CN103347293A

CN103347293A - 一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法

Info

Publication number: CN103347293A
Application number: CN2013102911160A
Authority: CN
Inventors: 刘凯; 何金薇; 刘志敏
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明涉及一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法，首先计算移动通信基站在其所支持的不同的天线数目和在不同的系统吞吐率时的能量效率，进而确定该移动通信基站在不同的系统吞吐率时能量效率最优的天线数目，并据此得到系统吞吐率切换点；然后计算该移动通信基站当前的系统吞吐率并与所述系统吞吐率切换点进行比较，从而切换到能量效率最优的天线数目。本发明能够在SISO以及2发射天线MIMO、4发射天线MIMO以及其它发射天线数的MIMO之间切换到能量效率最优的基站发射天线个数，因而能够提高能量效率、节约能源和节省成本。

Description

一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法

技术领域

本发明属于移动通信技术及节能减排技术领域，具体涉及一种基于历史统计数据的移动通信基站系统中天线自适应节能方法。

背景技术

目前移动数据业务呈现出高速增长的趋势。同时，社会上对“绿色”的呼声越来越高，节能减排是各行业需要面对的任务。数据显示，中国移动2011年全年消耗的能源相当于200万多吨的标准煤，而电力占到总量的81%，在整体耗电量中，基站和机房又占了88%。而事实上，大约80%基站在80%的时间里负载都低于20%，但即使这样，大部分基站在大部分时间里仍然按照峰值速率设计系统，这造成了巨大的能源浪费。随着社会上对绿色的呼声越来越高，无线移动通信系统，特别是基站，从仅仅追求频谱效率和传输速率，转变到对能源消耗和发送功率效率的关注上。

衡量各技术的节能水平的统一评价标准有：

1）比特/焦耳(Bit/J)：

EE_Bit/J=N_bit/E_J，其中N_bit为在终端上运行一组业务所直接获取的传输比特数，E_J为在业务运行期间基站网络设备的总能耗；一般采用该指标来作为衡量标准。

2）吞吐率/功率(Bps/W):定义同比特/焦耳(Bit/J)。与比特/焦耳可转换。

在移动通信系统能量消耗中，基站占据了最主要的能量消耗，是研究的重点。基站可以分成功率放大器、射频、数字基带、供电模块和制冷模块，功放占据了57%的能耗，是提高能量效率的关键点。

LTE（Long Term Evolution，长期演进计划）是在3G之后由3GPP标准化组织于2005年启动的新一代移动通信标准，是面向第四代移动通信（4G）的技术标准，分成FDD（FrequencyDivision Duplexing，频分双工）和TDD（Time Division Duplexing，时分双工）两种双工方式。LTE为了获取系统频谱效率采用的最关键的技术就是MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）的多天线技术。不同于以往的SISO（Single Input Single Output，单输入单输出），其多天线配置充分利用信道复杂的传播环境来提高数据传输率和可靠性。LTE标准提供了多种传输模式以有效地利用环境的多样性，不同的模式配置不同的发射天线个数。

各传输模式的技术描述如表1所示，其中1Tx*2Rx表示1个天线发射、2个天线接收；2Tx*2Rx表示2个天线发射、2个天线接收；4Tx*2Rx表示4个天线发射、2个天线接收。

表1.LTE系统规定的几种传输模式

因为使用了多天线配置，基站需要更多的设备和能量去支撑MIMO的各种传输模式，当考虑到能量效率的时候，MIMO并不是最优的。虽然MIMO模式如2、4根发射天线等传输技术可以获得的系统吞吐率高于SISO，但是其消耗的功率也是远远高于单根发射天线SISO的。这和基站中最耗能的模块功率放大器的效率是密切相关的，使用MIMO传输技术的功率放大器的工作效率曲线远低于使用SISO时，所以每瓦特提供的比特数较少，能量效率较低。

发明内容

基于大部分基站在大部分时间里仍然按照峰值速率工作的现状，本发明提出一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法以提高能量效率、节约能源和节省成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法，其步骤包括：

1）计算移动通信基站在其所支持的不同的天线数目和在不同的系统吞吐率时的能量效率，进而确定该移动通信基站在不同的系统吞吐率时能量效率最优的天线数目，并据此得到系统吞吐率切换点；

2）计算该移动通信基站当前的系统吞吐率并与所述系统吞吐率切换点进行比较，从而切换到能量效率最优的天线数目。

进一步地，所述移动通信基站的天线数目采用SISO模式或MIMO模式；所述MIMO模式包括：2发射天线MIMO、4发射天线MIMO、8发射天线MIMO以及更多发射天线数的MIMO。

进一步地，通过系统级仿真或者实测的方式得到所述移动通信基站在不同天线数目的最大系统吞吐率。

进一步地，通过对基站的历史数据进行统计得到基站不同时段的系统吞吐率，作为移动通信基站当前的系统吞吐率。

进一步地，所述系统吞吐率切换点的个数等于所述移动通信基站可配置的天线种类数减一。

进一步地，采用一固定变量σ调整所述系统吞吐率切换点的切换门限。优选地，所述固定变量σ的值为1-3Mbps。

进一步地，所述移动通信基站最大支持4发射天线时，所述系统吞吐率切换点为两个，分别设为R₁和R₂，其中R₁<R₂，所述移动通信基站当前的系统吞吐率设为r，则切换天线数目的方法为：

r≤R₁时，天线数目切换至SISO模式；

R₁<r≤R₂时，天线数目切换至2*2MIMO模式；

r>R₂时，天线数目切换至4*2MIMO模式。

更进一步地，R₁为9Mbps，R₂为13Mbps。

进一步地，所述移动通信基站最大支持8发射天线时，所述系统吞吐率切换点为三个，分别设为R₁、R₂和R₃，其中R₁<R₂<R₃，所述移动通信基站当前的系统吞吐率设为r，则切换天线数目的方法为：

r≤R₁时，天线数目切换至SISO模式；

R₁<r≤R₂时，天线数目切换至2*2MIMO模式；

R₂<r≤R₃时，天线数目切换至4*2MIMO模式；

r>R₃时，天线数目切换至TM9的8发射天线MIMO模式。

对于基站支持更多的天线的情况，方法与上述同理。

本发明提出了移动通信基站系统中，基于历史统计数据的天线自适应节能方法，在SISO以及2发射天线MIMO、4发射天线MIMO以及其他发射天线数的MIMO之间做切换到能量效率最优的基站发射天线个数，来提高能量效率、节约能源和节省成本。

附图说明

图1是本发明实施例的TD-LTE各个传输模式的能量效率示意图。

图2是本发明实施例的各传输模式随着吞吐率变化的系统能量效率示意图。

图3是本发明实施例的随吞吐率变化的最佳能量效率示意图。

图4是本发明实施例的采用固定变量σ的基于能量效率的天线自适应策略示意图。

图5是本发明实施例的系统24小时归一化吞吐率示意图。

图6是本发明实施例的随24h负载变化的系统功耗示意图。

图7是本发明实施例的随24h负载变化的系统能量效率示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。

本实施例的移动通信基站系统中天线自适应节能方法，主要包括如下步骤：

1.选取系统吞吐率切换点。

首先需要计算移动通信基站在其所支持的不同的天线数目下，在不同的系统吞吐率时的能量效率，根据得到的能量效率确定该移动通信基站在不同的系统吞吐率时能量效率最优的天线数目，从而得到系统吞吐率切换点。选取的吞吐率切换点包括两方面：切换点的数量和切换点的具体取值。

1）切换点的数量

选取的吞吐率切换点与基站支持的天线数有关，吞吐率切换点个数等于可配置的天线种类数的间隔数(即种类数减一)。例如对于最大支持4发射天线的基站，可配置为SISO、2发射天线MIMO、4发射天线MIMO共三种发射天线情况。此时系统存在两个吞吐率点R₁和R₂。

2）切换点的具体取值

如上所述，需要用仿真计算或实测的方式获得移动通信基站在其所支持的不同的天线数目下，不同系统吞吐率对应的的能量效率，根据得到的能量效率确定该移动通信基站在不同的系统吞吐率时能量效率最优的天线数目，从而得到系统吞吐率切换点的值。

当基站使用了多天线配置时，需要更多的设备和能量去支撑SISO和MIMO的各种传输模式，当考虑到能量效率的时候，MIMO并不是最优的。10M带宽PF调度算法下各个传输模式在满负载时的能量效率仿真结果如图1和图2所示，其中图1为TD-LTE各个传输模式的能量效率，图2为各传输模式随着吞吐率变化的系统能量效率，图2中Dis为分布式基站（Distributed BS），Cen为一体化基站（centralized BS）。

对比1、2、4根发射天线下的传输技术，可见1Tx时的能量效率均高于其他天线个数时的能量效率，这是因为虽然2、4根发射天线传输技术可以获得的系统吞吐率高于1Tx SISO，但是其消耗的功率也是远远高于单根发射天线SISO的。这和基站中最耗能的模块功率放大器的效率是密切相关的，使用MIMO传输技术的功率放大器的工作效率曲线远低于使用SISO时，所以每瓦特提供的比特数较少，能量效率较低。

对于最大支持4发射天线的基站，系统存在两个吞吐率点R₁和R₂。单天线SISO传输技术的系统吞吐率在R₁以下时能量效率一直优于MIMO，而2*2MIMO系统吞吐率在R₁，R₂之间时能量效率最优，当吞吐率大于R₂时，只能使用4*2MIMO以达到用户的要求的传输速率，对应唯一可选的能量效率。

基站当前配置最大支持的系统吞吐率可以通过系统级仿真或者实测的方式得到。本发明中使用北京大学无线与信息处理中心的LTE系统级仿真平台得到的基站吞吐率结果，如图3所示，单天线SISO传输技术可以承载最大约9Mbps的系统吞吐率，且在此期间其能量效率一直优于MIMO，而2*2MIMO在系统吞吐率在9Mbps-13Mbps时能量效率最优，当吞吐率大于13Mbps时，只能使用4*2MIMO以达到用户的要求的传输速率。

对于最大支持8发射天线的基站，系统存在三个吞吐率点R₁、R₂和R3。系统吞吐率在R₁以下时，单天线SISO传输技术的能量效率一直优于MIMO；而系统吞吐率在R₁，R₂之间时2*2MIMO能量效率最优；系统吞吐率在R₂，R₃之间时4*2MIMO能量效率最优，当系统吞吐率大于R₃时只能使用8发射天线以达到用户的要求的传输速率，对应唯一可选的能量效率。

基站支持更多发射天线时，方法与此同理。

2.根据吞吐率点切换基站发射天线个数

设系统吞吐率为r，对于最大支持4发射天线的移动通信基站，则根据吞吐率点切换基站发射天线个数的方法为：

当r≤R₁时，使用能量效率最优的SISO传输模式；

当R₁<r≤R₂时，时，使用当前速率区能效最优的2*2MIMO传输模式；

当r>R₂时时，使用4*2MIMO传输模式以达到预期的用户吞吐率。

对于最大支持8发射天线的移动通信基站，根据吞吐率点切换基站发射天线个数的方法为：

当r≤R₁时，使用能量效率最优的SISO传输模式；

当R₂<r≤R₃时，使用当前速率区能效最优的4*2MIMO传输模式；

当r>R₃时，使用8发射天线传输模式TM9以达到需求的用户吞吐率。

对于最大支持更多发射天线的移动通信基站，方法与此同理。

为了防止瞬时数据流量抖动导致系统频繁切换天线配置，本发明采用一个固定变量σ（选定1-3Mbps皆可）来调整切换门限，具体策略如图4所示。

实际系统部署这种改变天线配置的策略需要的系统信令资源较多，并不能实时在很小的时间粒度上应用于现有的基站系统中。为了避免消耗过多信令交换，而且由于特定时段系统的吞吐率基本是一定的，本实施例采用基于历史数据的系统吞吐率模型，即通过基站控制系统基于历史数据进行统计得到基站不同时段的系统吞吐率。图5是3GPP TR36.922统计的随着24小时变化的、量化粒度为每小时的系统吞吐率。

使用以上负载统计模型，此时基站功耗如图6所示，系统的能量效率如图7所示，若系统不采用天线自适应技术，为了满足系统最大的吞吐率，需要使用配置4Tx的基站，对比天线自适应配置策略和4*2MIMO下的能量效率，可见采用天线自适应配置策略，平均每天可以提高94%的能效，每小时最大提高4.3倍，尤其可以有效地提高中负载时的能量效率。整体上将基站功率消耗降低至接近原来的一半，相应的运营开支也大幅缩减。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种移动通信基站系统中天线自适应节能方法，其步骤包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述移动通信基站的天线数目采用SISO模式或MIMO模式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过系统级仿真或者实测的方式得到所述移动通信基站在不同天线数目的最大系统吞吐率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过对基站的历史数据进行统计得到基站不同时段的系统吞吐率，作为移动通信基站当前的系统吞吐率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述系统吞吐率切换点的个数等于所述移动通信基站可配置的天线种类数减一。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用一固定变量σ调整所述系统吞吐率切换点的切换门限。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述固定变量σ的值为1-3Mbps。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动通信基站最大支持4发射天线，所述系统吞吐率切换点为两个，分别设为R1和R2，其中R1<R2，所述移动通信基站当前的系统吞吐率设为r，切换天线数目的方法为：

r≤R₁时，天线数目切换至SISO模式；

R₁<r≤R₂时，天线数目切换至2*2MIMO模式；

r>R₂时，天线数目切换至4*2MIMO模式。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述R₁为9Mbps，所述R₂为13Mbps。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动通信基站最大支持8发射天线，所述系统吞吐率切换点为三个，分别设为R₁、R₂和R₃，其中R₁<R₂<R₃，所述移动通信基站当前的系统吞吐率设为r，切换天线数目的方法为：

r≤R₁时，天线数目切换至SISO模式；

R₁<r≤R₂时，天线数目切换至2*2MIMO模式；

R₂<r≤R₃时，天线数目切换至4*2MIMO模式；

r>R₃时，天线数目切换至8发射天线MIMO模式。