覆盖范围内的基础小区的相邻关系、用于向辅助小区小区配置信息模块发送相邻关系变化信号。

7. 根据权利要求6所述的基于异构蜂窝无线网络结构，其特征是：所述小区呼叫唤醒模块包括：

小区唤醒决策子模块，用于接收基础小区配置信息模块发送的基础小区的用户负载值信息，并利用基础小区中的用户负载值的变化作小区唤醒判决，并将决策信号发送到小区唤醒呼叫指令生成子模块中；

小区唤醒呼叫指令生成子模块，用于生成小区唤醒呼叫指令，并向辅助小区基站的小区关闭模块发送小区唤醒呼叫指令。

8. 根据权利要求6所述的基于异构蜂窝无线网络结构，其特征是：所述小区关闭模块包括小区开启子模块，用于接收基础小区基站的小区唤醒呼叫模块所发送的小区唤醒呼叫指令、向辅助小区无线覆盖模块和辅助小区配置信息模块转发小区唤醒呼叫指令以打开辅助小区。

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