基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網(wǎng)絡技術(shù)

無線網(wǎng)絡技術(shù)作為信息技術(shù)重要的組成部分，孕育著新的重大突破機遇，正加速向多網(wǎng)共存和業(yè)務融合方向發(fā)展。在傳統(tǒng)信息理論指導下，蜂窩移動通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)等各類無線網(wǎng)絡技術(shù)迅速發(fā)展，形成了多網(wǎng)共存的“通信戰(zhàn)國時代”。但這些網(wǎng)絡為了追求自身利益最大化，片面強調(diào)各自的全面覆蓋和獨立發(fā)展，導致網(wǎng)絡重復建設、資源浪費、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化，投入產(chǎn)出能效比持續(xù)下降。隨著多模智能通信終端的日益普及，用戶對于多種無線網(wǎng)絡、業(yè)務類型和服務質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動性，這表明以用戶需求為核心的“個性化服務時代”的到來。如何在“通信戰(zhàn)國時代”實現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同覆蓋，提高多網(wǎng)下的整體能效比，優(yōu)化用戶跨網(wǎng)服務體驗，是需要解決的迫在眉睫的問題。

　　用戶的需求和體驗是無線網(wǎng)絡迅速發(fā)展最重要的推動力。從20世紀90年代個人移動通信開始大規(guī)模應用開始，國際學術(shù)界和工業(yè)界都對用戶行為和業(yè)務體驗進行了大量的建模分析。早在2006年，中國移動、沃達豐等七大運營商就發(fā)起成立了下一代移動通信網(wǎng)絡(NGMN)組織，致力于從用戶需求和體驗的角度來引導無線通信網(wǎng)絡的發(fā)展[1]。在網(wǎng)絡容量受限的條件下，需要將網(wǎng)絡資源與用戶需求進行合適的匹配，這推動了多網(wǎng)協(xié)同覆蓋技術(shù)的發(fā)展。

　　在20世紀90年代，國內(nèi)外通信界重點針對單網(wǎng)絡下的覆蓋問題進行了長期的研究。近年來，國內(nèi)外通信界開始針對多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問題開展探索，甚至開展相關(guān)的標準化準備工作。3GPP[2]針對未來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡下的無線資源管理提出了通用無線資源管理(CRRM)模型，通過增加CRRM服務器對融合WCDMA、GSM/EDGE等多個無線接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡進行全面統(tǒng)一的資源管理。這是一種基于緊耦合的異構(gòu)網(wǎng)絡無線資源管理模式。CRRM的功能模塊可以分為兩個部分：聯(lián)合管理模塊和獨立執(zhí)行模塊。其中聯(lián)合管理模塊獨立于各種無線接入技術(shù)(RAT)，是CRRM的執(zhí)行重點，主要執(zhí)行聯(lián)合接納控制、聯(lián)合切換控制、聯(lián)合資源分配以及聯(lián)合時間調(diào)度。從項目支持上來看，歐盟投資2 100萬歐元開展了“針對發(fā)起和管理與位置無關(guān)的優(yōu)化個人服務的先進網(wǎng)絡接口設計II期”(DAIDALOSII)項目[3]，主要以用戶的服務需求為中心，研究在異構(gòu)網(wǎng)絡下如何優(yōu)化能量分配的問題。在日本的e-Japan計劃中，也同樣資助了多個類似的項目，如“基于無線接入創(chuàng)新的多媒體整合網(wǎng)絡”(MIRAI)[4]等。

　　國際學術(shù)界近年來也紛紛撰寫論文，闡述進行多網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋的重要性并開展相關(guān)的建模和分析。例如，麻省理工學院的D.Shah等人從信息論角度分析了網(wǎng)絡容量的可擴展性[5]。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的E.Telatar等人利用多輸入多輸出(MIMO)信道容量獲得了大型Ad Hoc網(wǎng)絡單鏈路容量的上界，證明隨著用戶數(shù)不斷增加，單鏈路容量上界趨于零[6]。加利福尼亞大學的Franceschetti等人首次提出了無線通信網(wǎng)絡容量的物理極限理論[7]。

　　綜合以上國際學術(shù)界發(fā)展動態(tài)和趨勢可以看出，國際上正在開展各種不同無線接入網(wǎng)絡的容量分析，以及針對用戶行為和業(yè)務分布進行建模研究。另外，國際學術(shù)界和工業(yè)界都對網(wǎng)絡能量與用戶服務的匹配問題進行了探索，通過建立一些跨層優(yōu)化的機制來使盡量多的用戶得到滿意的服務體驗。但它們?nèi)狈W(wǎng)絡本身基礎(chǔ)信息理論的研究，對未來無線網(wǎng)絡的發(fā)展方向沒有一個十分清晰的認識。因此，對新一代無線網(wǎng)絡自身發(fā)展原創(chuàng)性理論的全面系統(tǒng)研究是當前迫切需要解決的問題。

　　文章分別分析了異構(gòu)的無線網(wǎng)絡和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無線網(wǎng)絡場景，研究基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡技術(shù)。

　　1 協(xié)同覆蓋

　　協(xié)同通信是指根據(jù)用戶與用戶、用戶與站點之間的無線信道特性、用戶功率限制以及用戶服務需求等，借助鄰近站點或用戶進行中繼、協(xié)同與分集，實現(xiàn)可靠傳輸?shù)募夹g(shù)。其原理如圖1所示。圖1中用戶數(shù)據(jù)X經(jīng)中繼信道和直接信道發(fā)送到接收端，接收端收到合成信號Y。

　　略有別于協(xié)同通信，協(xié)同覆蓋是指在同一區(qū)域同時存在著的多個網(wǎng)絡之間，通過基站(或接入點。本文后續(xù)部分將不區(qū)分基站與接入點，統(tǒng)一稱為基站)之間的相互協(xié)同，共同對被覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種無線用戶進行服務。圖2顯示了異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋的一種情形：蜂窩移動通信網(wǎng)絡的基站與Wi-Fi、無線局域網(wǎng)(WLAN)等具有熱點覆蓋能力的短距離無線網(wǎng)絡的基站之間，通過無線連接的方式進行信令交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的互相協(xié)同。圖3顯示了同構(gòu)的蜂窩網(wǎng)絡的廣域與局域網(wǎng)絡之間，通過有線連接的方式進行信令交互，實現(xiàn)協(xié)同覆蓋。兩圖中的虛線均表示有線連接。

1.1 異構(gòu)網(wǎng)絡的協(xié)同覆蓋

　　為滿足不斷增長的用戶需求，各種無線網(wǎng)絡被大量建設。常見的無線網(wǎng)絡有蜂窩移動通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡在給用戶帶來便利的同時也帶來一些問題。如何充分利用這些已經(jīng)存在的各種異構(gòu)的無線網(wǎng)絡，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無線網(wǎng)絡以獲得服務，實現(xiàn)異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，并在保證一定的服務質(zhì)量(QoS)的同時，節(jié)省網(wǎng)絡總體的能量消耗，是當前的研究重點。異構(gòu)無線網(wǎng)絡協(xié)同技術(shù)的研究熱點主要包括聯(lián)合無線資源管理、異構(gòu)移動性管理、安全性保證、中繼節(jié)點功率分配等。

　　聯(lián)合無線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡中無線資源的高效利用與協(xié)調(diào)使用，是提高頻譜資源利用率和實現(xiàn)協(xié)同覆蓋的有效手段，目前已成為新一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(如4G/B3G)中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無線資源管理主要包括垂直切換、速率分配和聯(lián)合接納控制等功能。例如，一個多模終端同時支持寬帶碼分多址(WCDMA)和Wi-Fi，當從室外進入Wi-Fi信號覆蓋較好的室內(nèi)時通過聯(lián)合無線資源管理，終端將切換到Wi-Fi網(wǎng)絡。這樣的網(wǎng)絡既補充了宏蜂窩在室內(nèi)的覆蓋，另一方面也分流了宏蜂窩網(wǎng)絡的負載。

　　從移動運營商的角度，異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同的方案應該傾向于以現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)為主體，無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)等短距離無線接入網(wǎng)作為補充部分，通過蜂窩網(wǎng)對整個通信系統(tǒng)進行集中的控制和管理，以實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。這種方案能夠充分保護現(xiàn)有蜂窩無線通信系統(tǒng)的既有投資，有效地提高網(wǎng)絡性能，同時簡化未來蜂窩移動網(wǎng)絡的網(wǎng)絡設計，而且不會影響移動運營商當前的市場地位。

　　1.2 同構(gòu)廣域與局域網(wǎng)絡的協(xié)同覆蓋

　　無線蜂窩網(wǎng)中，廣域和局域覆蓋有著不同的功能，共同實現(xiàn)整個目標服務區(qū)域的無縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無線網(wǎng)絡蓬勃發(fā)展的結(jié)果。網(wǎng)絡早期的鋪設，重心在于解決室外覆蓋存在的問題。隨著多年來網(wǎng)絡規(guī)劃、優(yōu)化能力的提高，室外覆蓋中容易出現(xiàn)的問題都已基本解決，而室內(nèi)覆蓋的問題越來越突出。

　　當前實現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時提供覆蓋區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)覆蓋，在話務量集中的地方，設置室內(nèi)微蜂窩，同時解決覆蓋和容量問題。微蜂窩有很多特點，如覆蓋半徑小、發(fā)射功率較小、基站天線置于相對低的地方等，而且微蜂窩信號傳播主要沿著視線進行，衰減小，此外微蜂窩組網(wǎng)也比較簡單。正是由于微蜂窩有著這些特點，為了滿足用戶需求，運營商建設了大量的微蜂窩基站，帶來了大量的電量消耗，造成大量的溫室氣體CO2的排放。因此研究廣域、局域網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋技術(shù)，具有重要的價值。

　　1.3 協(xié)同覆蓋綠色技術(shù)

　　基于以上介紹可以知道，當前中國通信行業(yè)多網(wǎng)共存的局面已經(jīng)形成。而通信行業(yè)的能耗巨大，也已經(jīng)引起各方面的重視[8]，是當前亟待解決的一個問題。綠色通信是當前研究的一個熱點。當前無線通信網(wǎng)重復建設帶來的資源浪費、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化等問題，都需要綠色通信技術(shù)予以解決。

　　注意到當前各種基站的固定能耗較大(能耗基本占基站滿負荷運行時能耗的一半以上)，設計新的綠色節(jié)能技術(shù)以節(jié)省這部分能耗，對無線通信系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義?；诖?，本文并不研究低層的具體技術(shù)以實現(xiàn)網(wǎng)絡的協(xié)同工作，而是從網(wǎng)絡高層進行考慮，研究如何在協(xié)同覆蓋的前提下，通過一定的策略調(diào)配不同網(wǎng)絡下的用戶，并關(guān)掉部分網(wǎng)絡的基站以節(jié)省固定能耗，使同一區(qū)域共同存在的多種無線網(wǎng)絡的總體服務能力與該區(qū)域中用戶的總體服務需求相匹配，在滿足QoS要求的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡整體能耗的降低。核心思想是：在同一覆蓋區(qū)域，如果某種網(wǎng)絡能效高的基站有多余的服務能力為其他網(wǎng)絡能效低的基站下的用戶服務，可以選擇關(guān)掉能效低的基站，從而實現(xiàn)整體上的節(jié)能，并同時達到保障服務質(zhì)量的目的。

　　對區(qū)域中S中的所有基站進行搜索，將其服務能力與用戶需求進行匹配，在保證用戶服務質(zhì)量的同時，關(guān)掉能效較低的基站。根據(jù)最終匹配的結(jié)果，計算區(qū)域S中網(wǎng)絡總能耗為：

　　公式中，區(qū)域S內(nèi)無線網(wǎng)絡為Wn，其中n=1,2,…,N代表網(wǎng)絡標號；無線網(wǎng)絡Wn下每個基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳)；無線網(wǎng)絡Wn對用戶進行服務時，給用戶交互每比特耗能Mn (焦耳/比特)；無線網(wǎng)絡Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N；無線網(wǎng)絡Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N；無線網(wǎng)絡Wn的第j個用戶的需求為D(Unk)；同種基站的服務能力完全相同。

　　2 異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋的仿真及結(jié)果分析

　　為分析基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡技術(shù)對網(wǎng)絡能效比和對用戶的服務能力的提升程度，本節(jié)對兩異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋的情況進行仿真。由于同構(gòu)網(wǎng)絡與異構(gòu)網(wǎng)絡只是在基站之間交互信令時有區(qū)別，因此本節(jié)的仿真結(jié)果也同樣適用于同構(gòu)網(wǎng)絡。

　　2.1 仿真條件

　　在歸一化面積為1的正方形區(qū)域S中，存在蜂窩網(wǎng)A，以及其他短距離網(wǎng)絡B。為簡單起見，假定：

　　(1)A的基站100個，均勻分布于區(qū)域S中；B的基站100個存在于隨機選定的位置上。

　　(2)A網(wǎng)絡下的所有基站性能指標完全相同，B網(wǎng)絡下也如此。A網(wǎng)絡中基站所能同時服務的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡下基站同時服務的用戶數(shù)為10。

(3)A網(wǎng)絡中單個基站在無用戶接入時的固定能耗歸一化為2，B網(wǎng)絡的單個基站固定能耗歸一化為1。

　　(4)A網(wǎng)絡中單個基站對每個用戶進行服務時的邊際能耗(即每增加一個用戶后增加的能耗)歸一化為0.04，B中單個基站對每個用戶進行服務時的邊際能耗歸一化為0.02。

　　(5)區(qū)域S中，A網(wǎng)絡的用戶數(shù)依次為3 000個，B網(wǎng)絡中為1 000個。用戶位置均服從正態(tài)分布。

　　2.2 仿真結(jié)果及分析

　　圖4所示為區(qū)域中網(wǎng)絡A、B的基站以及用戶的分布情況。方框代表網(wǎng)絡A的基站，均勻分布在區(qū)域中；*號代表B中的基站，位置隨機分布在區(qū)域中；方點代表區(qū)域中的用戶位置。根據(jù)圖4的分布圖，對所有基站的服務能力與其所覆蓋區(qū)域的用戶需求進行匹配。

　　顯示了區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡總體能量消耗與是否進行協(xié)同之間的關(guān)系，其中的能量進行了歸一化。由圖5可以看出，有協(xié)同時的能量消耗，比無協(xié)同時的能量消耗降低了8%。說明該協(xié)同覆蓋技術(shù)具有明顯的綠色節(jié)能能力。圖6顯示了網(wǎng)絡整體服務能力與是否進行協(xié)同之間的關(guān)系。由圖中可以看出，進行網(wǎng)絡協(xié)同后，區(qū)域S 中的無線網(wǎng)絡的整體服務能力有很大提升。無線用戶接入率由原先的95%左右，提升到當前的100%。網(wǎng)絡資源得到了充分的利用。

　　3 結(jié)束語

　　本文研究了基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡技術(shù)，提出了一種根據(jù)基站服務能力與用戶需求進行匹配的網(wǎng)絡協(xié)同策略。該策略以節(jié)能為目的，通過網(wǎng)絡間的協(xié)同以及小區(qū)間的協(xié)同，在滿足用戶需求的前提下，讓能效性能高的基站在自身服務能力有剩余的情況下，為能效性能低的基站下的用戶提供服務，從而關(guān)掉部分能效低的基站，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網(wǎng)絡技術(shù)在系統(tǒng)能效比以及用戶接入成功率方面均有較明顯的增益。