CN104604302A - 一种用于通信系统中的节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通信系统中的节能方法，所述通信系统包括：至少一个无线接入网络，所述至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点和一个或多个移动台；以及至少一个关联的无线回传网络，所述至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点；所述方法包括如下步骤：控制所述一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及联合控制所述一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现所述第一功耗P1和所述第二功耗P2之和PSum最小化。此外，本发明还涉及一种计算机程序、计算机程序产品和控制设备。

Description

一种用于通信系统中的节能方法
技术领域
本发明涉及一种用于通信系统中的节能方法。此外，本发明还涉及一种计算机程序、计算机程序产品和控制设备。
背景技术
通常，一个地区的流量活跃度只在一天的短时段内较高。尽管如此，蜂窝通信系统还是依据高峰小时流量设计。就住宅区的流量活跃度而言，白天人们外出上班时流量活跃度一般较低，而到了晚上，人们回到家中时，流量活跃度又会增加。而对于办公区，情况正好相反。
在异构网络环境中，不同的基础设施在全天期间以不同的方式被利用起来，例如，在上班时段，宏小区为住宅区提供流量；而在晚上以及深夜时段，大量的流量由微微小区或毫微微小区承载。而在城市的另一端——办公区，当一天的工作结束时或者在夜晚和深夜时分，这些提供室内覆盖的室内毫微微小区和室外微微小区都没有被充分利用。以上所有例子中，无线基础设施和无线资源都没有被充分利用，造成能源浪费。减少网络在时间(以及空间和频率)上提供的无线资源的数量，例如，关闭一些不同层级上的基站(微基站、微微基站、毫微微基站等)，能够节约大量能源。
一种获得能源效率的简单方法是按需激活网络资源，如此可以避免一直给需要在峰值流量时段服务用户的全部资源上电。这就需要实现上/下电策略，即开启或关闭无线网络的无线基础设施节点和小区。无线网络可以为具有不同功率传输、覆盖面积和容量配置的站点所组成的异构网络(HetNet)。这种HetNet场景中一个关键的优化问题是以最低的功耗成本实现用户吞吐量和覆盖面积最大化或者维持用户吞吐量和覆盖面积。
在未来的移动网络中，必须提高小区站点的密度以满足不断增长的流量需求。许多节点将变成低功率节点，其覆盖面积有限但容量较高。对于这种低成本节点，主要的部署和运营开支就是回传供应。在很多情况下，利用光纤或同轴电缆的有线回传并不是一种具有经济可行性的选择。相反，无线回传作为一个成本较低的选择，日益受到关注。
此外，鉴于无线回传节点的网状网络，假设网格容量充足，则安装新基站或移动现有基站将会比较简单。各种不同的技术，包括IEEE 802.11和802.16系列中的标准，均可以提供网状无线能力。有些技术要求视距连接，而另一些则可在非视距条件下工作。网格采用分布式路由协议确定数据包经过的路径。由于网格能够建立新的路由，因此网格可以应对节点故障。
图1示出了一种具有网状无线回传的典型无线接入网络。接入节点直接与移动台通信，并且流量被回传至相邻网状节点。在这个例子中，网状节点被无线连接起来以便与单个网关节点联系。通常，将低功率的接入节点附着在建筑物的一侧；而将网状节点高高举起，安放在房顶上。如图2所示，更详细的网络可以包括：经由相邻接入节点的回传以及接入节点和网状节点的集成。
一些现有技术中的节能方案关闭一组小区，而还有一些则关注具体无线接入技术的特性(例如，UMTS)和/或不同优化方法的使用。然而，这些方案都没有考虑到吞吐量和功耗之间的权衡，而且也没有考虑到开启和关闭小区的细节问题。
现有技术方案的另一个缺陷是它们在实践中并不可行。根据一种模式关闭一组小区，不能灵活解决出现不均匀用户分布和不均匀服务需求的地点的移动用户的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种方案以减轻或解决与节能相关的现有技术方案的缺陷和问题。
特别的，本发明的目的是提供一种方案以实现接入节点和回传节点的总功耗最小化。
根据本发明第一方面，通过一种用于通信系统中的节能方法实现上述目的，所述通信系统包括：
至少一个无线接入网络，所述至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点和一个或多个移动台；以及
至少一个关联的无线回传网络，所述至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点；所述方法包括如下步骤：
–控制所述一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及
–联合控制所述一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现所述第一功耗P1和所述第二功耗P2之和PSum最小化。
根据本发明第二方面，通过一种通信系统的控制设备实现上述目的，所述通信系统包括：
至少一个无线接入网络，所述至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点和一个或多个移动台；以及
至少一个关联的无线回传网络，所述至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点；
所述控制设备用于控制所述一个或多个无线接入节点和所述一个或多个无线回传节点；并且所述控制设备还用于：
–控制所述一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及
–联合控制所述一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现所述第一功耗P1和所述第二功耗P2之和PSum最小化。
通过本发明提供的方案，可以实现整个通信网络的功耗最小化。也可以通过考虑现有移动台的数量及其在通信网络中的位置实现这一目的。
以下将对本发明的进一步的应用和优势做清晰具体的描述。
附图说明
附图意在阐明和阐释本发明的各项实施例，其中：
图1示出了无线网状回传的例子；
图2示出了更复杂的无线网状回传架构的例子；
图3示出了通信网络中一种示例性场景；
图4示出了节能前的通信网络；
图5示出了节能后的通信网络；
图6示出了一些不同的连接方案。
具体实施方式
为实现上述及其他目的，本发明涉及一种用于通信系统中的节能方法，该通信系统包括至少一个无线接入网络和至少一个关联的无线回传网络，其中，至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点(AN)和一个或多个移动台；至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点(例如，网状回传节点MN)。举例来说，该通信系统可以为依据3GPP标准的通信系统或任何其他合适系统，无线接入节点可以为基站、远程射频头、中继站或任何其他具有相应功能的合适的通信设备等。进一步地，如附图所示，无线回传网络为本发明优选实施例提供的网状网络。
该方法包括如下步骤：控制该一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及联合控制该一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现第一功耗P1和第二功耗P2之和PSum最小化。优选地，第一功耗P1为该一个或多个无线接入节点的总功耗；第二功耗P2为该一个或多个无线回传节点的总功耗。
发明人意识到与现有技术方案相比，对于给定流量需求下的能耗问题，接入节点和回传节点的联合优化能够产生更好的效果。这是由于多种接入网络配置可以服务通信系统的基站(及其流量)，并且每一种接入网络配置均有最佳回传配置，因此，有多种组合可供考虑。在这种背景下，接入网络配置，例如，为网络的节点(或小区)的开/关设置。回传配置考虑开/关设置以及网络拓扑，例如，哪个节点与其他哪个或哪些节点相连。
根据本发明实施例，该方法的控制步骤包括：将该一个或多个无线接入节点和该一个或多个无线回传节点在节能模式和非节能模式之间切换。节能模式和非节能模式分别可以是开启模式和关闭模式，也就是说，节点要么处于开启状态，要么处于关闭状态。但是，节能模式也可以涉及不同的能耗级别。例如，当不需要节点全容量工作时，可为该节点配置睡眠周期和活跃周期。在睡眠周期，该节点的各部分被切换到低能状态，而且不可以发送或接收数据；数据的接收和发送全部在该节点的活跃周期内进行。在处于节能模式的节点的另一个例子中，通过关闭一些天线可以减少容量并保持服务不间断。
在表1所示的例子中，通过该联合优化的方法，接入网络配置A和网状网络配置D组合总功耗最佳(最低)。因此，在这一例子中，功耗最高的接入网络总功耗最低。
表1
进一步地，上面的例子忽略了接入节点功耗包括其回传链路的一个组件的事实，并且接入节点功耗会根据该组件与哪个或哪些网状节点链接发生变化。因此，总功耗(P1+P2)可进一步取决于：
接入网络配置：哪些接入节点处于节能模式，节能模式的类型，哪个手机连接哪个小区，等等。
网状网络配置：哪些回传节点处于节能模式，节能模式的类型，存在哪些回传链路，等等。
接入节点与回传节点的关联，即，每个活跃节点与哪个或哪些回传节点连接。
下面描述了联合优化的两个例子。
例1
图3：一个新的移动台想接入互联网。距离该移动站最近的AN为AN3，但AN3目前已关闭(睡眠)。而且，如果启动AN3，则必须开启网状节点MN3以进行回传。另一个选择是使手机连接AN2。尽管这样使该移动台的功耗变得更大，但总功耗可能会有所降低。
例2
图4和图5：在图4所示的例子中，AN1和AN2的负载较轻，而AN3的负载较重。因此，应当关闭AN1和AN2。如果关闭AN1，则MN1也可关闭，这样会节约大部分总能量。图5示出了这一节能状态。
需要解决的问题是：如何才能实现接入和回传网络的联合优化？原则上，中央实体(例如，网络管理系统中的优化服务器)可以通过模拟退火等标准优化技术确定完整网络的最佳状态。例如，如果假定移动台与其最近的AN连接，每个AN(只)与其最近的MN连接，并且网状节点全连接，则系统的状态可以描述为一个长度等于AN与MN的数量之和的开/关矢量。可以估计每个可能矢量值的功耗，并且搜索可以寻找这个空间上的全局极小值。
根据本发明另一实施例，可以增加一个约束条件，即：应当满足某个最低服务质量(QoS)，因此，根据对接入网络中移动台的至少一个QoS要求，实现所述PSum最小化。该QoS要求可以涉及以下任一个：时延、小区下行吞吐量、小区上行吞吐量、小区边缘下行吞吐量、小区边缘上行吞吐量或流量QoS。由于移动台的QoS要求可能发生变化，在某些地点仅仅考虑移动台不足以提供非常准确的所需容量。因此，在给定时间增加对每个移动台具体服务的约束条件将对所需服务等级的能耗实现更准确的优化。
一种更为高级的算法可以考虑QoS要求与功耗要求之间的平衡，也就是说，还可以根据至少一个功耗要求，实现所述PSum最小化。优选地，该功耗要求涉及以下任一个：移动台功耗、网络射频功率辐射、下行网络覆盖或上行网络覆盖。这样，该优化算法考虑到通信设备相对于最大功率的局限性，否则，可能导致覆盖出现问题。这也使得该优化算法考虑到移动台有限的电池容量，移动台有限的电池容量使移动台的能耗比通信系统中其他节点的能耗更加关键。
而且，效用函数中可以包括多重准则，应将该效用函数最小化以得到通信系统最低功耗。因此，该方法可以包括如下能力：
AN能够与若干MN中的一个连接，
AN能够同时与多个MN连接，
在回传网络是网状网络的情况下，网格不是全连接，但选择启动的链路和节点应当考虑到优化问题。
与简单的网络拓扑相比，该方法包括上述能力中的任一个，网络的可能配置的数量就会增加。然而，随着网络拓扑变得更加复杂，优化问题也会变得更加复杂(状态空间变得更大)。
此外，随着移动台移动或者新移动台转换到活跃状态或从活跃状态转换到其他状态，应当定期进行优化。甚至是到一个移动用户的流量承载中的变化，例如，从ftp下载到视频流的变化，都可能导致再优化。能量优化的速率取决于优化的速度以及节点重配置速度，例如，开启或关闭。对移动台的影响也是需要考虑的一个因素，通过关闭AN强制进行的切换可能会影响移动用户感知的体验质量(QoE)。
需要进一步说明的是，优化的分布式实现方式在原则上也是可行的。与集中式方案相比，分布式实现方式能与网络大小更好地相称，但是其产生的效果可能不如集中式方案。
为了将接入节点与回传节点灵活关联，接入节点可以通过机械或电气调整(比如波束切换)或者通过多个波束支持可控天线连接其周围的回传(网状)节点。
为了降低接入节点或回传节点的安装开支和运营成本(opex)，可以通过回传链路自身执行节点的管理。另一个选择可以是部署一条通向节点的永久性有线通信链路，以便进行OAM管理或者来自中央控制实体的管理。由于管理流量通常较小，这种链路具有低带宽的特点，因此不需要使用光纤。这种链路可以和节点的电能供应共同实现，例如通过IEEE 1901标准实现。
如果能量管理使用无线回传，则当将要发送下游管理信息时，需要一种机制来“寻呼”处于节能模式(比如，睡眠模式)的接入节点。例如，管理信号可以为开启接入节点。该寻呼过程可以如下：
回传节点在预定时刻——可以为一组周期性寻呼时机的一个时刻——向接入节点发送无线寻呼消息，
接入节点在每个寻呼时机醒来并读取寻呼消息，
接入节点向回传节点发送响应并完全醒来，以及
回传节点向接入节点发送管理信令。
显然，寻呼时机的频率为节点需要处于唤醒模式的时间与可以寻呼节点之前产生的延迟之间的一种权衡。
在某些情况下，距离接入节点最近的回传节点自身可以是睡眠的。在这种情况下，通过同步回传节点和接入节点的寻呼时机，可以减小唤醒延迟。根据一实施例，接入节点的寻呼时机应稍微滞后于回传节点的寻呼时机，以便先唤醒回传节点，回传节点自身再寻呼接入节点。此外，可能需要寻呼刚刚被唤醒的接入节点下的移动台，因此，进一步的同步会将延迟最小化。然而需要说明的是，根据场景，也可以是回传节点的唤醒周期滞后于接入节点的唤醒周期。这意味着不同的唤醒周期可以与它们之间的某些时移同步。原则上来说，两个不同节点用来彼此通信的接口应该同时唤醒，但是，当一个节点有两个不同方向上的接口时，两个接口之间可能会产生时间差。因此，移动台与接入节点的无线接口同时唤醒，并且回传节点的一个接口与接入节点的回传接口同时唤醒。
因此，一个节点不同接口之间的唤醒周期的时间差可以通过与控制信令的要求对应的方式配置。
根据本发明另一实施例，接入节点可以先唤醒并广播其覆盖范围内的移动台能够检测到的参考信号。这种接入节点可以称作探测接入节点。移动站可以向其目前连接的接入节点上报存在探测接入节点。然后，上述接入节点可以决定触发探测接入节点进入唤醒状态并开始服务移动台。在本实施例中，将在接入节点唤醒之后发送控制信令，因此，回传节点的唤醒时间会滞后于接入节点的唤醒时间。
唤醒时间也可以用于广播探测信号，以检测是否存在任何可以连接处于睡眠状态的接入节点的移动台。然后，接入节点的唤醒时间将与移动网络信令同步，并且具有非连续接收(DRX)配置的移动台可以使其活跃周期与上述唤醒周期同步。
因此，根据一实施例，建议利用同步的唤醒周期来实现睡眠状态期间的如下连接：
回传节点和接入节点；
接入节点和移动台，例如，寻呼时机、ES探测等。
这种同步的优点是在没有降低连接性或造成额外延迟的情况下，将所有节点的开始时间最小化。如果没有同步唤醒周期，则接入节点或回传节点中的控制信令不得不延迟，或者可能会失去连接机会。或者，非同步的节点需要更长的唤醒周期，来保证节点会有重叠的唤醒时间，从而使节点进行连接。
此外，所属领域的技术人员理解到，根据本发明的任意一种方法也可以在计算机程序中实施，所述计算机程序具有代码方法，这种代码方法在处理装置中运行时，致使处理装置执行所述方法的步骤。计算机程序包括在计算机程序产品的计算机可读媒体中。计算机可读媒体基本上可由任何存储器组成，例如ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除PROM)、闪存、EEPROM(电可擦PROM)或硬盘驱动器。
并且，本发明还涉及一种控制设备，用于控制至少一个无线接入网络的一个或多个无线接入节点和至少一个关联的无线回传网络的一个或多个无线回传节点。该控制节点还用于控制该一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及联合控制该一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现第一功耗和第二功耗之和PSum最小化。还须指出，可根据本发明不同实施例对上述控制设备加以必要的修改是显而易见的。
最后，应了解，本发明并不局限于上述实施例，而是同时涉及且并入所附独立权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种用于通信系统中的节能方法，其特征在于，所述通信系统包括：
至少一个无线接入网络，所述至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点和一个或多个移动台；以及
至少一个关联的无线回传网络，所述至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点；所述方法包括如下步骤：
–控制所述一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及
–联合控制所述一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现所述第一功耗P1和所述第二功耗P2之和PSum最小化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述第一功耗P1为所述一个或多个无线接入节点的总功耗；以及
所述第二功耗P2为所述一个或多个无线回传节点的总功耗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
–估计第一功耗和估计第二功耗；以及
–利用所述估计的第一功耗和所述估计的第二功耗实现所述PSum最小化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括：
–将所述一个或多个无线接入节点和所述一个或多个无线回传节点在节能模式和非节能模式之间切换。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节能模式和所述非节能模式分别是开启模式和关闭模式。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据对所述一个或多个移动台的至少一个服务质量(QoS)要求，实现所述PSum最小化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个服务质量(QoS)要求涉及：时延、小区下行吞吐量、小区上行吞吐量、小区边缘下行吞吐量、小区边缘上行吞吐量或流量服务质量(QoS)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，根据至少一个功耗要求，实现所述PSum最小化，所述至少一个功耗要求涉及：移动台功耗、网络射频功率辐射、下行网络覆盖或上行网络覆盖。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个无线接入节点仅与一个无线回传节点关联。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个无线接入节点同时与两个或以上无线回传节点关联。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述一个或多个无线接入节点支持可控或可切换天线波束连接其一个或多个回传节点。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括：
–利用所述无线回传网络通过控制信令来控制所述第一功耗P1和所述第二功耗P2。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
–寻呼处于节能模式的无线接入节点和/或无线回传节点。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，处于节能模式的无线接入节点和无线回传节点的唤醒周期是同步的。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，无线接入节点的唤醒周期滞后于无线回传节点的唤醒周期，反之亦然。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，处于节能模式的移动台的唤醒周期与无线接入节点和无线回传节点的唤醒周期是同步的。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，移动台的唤醒周期滞后于无线接入节点的唤醒周期和/或无线回传节点的唤醒周期，反之亦然。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述一个或多个无线接入节点为基站、远程射频头或中继站中的任何一个；和/或
所述无线回传网络为网状回传网络。
19.一种计算机程序，其特征在于编码方式，当通过处理方式运行时，可使所述处理方式执行权利要求1–17中任一项所述的方法。
20.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质和权利要求19所述的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包含在所述计算机可读介质中，并且由ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除PROM)、闪存、EEPROM(电可擦PROM)或硬盘驱动器中的一个或多个组成。
21.一种通信系统的控制设备，其特征在于，所述通信系统包括：
至少一个无线接入网络，所述至少一个无线接入网络包括一个或多个无线接入节点和一个或多个移动台；以及
至少一个关联的无线回传网络，所述至少一个关联的无线回传网络包括一个或多个无线回传节点；
所述控制设备用于控制所述一个或多个无线接入节点和所述一个或多个无线回传节点；并且所述控制设备的特征在于，还用于：
–控制所述一个或多个无线接入节点的第一功耗P1；以及
–联合控制所述一个或多个无线回传节点的第二功耗P2，以实现所述第一功耗和所述第二功耗之和PSum最小化。
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