基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網絡技術

無線網絡技術作為信息技術重要的組成部分，孕育著新的重大突破機遇，正加速向多網共存和業(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、廣播網、移動互聯(lián)網、無線局域網和無線傳感網等各類無線網絡技術迅速發(fā)展，形成了多網共存的“通信戰(zhàn)國時代”。但這些網絡為了追求自身利益最大化，片面強調各自的全面覆蓋和獨立發(fā)展，導致網絡重復建設、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絡、業(yè)務類型和服務質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)多網協(xié)同覆蓋，提高多網下的整體能效比，優(yōu)化用戶跨網服務體驗，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絡的發(fā)展[1]。在網絡容量受限的條件下，需要將網絡資源與用戶需求進行合適的匹配，這推動了多網協(xié)同覆蓋技術的發(fā)展。

　　在20世紀90年代，國內外通信界重點針對單網絡下的覆蓋問題進行了長期的研究。近年來，國內外通信界開始針對多網情況下的協(xié)同覆蓋問題開展探索，甚至開展相關的標準化準備工作。3GPP[2]針對未來的異構無線網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等多個無線接入網的異構網絡進行全面統(tǒng)一的資源管理。這是一種基于緊耦合的異構網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(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的優(yōu)化個人服務的先進網絡接口設計II期”(DAIDALOSII)項目[3]，主要以用戶的服務需求為中心，研究在異構網絡下如何優(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)新的多媒體整合網絡”(MIRAI)[4]等。

　　國際學術界近年來也紛紛撰寫論文，闡述進行多網絡協(xié)同覆蓋的重要性并開展相關的建模和分析。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網絡單鏈路容量的上界，證明隨著用戶數不斷增加，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絡容量的物理極限理論[7]。

　　綜合以上國際學術界發(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，國際學術界和工業(yè)界都對網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。但它們缺乏對網絡本身基礎信息理論的研究，對未來無線網絡的發(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的無線網絡和同構的廣域與局域同覆蓋的無線網絡場景，研究基于協(xié)同覆蓋的綠色網絡技術。

　　1 協(xié)同覆蓋

　　協(xié)同通信是指根據用戶與用戶、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)可靠傳輸的技術。其原理如圖1所示。圖1中用戶數據X經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)域內的各種無線用戶進行服務。圖2顯示了異構網絡協(xié)同覆蓋的一種情形：蜂窩移動通信網絡的基站與Wi-Fi、無線局域網(WLAN)等具有熱點覆蓋能力的短距離無線網絡的基站之間，通過無線連接的方式進行信令交互，實現(xiàn)網絡間的互相協(xié)同。圖3顯示了同構的蜂窩網絡的廣域與局域網絡之間，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 異構網絡的協(xié)同覆蓋

　　為滿足不斷增長的用戶需求，各種無線網絡被大量建設。常見的無線網絡有蜂窩移動通信網、WLAN、Wi-Fi、無線傳感網等，這些網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存在的各種異構的無線網絡，使終端能夠自由接入異構的無線網絡以獲得服務，實現(xiàn)異構無線通信網絡的互聯(lián)互通，并在保證一定的服務質量(QoS)的同時，節(jié)省網絡總體的能量消耗，是當前的研究重點。異構無線網絡協(xié)同技術的研究熱點主要包括聯(lián)合無線資源管理、異構移動性管理、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網絡中無線資源的高效利用與協(xié)調使用，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無線網絡(如4G/B3G)中的關鍵技術。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時通過聯(lián)合無線資源管理，終端將切換到Wi-Fi網絡。這樣的網絡既補充了宏蜂窩在室內的覆蓋，另一方面也分流了宏蜂窩網絡的負載。

　　從移動運營商的角度，異構網協(xié)同的方案應該傾向于以現(xiàn)有的蜂窩網為主體，無線個域網、無線局域網、無線傳感器網等短距離無線接入網作為補充部分，通過蜂窩網對整個通信系統(tǒng)進行集中的控制和管理，以實現(xiàn)異構無線網絡的互聯(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，有效地提高網絡性能，同時簡化未來蜂窩移動網絡的網絡設計，而且不會影響移動運營商當前的市場地位。

　　1.2 同構廣域與局域網絡的協(xié)同覆蓋

　　無線蜂窩網中，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)是無線網絡蓬勃發(fā)展的結果。網絡早期的鋪設，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，而室內覆蓋的問題越來越突出。

　　當前實現(xiàn)室內覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時提供覆蓋區(qū)域內的室內覆蓋，在話務量集中的地方，設置室內微蜂窩，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、局域網絡協(xié)同覆蓋技術，具有重要的價值。

　　1.3 協(xié)同覆蓋綠色技術

　　基于以上介紹可以知道，當前中國通信行業(yè)多網共存的局面已經形成。而通信行業(yè)的能耗巨大，也已經引起各方面的重視[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以實現(xiàn)網絡的協(xié)同工作，而是從網絡高層進行考慮，研究如何在協(xié)同覆蓋的前提下，通過一定的策略調配不同網絡下的用戶，并關掉部分網絡的基站以節(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，如果某種網絡能效高的基站有多余的服務能力為其他網絡能效低的基站下的用戶服務，可以選擇關掉能效低的基站，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，在保證用戶服務質量的同時，關掉能效較低的基站。根據最終匹配的結果，計算區(qū)域S中網絡總能耗為：

　　公式中，區(qū)域S內無線網絡為Wn，其中n=1,2,…,N代表網絡標號；無線網絡Wn下每個基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳)；無線網絡Wn對用戶進行服務時，給用戶交互每比特耗能Mn (焦耳/比特)；無線網絡Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N；無線網絡Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N；無線網絡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 異構網絡協(xié)同覆蓋的仿真及結果分析

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

　　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A，以及其他短距離網絡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網絡下的所有基站性能指標完全相同，B網絡下也如此。A網絡中基站所能同時服務的用戶數依次為40，B網絡下基站同時服務的用戶數為10。

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

　　(4)A網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網絡的用戶數依次為3 000個，B網絡中為1 000個。用戶位置均服從正態(tài)分布。

　　2.2 仿真結果及分析

　　圖4所示為區(qū)域中網絡A、B的基站以及用戶的分布情況。方框代表網絡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)域內網絡總體能量消耗與是否進行協(xié)同之間的關系，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)同覆蓋技術具有明顯的綠色節(jié)能能力。圖6顯示了網絡整體服務能力與是否進行協(xié)同之間的關系。由圖中可以看出，進行網絡協(xié)同后，區(qū)域S 中的無線網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%。網絡資源得到了充分的利用。

　　3 結束語

　　本文研究了基于協(xié)同覆蓋的綠色網絡技術，提出了一種根據基站服務能力與用戶需求進行匹配的網絡協(xié)同策略。該策略以節(jié)能為目的，通過網絡間的協(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，從而關掉部分能效低的基站，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。從仿真結果可以看出，本文提出的基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網絡技術在系統(tǒng)能效比以及用戶接入成功率方面均有較明顯的增益。