一种长期演进网络中基于站点实际负载的网络节能方法

一种长期演进网络中基于站点实际负载的网络节能方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于演进节点B(EvolvedNodeB，eNB)运行数据分析的站点休眠 网络节能方法，涉及长期演进（LongTermEvolution，LTE)网络节能问题，属于无线通信网 络中的网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，对蜂窝网络中节能技术的研宄主要集中在网络侧，即通过对网络中站点 进行有效节能实现整个系统的节能。具体方法主要有如下几种：1)站点的硬件设计：使用 高集成度的低功耗芯片；减少散热风扇的数量；提高功率放大器的集成度以及线性特性； 2)网络的合理规划和拓扑管理：合理的规划选址降低站点数量和设备发送功率；充分利用 自然环境进行站点的降温冷却；增加中继节点和微站点；3)频谱和资源的合理调度：动态 地将用户从其它频带转移至特殊的激活频带中，并在其它频带上选择性地关闭功率；采用 机会资源调度和各种分集技术增加整体系统容量，最大限度的利用好有限的带宽资源。
[0003] 在LTE网络规划建设后，通过调整网络的拓扑结构和升级站点的硬件设备将会十 分困难，且经济成本高。因此考虑对eNB站点进行节能，首先就要对站点负载运行的实际情 况有所统计分析。eNB站点业务负载量在不同时刻存在明显的波峰和波谷，特别在夜间时 刻站点基本处于空闲工作状态，然而为了能够保障峰值时的业务负载却依旧保持高功率运 行，消耗了大量能量，因此站点休眠网络节能方式具有很大的潜力。
[0004] 最初，通过在网络中设置中央控制器向各个站点传递信息来确定站点的休眠过 程，不过没有设计休眠后站点唤醒的流程。接着综合考虑站点间的位置信息后，当用户的负 载高于设定的固定负载门限值就通过中央控制器去唤醒休眠站点。进一步在理想的六边型 蜂窝网络和曼哈顿模型网络中，通过对业务负载特性的分析，对站点动态切换策略进行了 研宄。紧接着，分别针对不同的网络结构，例如宏站点/宏站点、宏站点/微站点、宏站点/ 室内家庭基站，进行了站点休眠策略的研宄。

【发明内容】

[0005] 目前在网络节能中的研宄中过分单一强调节能的效果，运行复杂度高，并且一般 只适用于单一固定负载门限判决，在实际网络中当负载动态变化时不利于实际操作。所以 需要更深入分析，根据负载日夜变化的情况，通过新定义网络负载影响参数对eNB站点休 眠/唤醒分布式方法进行研宄，其中网络负载影响反应了当站点休眠后对周围站点的负载 影响。并需要通过相邻站点的环境，包含距离、数量、负载等因素来快速准确的定量估算负 载的影响。
[0006] 针对上述技术问题，本发明重点针对城市实际密集商业区域网络，通过对历史和 实时网络负载数据的联合分析，考虑网络负载变化实时性和周期性的前提下，设计了一套 低复杂度的站点休眠/唤醒方法。方法主要有三个方面特点：
[0007] (1)对网络中站点负载历史与实时运行数据进行联合分析，在站点休眠/唤醒过 程中分别采用集中式和分布式方法快速确定目标eNB站点；
[0008] (2)进行站点分组休眠策略和多级休眠/唤醒负载门限判决策略，有效地避免用 户因为多个站点连续休眠或休眠站点的频繁唤醒/休眠而造成的反复切换和乒乓效应；
[0009] (3)在密集城市环境中，对蜂窝网络站点间负载影响系数进行定量分析，并研宄相 应的统计分布，为网络负载变化的快速预测提供依据。
[0010] 1休眠eNB站点预选择
[0011] 利用中央控制器对所有宏eNB站点设定时间窗内的负载总量进行排序（该时间窗 由运营商统计站点负载后自行设定），然后从低到高形成队列L，在一段时间内负载最低的 站点被关断的可操作性高：
[0012]
⑴
[0013] 其中Pk(t)表示区域内所有站点集合B中eNB站点i中用户k在t时刻时的负 载，31表示站点i的覆盖面积。
[0014] 选出的预休眠站点站点在设定的时间段内负载与前一时刻相比处于下降趋势时， 那么它在接下来的时段里将会处于更低负载的运行状态。定义系统负载休眠阈值变量，表 示为p°ff，通过对站点一个时间周期内低负载运行的时间比例情况进行概率累计统计（该 时间周期和低负载时间比例由运营商自行设定）。当站点的负载值小于这个阈值的时候，那 么就有可能休眠站点。同时p°ff还对系统的稳定性和可靠性起到调节效果，当p°ff低时用 户经历的延迟和掉话率会降低，并且当系统遇到突发状况时用户特性健壮，不过此时系统 的利用率低，闲置了基站的大量资源。在实际网络中为了避免由于突发状况造成负载波动 变化太大，可以通过与历史的同期数据进行联合比对确认。具体方法为：如果在历史同期相 应的负载总量也同样低于设定的阈值，那么说明这是一个常态；反之，可能说明基站负载的 总量下降只是一个突发的情况。再定义一个等待列表!^#，此列表中存放那些与历史负载 趋势不一致的eNB站点信息，然后优先在下一个时间段时对等待列表中的站点进行休眠判 定，并且在二次判决时就不需要再考虑历史负载的情况，直接就可以做出判断。
[0015] 2快速eNB站点休眠方法
[0016] 当选择出的eNB站点准备休眠后，一般来说它会对周围相邻站点的负载造成增 加，这时相邻的站点不仅要保证新增加用户的服务质量，同样还需要保证自身区域内的现 有用户服务质量。因此，定义一个系统负载切换阈值变量，表示为Pswitah，通过对站点一个 时间周期内高负载运行的时间比例情况进行概率累计统计（该时间周期和高负载时间比 例由运营商自行设定）。站点休眠后相邻eNB站点本身的负载总量加上休眠站点引起的附 加负载后的负载总和不应该超过Pswitd1，附加负载用Ap表示。
[0017] 同时eNB站点休眠后一段时间内的网络能量消耗也应该比先前的能量消耗要低。 只有当这两个条件都满足的情况下，此eNB站点就可以进行休眠，否则只能返回队列L中继 续进行预休眠站点选择。
[0018] 考虑到如果那些因为周边站点休眠，有用户切换进入的相邻站点能够连续被休 目民，就会造成用户在站点间的反复切换并导致乒乓效应。因此方法中设计如下：当一个eNB 站点休眠后，在此时间周期内就将它和其相邻eNB站点都从初始化队列L中删除，确保在此 时间周期内这些相邻不会都进入休眠状态。在下一个时间周期内，重新统计所有未休眠的 站点形成新的队列L。
[0019] 本方法中为了简便运算的过程，假设站点之间的覆盖范围互相没有重叠，并在狄 洛尼三角剖分原理指导下通过垂直平分线法将站点的覆盖区域划分成不规则的多边形区 域，即维诺图。
[0020] 为了获得休眠前后网络能量消耗的变化情况，最重要的一步就是要首先估算休眠 之后整个系统负载，特别是休眠站点对相邻站点造成的附加负载△P。在实际网络中并不 能精确的获得每个用户的负载变化规律，因此很难通过估算各个用户的负载进而综合得到 整个网络的负载变化情况，本方法在实际网络中通过考虑从eNB站点的负载总量的角度快 速估算得到附加负载Ap。
[0021] 第一步，通过垂直平分线法对研宄区域内（图1)各个eNB站点的覆盖区域进行了 划分，假设在站点i的覆盖区域Si内站点负载服从均匀分布，也就是：
[0022]
(2)
[0023] 其中/(\>是负载的概率密度。
[0024] 第二步，当某个eNB站点准备休眠后，便需要继续通过垂直平分法将休眠区域无 缝隙的划分给相邻eNB站点，SP:
[0025]
(3)
[0026]其中在Si1表示相邻eNB站点j由休眠站点i新增加的覆盖区域。
[00 27] 第三步，综合各个用户的负载情况，定义变量eNB站点间负载切换系数，表示为 ClMd，通过站点休眠后区域内的负载总量与休眠前负载总量的比值进行计算，表达式如下：
[0028]
(4)
[0029] 其中1^表示站点i的负载，1,".表示站点i给周边站点imi带来的附加负载。
[0030] 综上，附加负载AP可以通过如下表达式进行估算：
[0031]
(5)
[0032] 3eNB唤醒方法
[0033] 当eNB站点休眠后，如果一段时间内该休眠区域中的负载增长迅速，就会对周边 相邻站点造成负担，会影响整体的用户服务质量，那么就需要唤醒该休眠站点。不过因为该 站点已经休眠，对自身环境中的负载变化情况无法感知，那么只能通过周围站点根据负载 变化的情况去实现。处于工作状态的活跃站点间通过X2接口互相交换信息，采用分布式结 构，省去中央控制器的处理过程。
[0034] 当区域中工作站点的负载呈上升趋势时，并且已经超过Pswitah时，为了避免由于 突发状况而造成的瞬时负载增加，方法再追加设计与历史同期负载数据进行比较的流程。 如果历史同期数据也超过Pswitd1，那么就可以直接通知休眠站点，将其唤醒；否则就需要再 等待一段时间后再进行站点唤醒分析。为此再定义一个更高的负载唤醒阈值变量，表示为 P°n，通过对站点一个时间周期内接近饱和运行的时间比例情况进行概率累计统计（该时 间周期和饱和负载时间比例由运营商自行设定）。此参数的设定可以有效调节站点因为频 繁休眠/唤醒而造成的能量节约效果降低和系统中用户的反复切换。当上一时刻负载超过 pswitdl的活跃站点在下一时刻负载超过p°n，那么就可以通知休眠站点唤醒。
[0035] 本发明具有以下有益效果：本方法首先在城市商业密集环境下LTE网络中室外 eNB站点的业务负载量长期统计，然后再结合实时负载运行数据进行联合分析，通过站点间 负载影响因子，分别采用中央控制休眠、分布控制唤醒的策略设计了一套实用、高效的站点 休眠/唤醒方法，主要解决：1)利用负载影响因子快速估算站点的负载后确定负载处于下 降趋势，整体负载偏低且对相邻站点影响小的站点可以关闭；2)站点休眠后，设计负载门 限有效避免站点的短时间内频繁的唤醒/休眠，并防止区域内用户的二次切换；3)结合历 史数据对站点进行集中式休眠和分布式互唤醒。
【附图说明】
[0036] 图1是一种现实网络的站点分布示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面对本发明在现实城市环境中长期演进（LongTermEvolution，LTE)网络下的 节能实施方式作进一步介绍：
[0038] (1)利用中央控制器对所有宏eNB站点设定时间窗内的负载总量进行排序（该时 间窗由运营商统计站点负载后自行设定），然后从低到高形成队列L，选出预休眠站点i。
[0039] 首先通过对站点一个时间周期内低负载运行的时间比例情况进行概率累计统计 (该时间周期和低负载时间比例由运营商自行设定），确定P°ff。然后判断选出的预休眠站 点i在时间窗内负载总量与前一时刻相比是否处于下降趋势，如果处于下降趋势时，并且 站点的实时与同期历史负载值小于P°ff，那么可以对预休眠站点i休眠后状态进行估算。 附加再定义站点等待列表Lwait，此列表中存放那些与历史负载趋势不一致的eNB站点信息， 优先在下一个时间段时对等待列表中的站点进行休眠判定。
[0040] (2)在进行休眠站点负载预估算之前，首先通过对站点一个时间周期内高负载 运行的时间比例情况进行概率累计统计（该时间周期和高负载时间比例由运营商自行设 定），确定Pswitc；h的阈值。通过垂直平分线法对研宄区域内（图1)各个eNB站点的覆盖区 域进行了划分后，利用公式：
[0041]
[0042] 进一步估算得到的站点休眠后对相邻eNB站点带来的附加负载Ap。如果Ap 加上相邻站点本身的负载总和不超过Pswitd1，这样就可以休眠站点i。同时当一个eNB站点 休眠后，在此时间周期内就将它和其相邻eNB站点都从初始化队列L中删除，确保在此时间 周期内这些相邻不会都进入休眠状态。等待下一个时间周期后，再重新统计所有未休眠的 站点形成新的队列L。
[0043] (3)对休眠站点进行唤醒前首先定义一个的负载唤醒阈值变量，表示为P°n，通过 对站点一个时间周期内接近饱和运行的时间比例情况进行概率累计统计（该时间周期和 饱和负载时间比例由运营商自行设定，但是需要高于Pswitah)。当区域中活跃工作站点的负 载呈上升趋势，并且超过Pswit，t，如果历史同期数据也超过Pswitah，那么就可以利用X2接 口通知休眠站点唤醒。如果历史同期数据没有超过Pswit'但是实时负载在下一时刻超过 P°n，同样可以利用X2接口通知休眠站点唤醒。
【主权项】
1. 一种长期演进网络中基于站点实际负载的网络节能方法，在休眠的过程中采用集中 式方法，在唤醒的过程中采用分布式流程；所述方法包含以下三个步骤：1)基于演进节点B eNB历史和实时负载数据的休眠站点预判决；2)基于eNB站点休眠前后系统负载、能量消耗 变化影响快速估算的休眠判决；3) eNB站点休眠后根据相邻站点负载变化情况的实时互唤 醒；为确定休眠站点，其中第一、二两个步骤迭代进行。2. 根据权利要求1所述的站点休眠网络节能方法，其特征在于：所述步骤1)由eNB 站点的负载变化情况实现：利用中央控制器对所有宏eNB站点的负载总量进行排序，直接 获取预休眠站点列表；对选出的预休眠站点当实时负载处于下降趋势时且负载较低时适合 于进行休眠；再将预休眠站点的实时负载情况与历史同期负载情况进行比对最终确定预休 眠站点。3. 根据权利要求1所述的所述的站点休眠网络节能方法，其特征在于：所述步骤2) 可由对预休眠站点负载的快速切换估算来决定：通过垂直平分线法对研宄区域内各个eNB 站点的覆盖区域进行了划分，并当eNB站点准备休眠后，再进一步通过垂直平分法将休眠 区域无缝隙的划分给相邻eNB站点；综合各个用户的负载情况，通过站点休眠后区域内的 负载总量与休眠前负载总量的比值定义eNB站点间负载切换系数，依此参数快速估算站点 负载；当预休眠eNB站点休眠后，在此时间段就将它和其相邻eNB站点都从初始化队列中删 除。4. 根据权利要求1所述的站点休眠网络节能方法，其特征在于：所述步骤3)由一种 分布式站点互唤醒方法实现：当区域中工作站点的负载呈上升趋势时，如果已经超过负载 切换阈值时，同时历史同期数据也超过阈值，那么互唤醒该休眠站点；并且再定义负载唤醒 阈值。
【专利摘要】本发明公开了一种长期演进网络中基于站点实际负载的网络节能方法，整个方法主要包含三个步骤：1）基于演进节点B（Evolved Node B，eNB）历史和实时负载数据的休眠站点预判决；2）基于eNB站点休眠前后系统整体负载、能量消耗变化影响的负载快速估算和休眠eNB站点判决方法；3）根据相邻活跃站点负载变化情况，对休眠eNB站点进行分布式实时互唤醒。通过本发明，可在充分利用eNB站点的历史与实时负载运行特性，降低站点选择运算的计算复杂度，并且能够快速定量估算出站点间的负载切换，最终实现网络的休眠节能。
【IPC分类】H04W52/02
【公开号】CN104883725
【申请号】CN201510344911
【发明人】尤肖虎, 童恩, 王晔, 潘志文, 丁飞
【申请人】东南大学, 中国移动通信集团江苏有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月19日