2.1 异构蜂窝网络的节能潜力

近10年来，移动蜂窝网络中的用户及数据量有了空前的增长，如此巨大的负载量也导致了消耗的能量以及碳排放量的大幅增加。相应地，运营商的运营成本越来越高，生态环境也越来越恶劣。一般情况下，基站的耗能占网络整体耗能的60%～80%，而当整个网络的负载较小时，基站的耗能甚至占到整个网络耗能的90%。因此，基站的节能是整个蜂窝网络节能的关键[1]。

通常在传统的通信网络设计中存在着冗余设计的问题，为了应对突发故障出现，提高网络可靠性，网络中配置了大量的复杂链路和设备，以备不时之需，并不是所有的链路和设备都能得到充分利用，据估计，骨干网即使在业务量高时设备平均利用率也不足 30%，这就意味着大部分网络在闲时平均利用率不到 5%，然而为了避免出现业务高峰，大部分设备都是全天满功耗地工作，造成大量能源的浪费，这就为构造绿色网络提供了改造空间[2]。目前，很多通信企业也加入到构建绿色网络的行列中，通过技术和方案的创新，以实际的行动实践绿色通信。

用户在时域和空域上的分布以及业务种类都呈现出越来越大的不均匀性和不确定性[2]。通过分析移动用户数据业务分布情况，可以发现移动通信网络具有典型的“潮汐效应”[3]，流量在时域和空域上都存在规律性差异。例如，白天工作期间，商业区的通信业务量很大，而住宅区的通信业务量却很小；晚上下班以后，情况恰恰相反。当某一些小区业务量减小甚至减小至零时，可以通过基站休眠的方式实现基站能耗的大幅度减少。图 2-1 所示为某地无线蜂窝小区一周的业务量变化示意曲线[3]。

图2-1 无线蜂窝小区业务量一周内变化示意

如图 2-1 所示，无线蜂窝小区一天中的业务量变化存在明显波动，呈现“潮汐效应”，也就是说，业务量存在着明显的高峰期和低谷期。一周中工作日比休息日业务量明显要多。然而基站的耗能量不会因业务量的减少而减少，因为只要基站处于工作状态，能源消耗就会很大，业务量对基站能耗的影响微乎其微。24小时处于工作状态的基站耗能量巨大，但是很明显在一些时间段内基站巨大的耗能量只服务于很少的用户，造成了巨大的能量浪费。

蜂窝网络基站一般是按照峰值容量用户业务需求来设计的，然而每个基站的流量使用真正处于峰值流量的时长是非常短的，当网络覆盖区域出现低负载时，基站功率资源就得不到充分利用，造成大量的能源浪费。因此网络不必总依照峰值流量进行工作，而应该考虑在无线蜂窝小区通信量减小到阈值时采用基站休眠策略，关闭中心基站来节能。当基站的流量低于门限值时，调整基站的工作状态，使其进入节能状态，当流量值增加时，唤醒基站使其正常工作来承载用户业务，这样动态地调整基站的工作状态以降低能量消耗。基站的节能措施主要包括基站开关切换、蜂窝半径缩放、基站间断传输，此外还有基站资源分配、MIMO抑制技术等。

基站除了休眠策略，还包括部署问题。当网络正常部署时，一般相邻的小区是不存在大面积重叠覆盖区域的，并且基站的最大覆盖范围远大于实际覆盖范围，基站可以动态调整覆盖范围，服务于更多的用户，提高网络资源利用率，这种动态调整网络侧的拓扑结构是绿色网络节能高效最直观的方案之一。选择最优的拓扑变换，同时要兼顾用户的QoS满意度以及基站的功率控制。当关闭一个或者多个小区后，需要切换的用户可以根据每个小区为其分配的功率选择最优的小区切换，这样保证了切换用户的QoS，同时达到较高的能量效率，降低系统能耗，并尽量减少覆盖空洞。

相对于传统的宏蜂窝（Macrocell），虽然单个小蜂窝基站的耗能很少，但是多个小蜂窝组成的小蜂窝网络的耗能就较大了。类似于宏蜂窝，商业区域白天用户密集，负载量较大，多个小蜂窝组成的小蜂窝网络提供局部高速服务，而在晚上或非工作日，小蜂窝网络服务的用户数很少或者不服务用户，此时网络的能量有效性很低。小蜂窝基站通过减小服务半径、缩短与用户的距离，从而降低发射功率，实现以更少耗能提供更高速接入的目的，能有效地提升频谱利用率及能量有效性。小蜂窝因体积小、成本低，部署起来十分方便，可以由运营商根据网络负载情况作为宏蜂窝的补充部署，也可以由用户自行部署。小蜂窝能够根据周围小蜂窝与用户的分布情况，自动设定基站发射功率等系统参数、自动优化资源分配、自动与邻近蜂窝进行切换等。小蜂窝的上述特性使其成为解决高负载量与高能耗的重要技术，有效地提升了混合网络的能量有效性。

异构蜂窝网络（Het-Net）由宏蜂窝和小蜂窝组成，宏蜂窝提供全网大范围覆盖，而小蜂窝基站以更低的能耗为区域用户提供高速的接入。由于小蜂窝服务半径很小，小蜂窝基站间的距离很近，因此，小蜂窝间的干扰比传统的宏蜂窝网中的干扰更为严重。另外，在异构网络中，当宏蜂窝与小蜂窝网络使用相同的资源时，就会存在跨层间的蜂窝间干扰，当宏蜂窝服务的用户位于小蜂窝基站附近时，跨层间的蜂窝间干扰将会十分严重。可以通过动态地调整小蜂窝基站的工作状态，以更小的发射功率获得更高的信干噪比与更高的数据率，提升整个网络的能量有效性，能获得更高的频谱空间复用性，获得更高的频谱利用率。

为了同时接入到多个共存网络，异构网络的用户终端需要具备可以接入多个网络的接口，也称为多模终端。该多模终端会涉及不同网络之间的切换，以便接入到多个网络中，与同构网络中的水平切换不同，异构网络主要涉及垂直切换。为了实现更好的节能效果，切换需要有一定的决策支撑，同时需要硬件的设计匹配。

此外，还可以通过改良基站的硬件设计来达到节能的目的。基站射频部分的耗能占整个基站耗能的80%，其中50%的耗能为功率放大器的耗能。而当功率放大器工作在线性区时，能够获得较高的效率，即功率放大器的输出功率与输入功率之比较大。因此，可以通过设计新型功率放大器的架构，保证功率放大器工作在线性区。