基于绿色基站的节能方案探讨

龚霞+魏翼飞+宋梅+常琳

在无线通信系统中，基站为主要能耗部件，研究基站节能技术成为了无线通信网络节能的首要目标。首先简要介绍了绿色基站采用的相关技术，并分析其特点；然后总结了现有基站节能的主要思想和热点问题；最后对基于绿色基站的节能方案进行探讨，提出了绿色基站规划问题、绿色基站对用户的分流策略、绿色基站与传统基站的协作方案、混合能源基站的能源管理技术，为绿色基站在节能技术中的应用奠定了一定的理论基础。

Discussion on Energy Saving Scheme Based on Green Base Station

GONG Xia1， WEI Yi-fei1， SONG Mei1， CHANG Lin2

（1. School of Electronic Engineering， Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China；

2. TL Certification Center， China Academy of Telecommunication Research of MIIT， Beijing 100088， China）

In a wireless communication system， base station as the main energy consumption component， the research on base station energy saving technology has become the primary goal of wireless communication network to save energy. First， the related technologies used by the green base station are briefly introduced and its characteristics are analyzed. Then the main ideas and issues for base station energy saving are summarized. Finally， the energy saving scheme based on green base station is discussed. The green base station planning， user distribution scheme， the cooperation scheme between the green base station and the traditional base station and energy management technology of hybrid energy base station are put forward， which provides the theoretical basis for the application of green base station in energy saving technology.

green energy BS energy-saving technology of BS BS planning collaborative strategy of BS

1 绿色基站简介

在无线蜂窝网络中，基站能耗占通信网络总能耗的75%[1]。同时，由于近两年移动终端设备的发展及各种社交网络的盛行，使得移动通信业务量急速增长，2012年基站的数量几乎增加了一倍[2]。图1显示了移动通信中各模块的耗能比例。

由图1可知，蜂窝网络中超过一半的能耗都来自于基站，这就使得基站节能在通信领域的节能减排中具有重大的实际意义。现有的基站节能技术主要有以下两类：

（1）绿色能源基站：绿色能源基站依赖于成熟的能源采集技术，结合自然环境的约束，利用可再生能源为基站供电。

（2）基站节能：按无线通信网络的层次可分为设备级节能和网络级节能。设备级节能是指从基站本身考虑，通过采用先进的设备或对基站的部件进行功率管理来减少基站的能量消耗；网络级节能主要包括基站休眠机制、小区缩放技术和自组网技术等。

绿色基站从广义上来讲，是指一切能够减小基站能耗的基站节能技术[3]；而狭义的绿色基站是指利用可再生能源（如风能、太阳能等）为基站供电的基站，从而减小传统基站能耗[4]。本文中的绿色基站均指绿色能源基站。

2 绿色基站及基站节能机制

随着基站节能技术的发展，基站本身的功耗大大降低，从而使得利用可再生能源代替传统能源为基站供电成为可能。2010年，国资委把运营商从节能减排关注类企业调整为节能减排重点类企业[5]。在低碳社会和新能源的驱使下，我国正大力发展新能源经济，努力实现经济可持续发展。

2.1 绿色基站

利用绿色能源的思想很早以前就被提出，并得到了很好的应用，如太阳能热水器、风力发电机等。如今随着温室效应的加剧，使得全球气候变暖，因此无论是在工业生产领域还是学术研究领域，都具有重要的研究价值和实践意义。

基站节能技术也成为中国通信行业一个迫切需要解决的问题，运营商和科研人员都对基站节能提出了很多解决方案，同时设备商也在基站节能上加大了投资和研发力度[6]。且绿色基站的性能受到了自然环境的约束，其影响因素主要包含绿色能源的不均匀分布和绿色能源的非连续性。目前对绿色基站技术研究的热点问题主要包括以下方面：

（1）绿色基站选址：在现有的传统固定基站的基础上，绿色基站的选址应该综合考虑在保证无线通信服务质量的基础上减小固定基站的能耗、提高绿色能源的利用率。endprint

（2）绿色基站能源采集：通过改进采集设备和增加采集装置的数量来提高绿色能源采集量，但是采集装置过多也是一种浪费，应根据实际情况决定采集装置的数量。

（3）绿色基站和传统基站的协作：结合传统基站间的协作机制，考虑到绿色能源分布和业务量，建立绿色基站和传统基站的协作机制，主要包括传统基站休眠机制和功率调整机制。

（4）混合能源基站：混合能源基站可由传统能源和绿色能源供电。当绿色能源充足时，只由绿色基站供电；而当绿色能源不足时，可以使传统能源和绿色能源同时为基站供电。针对绿色能源分布和业务量，设计混合能源基站的能源分配策略。

2.2 基站节能方案

据研究，基站的能耗主要来自于功率放大器、空调设备、信号处理设备和供电设备，如图2所示：

图2 基站节能机制

基站节能主要包括以下方面[7]：

（1）硬件节能：从基站本身考虑基站的节能技术，由图2可知基站中功耗最大的是功率放大器，其次是空调设备。可以通过改进设备来提高设备效率；对基站部件进行功率管理，并对基站中各部件实现休眠或低功耗模式来降低能量消耗。

（2）基站多点协作技术：即COMP技术。基站间通过一些算法协议实现动态的功率调整，智能地实现小区缩放，从而节约基站能量，提高能量利用率；自组织网络技术利用网络拓扑控制的思想，对网络进行重构建，使得网络总能耗最小。

（3）绿色能源：主要利用新能源来供电，如太阳能、风能、氢燃料电池等。

（4）综合节能：包括很多方面，如智能载波调整技术、电源管理、减少基站数目、优化基站架构等，实现基站节能。智能载波调整是指根据白天和晚上业务量分布的不同动态调整基站输出的载波数，适时关闭非工作载波，减小能量开销。

3 基于绿色基站的节能方案探讨

3.1 绿色基站规划

在保证用户服务质量的基础上，综合考虑绿色能源分布、用户业务量和现有的传统基站位置等设计绿色基站的部署方案。节约传统基站的能耗，提高绿色能源的利用率。

（1）绿色宏基站规划：宏基站发射功率高，覆盖范围广。由于通信网络中存在着潮汐效应以及绿色能源不稳定等问题，综合考虑绿色能源分布情况和业务量部署绿色基站，使得全网指标最优。

（2）绿色微基站规划：由于现有的传统宏基站存在着严重的边缘效应问题，使得与基站距离较远的用户通信质量较差，无法满足用户需求。在此情况下，绿色小小区基站应运而生，用以弥补传统宏基站的不足。绿色小小区基站覆盖范围小，可服务的用户较少，将其部署在小区的边缘位置，可以保证边缘用户的通信质量，提高全网的平均通信水平。此外，还可将其与传统基站协作，在确保用户服务质量的条件下，尽可能地吸收更多的用户。

在实际应用中，可以综合考虑以上两种思想对绿色基站进行规划选址。不仅可以提高全网用户的平均通信水平，还可以减少传统能源消耗。

3.2 绿色基站对用户的分流

在确定绿色基站的选址后，对绿色基站储存的能量进行分级，通过智能感知技术实时评估绿色基站电池的能量状态，当绿色基站能级较高时，其可承载的用户数量增大。下面介绍两种可行方案：

（1）功率控制：利用传统小区缩放的机制，增加基站发射功率，相应地增大其覆盖面积，同时可以减小传统基站的发射功率，从而绿色基站上承载的用户数增加，实现对用户的分流，提高绿色能源利用率。

（2）提高用户接入绿色基站网络的优先级：用户能够智能感知绿色基站的能量状态，当绿色基站存储的能量较多时，用户更偏向接入绿色基站网络。因此，基于绿色基站的能量状态和用户与基站的距离设计一种接入策略。

综合考虑用户的移动速度和用户接入基站的优先级，设计绿色基站对用户的分流策略，最大限度地利用绿色能源并减小相应的切换开销。其算法流程图如图3所示，其中绿色基站和传统基站的优先级由绿色基站的能量状态及小区业务量共同决定。

图3 用户接入绿色基站的流程

以上两种方案都可以使绿色基站吸纳用户，实现对用户的分流，提高绿色基站的效率和绿色能源的利用率。

3.3 绿色基站与传统基站协作

基站节能的方式有很多种，例如：硬件节能（如增加能量效率的功率放大器）、拓扑控制（如对中继和微基站的调度[8-9]）、基站休眠（如动态基站休眠机制[10]使得网络能耗最小）、小区缩放（基站功率控制）等。将绿色基站应用于无线通信系统，设计绿色基站和传统基站的协作机制，从而降低传统能耗，提高绿色能量利用率。协作方式主要有以下两种：

（1）传统基站和绿色基站的小区缩放机制：在保证网络服务质量的基础上，通过基站功率控制尽可能多地增加绿色基站的覆盖范围，提高绿色能源的利用率。当绿色基站能量较多时，增加其发射功率，扩大其覆盖面积，相应地减小相邻传统基站的发射功率，以达到节能效果。

（2）传统基站和绿色基站的休眠机制：当通信业务量较少且绿色基站能量较多时，在保证通信业务的条件下可以关闭相邻的传统基站，以减小能耗。

综合考虑传统基站业务量和绿色基站能量状态，根据小区休眠机制，实现传统基站与绿色基站的协作，如图4所示：

图4 传统基站与绿色基站协作方案流程

在能够智能感知绿色基站的能量状态的条件下，根据能量状态和业务量等实现绿色基站和传统基站的协作。以载波和业务量为自变量、基站耗电量为因变量，建立基站设备的能耗模型如下[11]：

Y=B+α×C+β×T （1）

其中，Y为基站设备总能耗；B为无载波时耗电量；α为载波系数；β为业务量系数；C为载波数；T为业务量。

因此，可以得到传统基站和绿色基站的基站剩余能量模型为：endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1为传统基站剩余能量；R2为绿色基站剩余能量；E为基站总能量；G为采集到的绿色能源。

由此可知，基站能耗与业务量之间是线性关系。假设载波数不变，且在一定时间内绿色基站单位时间采集到的能量值保持不变，根据式（1）、（2）和（3），利用MATLAB软件进行仿真可得到图5所示仿真曲线：

图5 基站剩余能量与业务量的关系曲线

由图5可知，随着业务量的增加，基站消耗的能量会越多，对于传统基站而言，其剩余能量就越来越少。而绿色基站随时都在采集绿色能源，因此当业务量很少时，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量会增加；当业务量达到一定值后，采集到的能量不能满足基站业务需求，因此基站的剩余能量会减小。

3.4 混合能源基站

在传统基站中增加绿色能源采集装置，将传统基站升级为混合能源基站。

混合能源基站的供电状态可分为三种：传统能源供电、绿色能源供电、绿色能源和传统能源一起供电。其影响因素主要包括：基站中存储的绿色能源量、无线通信业务需求量、信道条件等。

当基站中存储的绿色能源足够多时，基站仅使用绿色能源为基站供电就可以满足通信业务需求；而当基站存储的绿色能源不足以保证服务质量时，则使用传统能源来供给不足，满足通信需求；若由于天气等原因，基站中存储的绿色能源量几乎为0时，就只能依靠传统能源来供电。

4 结束语

绿色能源为绿色通信带来了新的生机，在面临全球环境恶化、资源短缺的情况下，有效地利用绿色能源能够节约资源、减少温室气体的排放，保护环境，更好地实现可持续发展。虽然目前已经有了绿色能源采集的技术和设备，但是其在无线通信上的应用并不广泛，因此绿色基站技术作为当前绿色通信的一个热点问题，需要更进一步的探讨。

参考文献：

[1] Han T， Ansari N. On Optimizing Green Energy Utilization for Cellular Networks with Hybrid Energy Supplies[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013，12（8）： 3872-3882.

[2] Hasan Z， Boostanimehr H， Bhargava V K. Green Cellular Networks： A Survey， Some Research Issues and Challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2011，13（4）： 524-540.

[3] 帅农村. 绿色基站建设方案探讨[J]. 移动通信， 2012（9）： 31-33.

[4] Schmitt G. The Green Base Station[A]. Telecommunication-Energy Special Conference（TELESCON）， 2009 4th International Conference on VDE[C]. 2009： 1-6.

[5] 孟一翔. 移动通信基站节能减排技术研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2012.

[6] 余爱民. 论绿色基站对我国通信行业影响[J]. 总裁， 2009（5）.

[7] 申玲钰. 移动通信基站节能机制的研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2013.

[8] Fehske A J， Richter F， Fettweis G P. Energy Efficiency Improvements Through Micro Sites in Cellular Mobile Radio Networks[A]. 2009 IEEE GLOBECOM Workshops[C]. 2009： 1-5.

[9] Rost P， Fettweis G. 11 Green Communications in Cellular Networks with Fixed Relay Nodes[J]. Cooperative Cellular Wireless Networks， 2010： 300.

[10] Oh E， Son K， Krishnamachari B. Dynamic Base Station Switching-on/off Strategies for Green Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013，12（5）： 2126-2136.

[11] 帅农村，郑辑杰，辛冰，等. GSM移动通信基站能耗模型研究[J]. 移动通信， 2011（2）： 87-90.endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1为传统基站剩余能量；R2为绿色基站剩余能量；E为基站总能量；G为采集到的绿色能源。

由此可知，基站能耗与业务量之间是线性关系。假设载波数不变，且在一定时间内绿色基站单位时间采集到的能量值保持不变，根据式（1）、（2）和（3），利用MATLAB软件进行仿真可得到图5所示仿真曲线：

图5 基站剩余能量与业务量的关系曲线

由图5可知，随着业务量的增加，基站消耗的能量会越多，对于传统基站而言，其剩余能量就越来越少。而绿色基站随时都在采集绿色能源，因此当业务量很少时，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量会增加；当业务量达到一定值后，采集到的能量不能满足基站业务需求，因此基站的剩余能量会减小。

3.4 混合能源基站

在传统基站中增加绿色能源采集装置，将传统基站升级为混合能源基站。

混合能源基站的供电状态可分为三种：传统能源供电、绿色能源供电、绿色能源和传统能源一起供电。其影响因素主要包括：基站中存储的绿色能源量、无线通信业务需求量、信道条件等。

当基站中存储的绿色能源足够多时，基站仅使用绿色能源为基站供电就可以满足通信业务需求；而当基站存储的绿色能源不足以保证服务质量时，则使用传统能源来供给不足，满足通信需求；若由于天气等原因，基站中存储的绿色能源量几乎为0时，就只能依靠传统能源来供电。

4 结束语

绿色能源为绿色通信带来了新的生机，在面临全球环境恶化、资源短缺的情况下，有效地利用绿色能源能够节约资源、减少温室气体的排放，保护环境，更好地实现可持续发展。虽然目前已经有了绿色能源采集的技术和设备，但是其在无线通信上的应用并不广泛，因此绿色基站技术作为当前绿色通信的一个热点问题，需要更进一步的探讨。

参考文献：

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[11] 帅农村，郑辑杰，辛冰，等. GSM移动通信基站能耗模型研究[J]. 移动通信， 2011（2）： 87-90.endprint

R1=E-Y （2）

R2=E-Y+G （3）

其中，R1为传统基站剩余能量；R2为绿色基站剩余能量；E为基站总能量；G为采集到的绿色能源。

由此可知，基站能耗与业务量之间是线性关系。假设载波数不变，且在一定时间内绿色基站单位时间采集到的能量值保持不变，根据式（1）、（2）和（3），利用MATLAB软件进行仿真可得到图5所示仿真曲线：

图5 基站剩余能量与业务量的关系曲线

由图5可知，随着业务量的增加，基站消耗的能量会越多，对于传统基站而言，其剩余能量就越来越少。而绿色基站随时都在采集绿色能源，因此当业务量很少时，其采集的能量比消耗的多，其剩余能量会增加；当业务量达到一定值后，采集到的能量不能满足基站业务需求，因此基站的剩余能量会减小。

3.4 混合能源基站

在传统基站中增加绿色能源采集装置，将传统基站升级为混合能源基站。

混合能源基站的供电状态可分为三种：传统能源供电、绿色能源供电、绿色能源和传统能源一起供电。其影响因素主要包括：基站中存储的绿色能源量、无线通信业务需求量、信道条件等。

当基站中存储的绿色能源足够多时，基站仅使用绿色能源为基站供电就可以满足通信业务需求；而当基站存储的绿色能源不足以保证服务质量时，则使用传统能源来供给不足，满足通信需求；若由于天气等原因，基站中存储的绿色能源量几乎为0时，就只能依靠传统能源来供电。

4 结束语

绿色能源为绿色通信带来了新的生机，在面临全球环境恶化、资源短缺的情况下，有效地利用绿色能源能够节约资源、减少温室气体的排放，保护环境，更好地实现可持续发展。虽然目前已经有了绿色能源采集的技术和设备，但是其在无线通信上的应用并不广泛，因此绿色基站技术作为当前绿色通信的一个热点问题，需要更进一步的探讨。

参考文献：

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[11] 帅农村，郑辑杰，辛冰，等. GSM移动通信基站能耗模型研究[J]. 移动通信， 2011（2）： 87-90.endprint