基于小區(qū)DTX技術(shù)的LTE系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制

申玲鈺, 樓培德

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

近年來(lái)，無(wú)線通信行業(yè)飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年全球移動(dòng)基站數(shù)已超過(guò)400萬(wàn)，平均每個(gè)基站的年耗電量超過(guò)25MWh，預(yù)計(jì)2012年發(fā)展中國(guó)家的基站數(shù)將成倍增加[2～4]。為降低運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本，減小環(huán)境污染，大量學(xué)者正致力于研究高效的無(wú)線通信系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制。

關(guān)閉無(wú)用的無(wú)線資源及硬件設(shè)備，是一種有效的節(jié)能思想。對(duì)于電池容量有限的終端，可使用非連續(xù)接收（DRX）模式，IEEE 802.16e也定義了一種基站休眠機(jī)制。對(duì)一個(gè)小區(qū)而言，駐留在該小區(qū)的終端數(shù)目及小區(qū)負(fù)載隨時(shí)間變化，如深夜小區(qū)負(fù)載明顯低于白天，此時(shí)可通過(guò)關(guān)閉小區(qū)中無(wú)用的無(wú)線資源及硬件設(shè)備以減少其能量消耗。

本文所研究的節(jié)能對(duì)象為基站功率放大器(PA)。在典型的無(wú)線蜂窩網(wǎng)中，約58%的能量消耗用于基站，而基站能量消耗中約65%用于PA[2，4]，故降低PA能量消耗是一種有效的節(jié)能機(jī)制。本文提出了一種用于LTE系統(tǒng)的小區(qū)非連續(xù)發(fā)射(DTX)技術(shù)，在滿足用戶QoS需求的基礎(chǔ)上，時(shí)域上關(guān)閉一個(gè)系統(tǒng)幀中某些無(wú)用的無(wú)線資源及硬件設(shè)備(PA等)。未使用DTX技術(shù)時(shí)，小區(qū)在無(wú)用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦凶訋校鑲鬏斠欢ǖ目刂菩畔?，以確保用戶的正常接入與通信，且此過(guò)程中硬件設(shè)備一直處于工作狀態(tài)。引入DTX技術(shù)后，根據(jù)小區(qū)負(fù)載需求，動(dòng)態(tài)選擇一個(gè)系統(tǒng)幀中用于承載用戶數(shù)據(jù)和控制信息的下行子幀數(shù)，在余下的下行子幀中執(zhí)行休眠機(jī)制，同時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的PA，降低PA使用率。

2 LTE系統(tǒng)時(shí)頻資源模型

LTE系統(tǒng)中信息資源以資源粒(RE，Resource Element)為單位在時(shí)頻二維域進(jìn)行分配，以物理資源塊(RB，Resource Block)實(shí)現(xiàn)RE與具體的物理信道間的映射。LTE下行采用OFDMA技術(shù)，支持TDD與FDD兩種幀結(jié)構(gòu)。

時(shí)域上，一個(gè)FDD-LTE幀的長(zhǎng)度為10ms,分為10個(gè)1ms子幀，每個(gè)子幀包括兩個(gè)0.5ms時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)OFDM符號(hào)（使用短循環(huán)前綴）。頻域上，每個(gè)子載波的帶寬為15kHz，子載波數(shù)由系統(tǒng)帶寬而定。一個(gè)RB時(shí)域長(zhǎng)度為一個(gè)時(shí)隙，頻域上包含12個(gè)連續(xù)子載波。FDD-LTE幀結(jié)構(gòu)及時(shí)頻資源網(wǎng)格[5]如圖1所示。

圖1 FDD-LTE幀結(jié)構(gòu)及時(shí)頻資源結(jié)構(gòu)圖

LTE下行資源中部分用于傳輸用戶數(shù)據(jù)信息，其余用于傳輸下行控制信息。若某下行子幀內(nèi)包含用戶數(shù)據(jù)信息，則該子幀的前半個(gè)時(shí)隙需包含用于傳輸下行控制信息的PDCCH物理資源(1～3個(gè)OFDM符號(hào))。另外兩種重要的下行控制信息為同步信號(hào)和參考信號(hào)。LTE同步信號(hào)的周期是為5ms，分為主同步信號(hào)(PSS)和輔同步信號(hào)(SSS)。這兩種同步信號(hào)在終端開(kāi)機(jī)執(zhí)行小區(qū)搜索的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)確保其正確傳輸。小區(qū)參考信號(hào)(CRS)，主要用于信道估計(jì)、解調(diào)及小區(qū)選擇和切換時(shí)的測(cè)量，與天線口存在一定的映射關(guān)系，按照一定規(guī)律分布于時(shí)頻資源中[5]，若引入MBSFN子幀[6]，一個(gè)下行子幀中只需包含一個(gè)CRS。除此之外，0號(hào)下行子幀還包括PBCH物理資源，用于傳輸系統(tǒng)廣播信息。

綜上所述，不同下行子幀中控制信息占用的時(shí)間比不同，圖2為一種可行的控制信息時(shí)頻資源分布圖。假設(shè)第i（0≤i≤9）個(gè)下行子幀中承載控制信息的時(shí)間比率為xi，該子幀無(wú)數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)，PA的開(kāi)啟時(shí)間為 tPA_i_bass，且PDCCH物理資源只占用該子幀的第一個(gè)OFDM符號(hào)。引入DTX技術(shù)后，若某下行子幀無(wú)數(shù)據(jù)信息傳輸，剛可在該子幀中部分OFDM符號(hào)內(nèi)執(zhí)行休眠，此時(shí)可關(guān)閉PA。假設(shè)開(kāi)啟PA需0.5個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)延[6]，關(guān)閉PA時(shí)延為0，xi與tPA_i_bass的取值見(jiàn)表1。

圖2 下行控制信息時(shí)頻資源分布圖

表1 xi與tPA_i_base的取值

3 小區(qū)DTX原理及方案設(shè)計(jì)

在無(wú)線蜂窩網(wǎng)中，約一半以上的能量消耗用于基站，而基站能量消耗主要用于PA。PA消耗的總能量EPA，包括靜態(tài)損耗EPA_S及動(dòng)態(tài)能耗EPA_D，動(dòng)態(tài)能耗中部分能量EPA_D_out經(jīng)過(guò)天線向信道傳輸，其余為PA動(dòng)態(tài)損耗。本文中假定PA動(dòng)態(tài)輸出功率EPA_D_out與動(dòng)態(tài)總功率PPA_D成線性關(guān)系，動(dòng)態(tài)輸出效率為η。則有：

若從PA輸出再經(jīng)天線輻射至傳輸信道過(guò)程中的能量傳輸效率為β，則信道最終獲得的傳輸能量ET為：

現(xiàn)設(shè)一個(gè)未引入DTX技術(shù)的單用戶單天線FDDLTE系統(tǒng)的下行帶寬為B (1.25～20MHz)，系統(tǒng)噪聲密度為N0(W/Hz)，一個(gè)系統(tǒng)幀中第i個(gè)子幀用于傳輸用戶數(shù)據(jù)信息的時(shí)間為tdi，傳輸功率為Pdi，信道增益g＝f(d)，其中d為終端至基站的距離；根據(jù)香農(nóng)定理，該子幀的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rdi(bit/s)為：

FDD-LTE系統(tǒng)幀的一個(gè)子幀長(zhǎng)度為txf＝0.001s，第i個(gè)子幀承載控制信息的時(shí)間比率為xi，且假設(shè)包含控制信息的OFDM符號(hào)內(nèi)不再承載數(shù)據(jù)信息，則tdi＝(1-xi)xsf，該子幀中用于傳輸控制信息的時(shí)間為tsi＝xixsf。設(shè)系統(tǒng)使用下行峰值傳輸功率Pm傳輸控制信息，以確保其接收時(shí)能正確解碼。則該系統(tǒng)幀內(nèi)需要的信道傳輸總能量為：

此系統(tǒng)幀可承受的最大數(shù)據(jù)傳輸率為：

若該系統(tǒng)中PA的靜態(tài)損耗功率為PPA_S，系統(tǒng)未引入小區(qū)DTX技術(shù)時(shí)，PA在該系統(tǒng)幀內(nèi)的總能量消耗為：

系統(tǒng)引入DTX技術(shù)后，在確保系統(tǒng)用戶QoS需求的基礎(chǔ)上，可通過(guò)關(guān)閉系統(tǒng)幀中某些無(wú)用的物理資源及硬件設(shè)備(PA)以降低系統(tǒng)功耗。文獻(xiàn)[1]中提出了一種時(shí)域上的小區(qū)休眠機(jī)制，但其休眠機(jī)制的優(yōu)化對(duì)象為信道傳輸能量ET，而不是PA消耗的總能量EPA；且文獻(xiàn)[1]中指出，若小區(qū)在某子幀（第一幀除外）中進(jìn)入休眠狀態(tài)，小區(qū)在該子幀內(nèi)將不發(fā)送任何信息，包括控制信息，這將在一定程度上影響用戶在該小區(qū)內(nèi)的正常接入與通信，本文將文獻(xiàn)[1]中的方法稱為基于子幀休眠的信道傳輸能量?jī)?yōu)化機(jī)制。

本文所提出的小區(qū)DTX技術(shù)，優(yōu)化對(duì)象為PA消耗的總能量EPA。在滿足一個(gè)系統(tǒng)幀內(nèi)小區(qū)容量需求Cneed(bit/s)的前提下，承載用戶數(shù)據(jù)的子幀數(shù)為M，剩余子幀只傳輸必要的控制信息，而這些子幀內(nèi)無(wú)控制信息的OFDM符號(hào)處可執(zhí)行休眠機(jī)制，同時(shí)關(guān)閉PA以降低PA使用率，從而減小PA的靜態(tài)損耗。該方法休眠的時(shí)間單位為OFDM符號(hào)，故稱為基于OFDM符號(hào)的DTX技術(shù)。若一個(gè)系統(tǒng)幀中包含用戶數(shù)據(jù)的子幀集合為U，第i個(gè)子幀中PA的開(kāi)啟時(shí)間為tPA_i，則可通過(guò)求解以下最優(yōu)化模型，求出最優(yōu)解U，使得在滿足Cneed的前提下，EPA最小。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)見(jiàn)表2。其中PA參數(shù)選擇參考NXP公司最新推出的用于LTE和WiMAX系統(tǒng)的功率放大器芯片BLFG27L-90的參數(shù)規(guī)格[7]； β的選取參考文獻(xiàn)[8]；仿真時(shí)假定終端至基站的距離不變，對(duì)應(yīng)的信道增益為-60dB。根據(jù)BLFG27L-90數(shù)據(jù)手冊(cè)，選取數(shù)據(jù)手冊(cè)中所給的典型工作狀態(tài)，PA的靜態(tài)功率為：

依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，當(dāng)PA工作頻率fC＝2.6GHz時(shí)，選取PL＝40W作為系統(tǒng)最大負(fù)載功率，其對(duì)應(yīng)的PA漏極效率ηD＝0.43。PL即為PA動(dòng)態(tài)輸出功率PPA_D_out，由公式（2）可得：

由上式可得，此時(shí)PA動(dòng)態(tài)輸出效率η≈0.55。系統(tǒng)下行峰值傳輸功率Pm＝βPL＝20W，系統(tǒng)噪聲密度N0(W/Hz)＝KT＝ 4×10-21。

設(shè)系統(tǒng)幀中每個(gè)子幀的數(shù)據(jù)傳輸速率相同，用于承載用戶數(shù)據(jù)的子幀集合U的元素為從第0幀開(kāi)始的連續(xù)子幀，且數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到香農(nóng)上限。若引入MBSFN子幀[6]，則從只包含控制信息的子幀集合中選取1～6個(gè)子幀（第0幀與第5幀除外）設(shè)置為MBSFN子幀，且設(shè)置最大的MBSFN子幀數(shù)。

表2 仿真參數(shù)

圖3 Cneed與EPA關(guān)系圖（未設(shè)置MBSFN子幀）

圖4 Cneed與EPA關(guān)系圖（設(shè)置MBSFN子幀）

圖3及圖4分別為未設(shè)置MBSFN子幀及設(shè)置MBSFN子幀時(shí)，系統(tǒng)幀內(nèi)負(fù)載Cneed與PA總能量消耗值EPA的關(guān)系圖。圖中可得，在滿足不同Cneed值時(shí)，應(yīng)選擇的用于承載用戶數(shù)據(jù)的最少子幀數(shù)，即M的最優(yōu)值，使得EPA最小。對(duì)比兩圖，可明顯看出設(shè)置MBSFN子幀的DTX技術(shù)能更加有效的降低PA能量消耗。對(duì)于特定的M值，Cneed在一定數(shù)據(jù)傳輸速率區(qū)間內(nèi)變化對(duì)EPA影響不大，因?yàn)樵搮^(qū)間內(nèi)PA的靜態(tài)損耗及控制信息所消耗能量均為定值且占主導(dǎo)。

圖5為使用不同DTX技術(shù)時(shí)，負(fù)載Cneed與其對(duì)應(yīng)的最小PA能量消耗值EPA的關(guān)系圖。由圖5可知，系統(tǒng)負(fù)載越低，DTX技術(shù)的節(jié)能效益越大。隨著系統(tǒng)負(fù)載量的增大，需使用更多的子幀來(lái)承載數(shù)據(jù)信息，可設(shè)置為MBSFN的子幀數(shù)減少，且增大了PA的工作時(shí)間，因此DTX技術(shù)的節(jié)能效益下降。由圖5可知，未設(shè)置MBSFN子幀的DTX技術(shù)最大可節(jié)省約25%（負(fù)載為0時(shí)）的PA能量消耗，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的60%（2.2×108bit/s）時(shí)，該技術(shù)無(wú)明顯的節(jié)能效益。而設(shè)置MBSFN子幀的DTX技術(shù)最大可節(jié)省約60%（負(fù)載為0時(shí)）的PA能量消耗，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的80%（3×108bit/s）時(shí)，該技術(shù)無(wú)明顯的節(jié)能效益。

圖5 使用不同DTX方案時(shí)Cneed與EPA的關(guān)系圖

文獻(xiàn)[1]中采用基于子幀休眠的信道傳輸能量?jī)?yōu)化機(jī)制，提出了一種依據(jù)系統(tǒng)負(fù)載選擇最佳承載數(shù)據(jù)信息子幀數(shù)M的方案，使得信道傳輸功率ET最小。該文還指出對(duì)于某個(gè)特定的負(fù)載，并非M越小ET則越小。本文所提出的DTX方案優(yōu)化的對(duì)象為PA消耗的總能量EPA，不僅考慮了傳輸控制信息和傳輸數(shù)據(jù)信息所消耗能量，同時(shí)考慮了PA的靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗。因PA能量消耗中靜態(tài)損耗占有一定比例，故本文所提出的方案（方案一）與文獻(xiàn)[1]中方案（方案二）存在一定的決策差異。圖6為一段負(fù)載區(qū)間內(nèi)該兩種方案的決策對(duì)比圖，對(duì)于某些負(fù)載，方案一所選擇的M值比方案二所選擇的M值小，因?yàn)镻A靜態(tài)損耗會(huì)隨著M的增大而增大。若決策時(shí)考慮的是PA能量消耗而非文獻(xiàn)[1]中僅考慮的信道傳輸能量，最終得到的決策方案可更有效的降低PA能量消耗，因而本文中的方法具有更好的節(jié)能效益。

圖6 方案決策對(duì)比圖

5 總結(jié)

本文研究的節(jié)能對(duì)象為PA能量消耗而不是文獻(xiàn)[1]中僅考慮的信道傳輸能量，可更有效地降低PA能量消耗，因而本文中的方法具有更好的節(jié)能效益。以單用戶LTE系統(tǒng)為例，系統(tǒng)無(wú)負(fù)載或低負(fù)載時(shí)，該方法可有效降低PA能量消耗，且負(fù)載越小該方法的節(jié)能效益越明顯。相比未引入小區(qū)DTX技術(shù)，未設(shè)置MBSFN子幀的小區(qū)DTX技術(shù)最大可節(jié)省約25%的PA能量消耗，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的60%時(shí)，該技術(shù)無(wú)明顯的節(jié)能效益；而設(shè)置MBSFN子幀的小區(qū)DTX技術(shù)最大可節(jié)省約60%的PA能量消耗，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的80%時(shí)，該技術(shù)無(wú)明顯的節(jié)能效益。

[1] Wang R, Thompson J S, Haasm H. A novel time-domain sleep mode design for energy-efficient LTE[A]. Proc ISCCSP’4th[C], Limassol,cyprus, 3-5 March 2010.

[2] Hasan Z, Boostanimehr H, Bhargava V K. Green cellular networks: a survey, some research issues and challenges[J]. IEEE Communications Surveys& Tutorials, 2011,13:524-540.

[3] Han C, et al. Green radio: radio techniques to enable energy-efficient wireless networks[J]. IEEE Commun Mag, 2011,49(6):46-54.

[4] Correia L M. et al. Challenges and enabling technologies for energy aware mobile radio networks[J]. IEEE Commun Mag, 2010,48(11):66-72.

[5] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 10), 3GPP TS. 36.211[S]. 2010.

[6] Ericsson and ST-Ericsson. Extended cell DTX for Enhanced Energy-Efficient Network Operation, 3GPP TSG-RAN WG1 #59, R1-095011[S].Jeju, Korea, November 9-13, 2009.

[7] Power LDMOS transistor (BLF7G27L-90P),NXP, 2011.

[8] Bories S. Dussopt L, Giry A, Delaveaud C. Duplexer-less RF frontend for LTE picocell using a dual polarization antenna[A]. European Wireless 2011, 11th European[C]. Vienna, Austria, 27-29 April 2011,paper 1569424097, p729.