智能MIMO技術(shù)提升4G網(wǎng)絡(luò)效益的應(yīng)用研究

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1 背景

隨著4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署，通信網(wǎng)絡(luò)能耗也快速增長，能源費占付現(xiàn)成本的比例越來越高，節(jié)能降耗成為網(wǎng)絡(luò)降本增效的有效途徑之一。而傳統(tǒng)的設(shè)備節(jié)能重點放在對基站的蓄電池、空調(diào)等配套設(shè)備的更新?lián)Q代上，而隨著配套設(shè)備的節(jié)能措施不斷更新和完善，環(huán)境用電節(jié)能可發(fā)掘的空間變得越來越有限。而4G時代，3GPP在協(xié)議TS 36.300中明確指出了基站需要支持節(jié)能技術(shù)，如何創(chuàng)新舉措針對不同業(yè)務(wù)場景實現(xiàn)4G基站節(jié)能顯得更具價值。通過智能通道關(guān)斷技術(shù)，DTX技術(shù)的基本原理、應(yīng)用場景、實施效果等內(nèi)容進(jìn)行分析研究，實現(xiàn)低負(fù)載時關(guān)斷MIMO功能，降低射頻功耗，既能達(dá)到保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速率感知的目的，又能達(dá)到降本增效的目的，提升4G網(wǎng)絡(luò)運營效率。同時綜合考慮流量負(fù)荷和服務(wù)質(zhì)量感知，探索方案適用場景。

2 智能MIMO技術(shù)方案

根據(jù)對3GPP TS 36.300協(xié)議研究和廠家設(shè)備方案支持情況，對4G基站節(jié)能技術(shù)的基本原理、處理流程、關(guān)鍵參數(shù)配置進(jìn)行研究，考慮SON控制實現(xiàn)及實際應(yīng)用可行性，主要對通道智能關(guān)斷和載波智能關(guān)斷方案進(jìn)行研究，而在現(xiàn)網(wǎng)實際實施時，載波關(guān)斷主要是根據(jù)時間段及流量來關(guān)斷高頻點小區(qū)，從而節(jié)省高頻點小區(qū)的RRU靜態(tài)功耗，主要是適用于高容量的多頻組網(wǎng)場景。

因此，本文主要創(chuàng)新實施應(yīng)用智能MIMO關(guān)斷技術(shù)，動態(tài)的實現(xiàn)根據(jù)流量負(fù)荷配置單、雙通道傳輸，進(jìn)而動態(tài)降低功耗，保證了低流量場景下的覆蓋需求，及時恢復(fù)雙通道，能夠及時保證流量和容量需求，節(jié)約了射頻能耗，解決了低流量、低負(fù)荷4G基站功率浪費的問題。針對不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷場景，制定基站的節(jié)能策略來實施管理，實現(xiàn)有效的節(jié)能。

2.1 動態(tài)啟用單、雙通道

當(dāng)小區(qū)負(fù)荷低于某門限時，關(guān)斷一個天線通道，僅剩下單通道覆蓋，此時可以節(jié)省一個功放的靜態(tài)功耗，約為40W或30W左右。如圖1所示，在2x2 MIMO模式下，滿足時段、門限、用戶負(fù)荷條件后，小區(qū)的1路Tx被關(guān)斷，小區(qū)繼續(xù)在SIMO模式下工作。

圖1 動態(tài)啟用單、雙通道

關(guān)鍵流程如圖2所示，以中興設(shè)備為例，其他廠商設(shè)備類似。當(dāng)OMC同步ES策略信息到節(jié)能小區(qū)所在的eNodeB。配置節(jié)能開關(guān)為開啟，此時eNodeB開啟ES功能；當(dāng)ES策略配置的節(jié)能開始時間到達(dá)后，與OMC進(jìn)行斷點交互或監(jiān)控上報。當(dāng)ES運行模式為受控模式，且ES策略中配置該參考點為斷點，則執(zhí)行斷點交互，否則只上報監(jiān)控?zé)o斷點交互。當(dāng)ES運行模式為自由模式，且監(jiān)控上報開關(guān)打開，則只上報監(jiān)控?zé)o斷點交互。當(dāng)ES運行模式為受控模式，用戶確認(rèn)進(jìn)行節(jié)能或ES運行模式為自由模式，開始進(jìn)行節(jié)能判決。若連續(xù)兩次檢查到節(jié)能小區(qū)中用戶數(shù)為0，節(jié)能小區(qū)用戶數(shù)滿足通道關(guān)斷條件，進(jìn)行通道關(guān)斷。成功關(guān)斷通道后，向OMC上報監(jiān)控，在網(wǎng)管上呈現(xiàn)節(jié)能小區(qū)已經(jīng)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)。否則，根據(jù)策略配置，周期性重復(fù)進(jìn)行節(jié)能判決。

2.2 及時恢復(fù)雙通道傳輸

為了達(dá)到不影響業(yè)務(wù)的目的，基站進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)后，當(dāng)流量、用戶負(fù)荷變高，需要及時恢復(fù)雙通道傳輸。需要根據(jù)PRB利用率、PRB占用數(shù)、用戶數(shù)等變化情況進(jìn)行判斷，制定恢復(fù)策略，關(guān)鍵流程如圖3所示，若節(jié)能小區(qū)處于通道關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)節(jié)能小區(qū)中下行負(fù)荷高于配置門限或者處于RRC連接態(tài)的UE數(shù)目超過配置門限，需要打開關(guān)斷的通道，若在策略配置的時間t2內(nèi)，打開通道失敗，則再等時間重復(fù)打開；若成功打開通道以后，向OMC上報監(jiān)控，在網(wǎng)管上呈現(xiàn)節(jié)能小區(qū)已經(jīng)退出節(jié)能狀態(tài)。

圖2 通道關(guān)斷節(jié)能開啟流程示意圖

圖3 及時恢復(fù)雙通道流程

2.3 應(yīng)用場景

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分布場景，在農(nóng)村區(qū)域和夜間室分樓宇區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)處于業(yè)務(wù)量低的狀態(tài)或者小區(qū)中沒有用戶時，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，此時可以實施通道關(guān)斷，通過減少發(fā)射天線數(shù)來達(dá)到節(jié)能的目的。實現(xiàn)低流量場景、潮汐效應(yīng)場景下節(jié)約功耗。

實際工作中，根據(jù)維護(hù)規(guī)程，可進(jìn)一步根據(jù)基站分等分級維護(hù)實施基站節(jié)能技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率和網(wǎng)絡(luò)效益。

3 應(yīng)用分析

3.1 實測驗證

考慮環(huán)境用電對結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，排除空調(diào)、開關(guān)電源等配套設(shè)備的功耗影響，選取具備雙通道的室外滴灌站點6處，節(jié)能時段選定夜間0：00至6：00時自動執(zhí)行實施，流量負(fù)荷按照30%恢復(fù)，以本次實施通道關(guān)斷節(jié)能模式的銅山伊莊盧套站點(241738)為例，如圖4所示，該站點為2T2R配置，且該站點接入用戶較少，具備實施驗證的條件。

到達(dá)節(jié)能模板設(shè)置的節(jié)能時間后通過節(jié)能監(jiān)控來查看是否進(jìn)行節(jié)能模式，如圖5所示。

通過節(jié)能監(jiān)控中的信息可以查看節(jié)能站點的小區(qū)是否進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，在詳細(xì)信息中可以查看對應(yīng)的站號及小區(qū)號。

圖4 節(jié)能基站實施條件

圖5 節(jié)能小區(qū)進(jìn)入節(jié)能模式

如果在節(jié)能監(jiān)控中已經(jīng)確認(rèn)小區(qū)進(jìn)入節(jié)能模式，則通過診斷測試中進(jìn)行RRU功率檢測。(如圖6所示)

在啟動節(jié)能功能之前RRU功率情況如下：（如圖7所示）

在啟動節(jié)能功能之后RRU功率情況如下：ANT4端口被關(guān)閉。（如圖8所示）

3.2 節(jié)能效果

經(jīng)過一個月的運行觀察，實施智能通道關(guān)斷技術(shù)節(jié)能效果可達(dá)25%以上，隨著話務(wù)量的增加，節(jié)能效果最高可達(dá)30%。從圖9中的實際電表讀數(shù)可以更直觀地看出節(jié)電度數(shù)，實施節(jié)能技術(shù)，每天數(shù)據(jù)流量變化平穩(wěn)正常。

按照單滴灌站點年正常耗電25*365=9125度計算，單站點設(shè)備可節(jié)點2281度，折合電費約2000元/年。全網(wǎng)若對1000個基站實施應(yīng)用，年均即可節(jié)約成本200萬元。

圖6 發(fā)射功率檢測

圖7 節(jié)能前發(fā)射功率

圖8 節(jié)能后發(fā)射功率

實際上，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低，還可擴(kuò)大時間范圍，若仍按照業(yè)務(wù)負(fù)荷在30%以下，啟用智能通道關(guān)斷節(jié)能策略，單個RRU按15小時負(fù)荷低于30%計算，日平均節(jié)能0.8度，若1000個基站擴(kuò)大節(jié)能時間范圍，全年可再節(jié)約77萬元。

4 總結(jié)

智能MIMO關(guān)斷技術(shù)的應(yīng)用，易于實施，無需資金投入，無需增加額外的節(jié)能設(shè)備即可實施，且在性能上達(dá)到滿足覆蓋、速率、容量的要求，達(dá)到了降本增效的目的。節(jié)能功能的開啟對網(wǎng)絡(luò)KPI可能會有影響，例如進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，要將節(jié)能小區(qū)中的終端切換到基本覆蓋小區(qū)，可能會影響切換成功率，同時有可能影響一定的峰值速率感知。但總體上，達(dá)到了降低基站能耗，提高網(wǎng)絡(luò)運營效益的目的。

圖9 智能MIMO節(jié)能實施后實測數(shù)據(jù)

智能MIMO技術(shù)方案節(jié)能效果顯著，單個站點設(shè)備可節(jié)點2281度/年，折合電費約2000元/年。1000個基站實施應(yīng)用，年均可節(jié)約成本200萬元。本方案主要集中在智能通道關(guān)斷技術(shù)應(yīng)用，實際應(yīng)用中，還可根據(jù)基站流量實際情況，可采取智能OFDM符號關(guān)斷技術(shù)、載波關(guān)斷、基站關(guān)斷等方式進(jìn)行。本方案可適用于農(nóng)村低流量、夜間室分樓宇以及具有明顯潮汐效應(yīng)的場景。隨著800M等低頻段設(shè)備規(guī)模應(yīng)用，該方案將應(yīng)用更廣泛，有效的降低運營成本。