基于協(xié)同覆蓋的綠色無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)作為信息技術(shù)重要的組成部分，孕育著(zhù)新的重大突破機遇，正加速向多網(wǎng)共存和業(yè)務(wù)融合方向發(fā)展。在傳統信息理論指導下，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)等各類(lèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)迅速發(fā)展，形成了多網(wǎng)共存的“通信戰國時(shí)代”。但這些網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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)出能效比持續下降。隨著(zhù)多模智能通信終端的日益普及，用戶(hù)對于多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、業(yè)務(wù)類(lèi)型和服務(wù)質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動(dòng)性，這表明以用戶(hù)需求為核心的“個(gè)性化服務(wù)時(shí)代”的到來(lái)。如何在“通信戰國時(shí)代”實(shí)現多網(wǎng)協(xié)同覆蓋，提高多網(wǎng)下的整體能效比，優(yōu)化用戶(hù)跨網(wǎng)服務(wù)體驗，是需要解決的迫在眉睫的問(wèn)題。

　　用戶(hù)的需求和體驗是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )迅速發(fā)展最重要的推動(dòng)力。從20世紀90年代個(gè)人移動(dòng)通信開(kāi)始大規模應用開(kāi)始，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)體驗進(jìn)行了大量的建模分析。早在2006年，中國移動(dòng)、沃達豐等七大運營(yíng)商就發(fā)起成立了下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )(NGMN)組織，致力于從用戶(hù)需求和體驗的角度來(lái)引導無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展[1]。在網(wǎng)絡(luò )容量受限的條件下，需要將網(wǎng)絡(luò )資源與用戶(hù)需求進(jìn)行合適的匹配，這推動(dòng)了多網(wǎng)協(xié)同覆蓋技術(shù)的發(fā)展。

　　在20世紀90年代，國內外通信界重點(diǎn)針對單網(wǎng)絡(luò )下的覆蓋問(wèn)題進(jìn)行了長(cháng)期的研究。近年來(lái)，國內外通信界開(kāi)始針對多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問(wèn)題開(kāi)展探索，甚至開(kāi)展相關(guān)的標準化準備工作。3GPP[2]針對未來(lái)的異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )下的無(wú)線(xiàn)資源管理提出了通用無(wú)線(xiàn)資源管理(CRRM)模型，通過(guò)增加CRRM服務(wù)器對融合WCDMA、GSM/EDGE等多個(gè)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的異構網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全面統一的資源管理。這是一種基于緊耦合的異構網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)資源管理模式。CRRM的功能模塊可以分為兩個(gè)部分：聯(lián)合管理模塊和獨立執行模塊。其中聯(lián)合管理模塊獨立于各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)(RAT)，是CRRM的執行重點(diǎn)，主要執行聯(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(shí)間調度。從項目支持上來(lái)看，歐盟投資2 100萬(wàn)歐元開(kāi)展了“針對發(fā)起和管理與位置無(wú)關(guān)的優(yōu)化個(gè)人服務(wù)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò )接口設計II期”(DAIDALOSII)項目[3]，主要以用戶(hù)的服務(wù)需求為中心，研究在異構網(wǎng)絡(luò )下如何優(yōu)化能量分配的問(wèn)題。在日本的e-Japan計劃中，也同樣資助了多個(gè)類(lèi)似的項目，如“基于無(wú)線(xiàn)接入創(chuàng )新的多媒體整合網(wǎng)絡(luò )”(MIRAI)[4]等。

　　國際學(xué)術(shù)界近年來(lái)也紛紛撰寫(xiě)論文，闡述進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò )協(xié)同覆蓋的重要性并開(kāi)展相關(guān)的建模和分析。例如，麻省理工學(xué)院的D.Shah等人從信息論角度分析了網(wǎng)絡(luò )容量的可擴展性[5]。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(luò )單鏈路容量的上界，證明隨著(zhù)用戶(hù)數不斷增加，單鏈路容量上界趨于零[6]。加利福尼亞大學(xué)的Franceschetti等人首次提出了無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )容量的物理極限理論[7]。

　　綜合以上國際學(xué)術(shù)界發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢可以看出，國際上正在開(kāi)展各種不同無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的容量分析，以及針對用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)分布進(jìn)行建模研究。另外，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對網(wǎng)絡(luò )能量與用戶(hù)服務(wù)的匹配問(wèn)題進(jìn)行了探索，通過(guò)建立一些跨層優(yōu)化的機制來(lái)使盡量多的用戶(hù)得到滿(mǎn)意的服務(wù)體驗。但它們缺乏對網(wǎng)絡(luò )本身基礎信息理論的研究，對未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展方向沒(méi)有一個(gè)十分清晰的認識。因此，對新一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自身發(fā)展原創(chuàng )性理論的全面系統研究是當前迫切需要解決的問(wèn)題。

　　文章分別分析了異構的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和同構的廣域與局域同覆蓋的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景，研究基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

　　1 協(xié)同覆蓋

　　協(xié)同通信是指根據用戶(hù)與用戶(hù)、用戶(hù)與站點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)信道特性、用戶(hù)功率限制以及用戶(hù)服務(wù)需求等，借助鄰近站點(diǎn)或用戶(hù)進(jìn)行中繼、協(xié)同與分集，實(shí)現可靠傳輸的技術(shù)。其原理如圖1所示。圖1中用戶(hù)數據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域同時(shí)存在著(zhù)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間，通過(guò)基站(或接入點(diǎn)。本文后續部分將不區分基站與接入點(diǎn)，統一稱(chēng)為基站)之間的相互協(xié)同，共同對被覆蓋區域內的各種無(wú)線(xiàn)用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)。圖2顯示了異構網(wǎng)絡(luò )協(xié)同覆蓋的一種情形：蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的基站與Wi-Fi、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)等具有熱點(diǎn)覆蓋能力的短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基站之間，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )間的互相協(xié)同。圖3顯示了同構的蜂窩網(wǎng)絡(luò )的廣域與局域網(wǎng)絡(luò )之間，通過(guò)有線(xiàn)連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現協(xié)同覆蓋。兩圖中的虛線(xiàn)均表示有線(xiàn)連接。

1.1 異構網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同覆蓋

　　為滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的用戶(hù)需求，各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )被大量建設。常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò )在給用戶(hù)帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題。如何充分利用這些已經(jīng)存在的各種異構的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，使終端能夠自由接入異構的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以獲得服務(wù)，實(shí)現異構無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)互通，并在保證一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的同時(shí)，節省網(wǎng)絡(luò )總體的能量消耗，是當前的研究重點(diǎn)。異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)同技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要包括聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理、異構移動(dòng)性管理、安全性保證、中繼節點(diǎn)功率分配等。

　　聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理能保證異構網(wǎng)絡(luò )中無(wú)線(xiàn)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(shí)現協(xié)同覆蓋的有效手段，目前已成為新一代異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(如4G/B3G)中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無(wú)線(xiàn)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(gè)多模終端同時(shí)支持寬帶碼分多址(WCDMA)和Wi-Fi，當從室外進(jìn)入Wi-Fi信號覆蓋較好的室內時(shí)通過(guò)聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理，終端將切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )。這樣的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )的負載。

　　從移動(dòng)運營(yíng)商的角度，異構網(wǎng)協(xié)同的方案應該傾向于以現有的蜂窩網(wǎng)為主體，無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)等短距離無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)作為補充部分，通過(guò)蜂窩網(wǎng)對整個(gè)通信系統進(jìn)行集中的控制和管理，以實(shí)現異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)互通。這種方案能夠充分保護現有蜂窩無(wú)線(xiàn)通信系統的既有投資，有效地提高網(wǎng)絡(luò )性能，同時(shí)簡(jiǎn)化未來(lái)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )設計，而且不會(huì )影響移動(dòng)運營(yíng)商當前的市場(chǎng)地位。

　　1.2 同構廣域與局域網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同覆蓋

　　無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)中，廣域和局域覆蓋有著(zhù)不同的功能，共同實(shí)現整個(gè)目標服務(wù)區域的無(wú)縫覆蓋。局域覆蓋的出現是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )蓬勃發(fā)展的結果。網(wǎng)絡(luò )早期的鋪設，重心在于解決室外覆蓋存在的問(wèn)題。隨著(zhù)多年來(lái)網(wǎng)絡(luò )規劃、優(yōu)化能力的提高，室外覆蓋中容易出現的問(wèn)題都已基本解決，而室內覆蓋的問(wèn)題越來(lái)越突出。

　　當前實(shí)現室內覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時(shí)提供覆蓋區域內的室內覆蓋，在話(huà)務(wù)量集中的地方，設置室內微蜂窩，同時(shí)解決覆蓋和容量問(wèn)題。微蜂窩有很多特點(diǎn)，如覆蓋半徑小、發(fā)射功率較小、基站天線(xiàn)置于相對低的地方等，而且微蜂窩信號傳播主要沿著(zhù)視線(xiàn)進(jìn)行，衰減小，此外微蜂窩組網(wǎng)也比較簡(jiǎn)單。正是由于微蜂窩有著(zhù)這些特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足用戶(hù)需求，運營(yíng)商建設了大量的微蜂窩基站，帶來(lái)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(luò )協(xié)同覆蓋技術(shù)，具有重要的價(jià)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(gè)問(wèn)題。綠色通信是當前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。當前無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)重復建設帶來(lái)的資源浪費、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化等問(wèn)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(mǎn)負荷運行時(shí)能耗的一半以上)，設計新的綠色節能技術(shù)以節省這部分能耗，對無(wú)線(xiàn)通信系統的節能有著(zhù)重要意義?；诖?，本文并不研究低層的具體技術(shù)以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同工作，而是從網(wǎng)絡(luò )高層進(jìn)行考慮，研究如何在協(xié)同覆蓋的前提下，通過(guò)一定的策略調配不同網(wǎng)絡(luò )下的用戶(hù)，并關(guān)掉部分網(wǎng)絡(luò )的基站以節省固定能耗，使同一區域共同存在的多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的總體服務(wù)能力與該區域中用戶(hù)的總體服務(wù)需求相匹配，在滿(mǎn)足QoS要求的前提下，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )整體能耗的降低。核心思想是：在同一覆蓋區域，如果某種網(wǎng)絡(luò )能效高的基站有多余的服務(wù)能力為其他網(wǎng)絡(luò )能效低的基站下的用戶(hù)服務(wù)，可以選擇關(guān)掉能效低的基站，從而實(shí)現整體上的節能，并同時(shí)達到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。

　　對區域中S中的所有基站進(jìn)行搜索，將其服務(wù)能力與用戶(hù)需求進(jìn)行匹配，在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，關(guān)掉能效較低的基站。根據最終匹配的結果，計算區域S中網(wǎng)絡(luò )總能耗為：

　　公式中，區域S內無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為Wn，其中n=1,2,…,N代表網(wǎng)絡(luò )標號；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )Wn下每個(gè)基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )Wn對用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)時(shí)，給用戶(hù)交互每比特耗能Mn (焦耳/比特)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )Wn下的用戶(hù)集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )Wn的第j個(gè)用戶(hù)的需求為D(Unk)；同種基站的服務(wù)能力完全相同。

　　2 異構網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )技術(shù)對網(wǎng)絡(luò )能效比和對用戶(hù)的服務(wù)能力的提升程度，本節對兩異構網(wǎng)絡(luò )協(xié)同覆蓋的情況進(jìn)行仿真。由于同構網(wǎng)絡(luò )與異構網(wǎng)絡(luò )只是在基站之間交互信令時(shí)有區別，因此本節的仿真結果也同樣適用于同構網(wǎng)絡(luò )。

　　2.1 仿真條件

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

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

　　(2)A網(wǎng)絡(luò )下的所有基站性能指標完全相同，B網(wǎng)絡(luò )下也如此。A網(wǎng)絡(luò )中基站所能同時(shí)服務(wù)的用戶(hù)數依次為40，B網(wǎng)絡(luò )下基站同時(shí)服務(wù)的用戶(hù)數為10。

(3)A網(wǎng)絡(luò )中單個(gè)基站在無(wú)用戶(hù)接入時(shí)的固定能耗歸一化為2，B網(wǎng)絡(luò )的單個(gè)基站固定能耗歸一化為1。

　　(4)A網(wǎng)絡(luò )中單個(gè)基站對每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗(即每增加一個(gè)用戶(hù)后增加的能耗)歸一化為0.04，B中單個(gè)基站對每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗歸一化為0.02。

　　(5)區域S中，A網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)數依次為3 000個(gè)，B網(wǎng)絡(luò )中為1 000個(gè)。用戶(hù)位置均服從正態(tài)分布。

　　2.2 仿真結果及分析

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

　　顯示了區域內網(wǎng)絡(luò )總體能量消耗與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系，其中的能量進(jìn)行了歸一化。由圖5可以看出，有協(xié)同時(shí)的能量消耗，比無(wú)協(xié)同時(shí)的能量消耗降低了8%。說(shuō)明該協(xié)同覆蓋技術(shù)具有明顯的綠色節能能力。圖6顯示了網(wǎng)絡(luò )整體服務(wù)能力與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系。由圖中可以看出，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )協(xié)同后，區域S 中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的整體服務(wù)能力有很大提升。無(wú)線(xiàn)用戶(hù)接入率由原先的95%左右，提升到當前的100%。網(wǎng)絡(luò )資源得到了充分的利用。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文研究了基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，提出了一種根據基站服務(wù)能力與用戶(hù)需求進(jìn)行匹配的網(wǎng)絡(luò )協(xié)同策略。該策略以節能為目的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )間的協(xié)同以及小區間的協(xié)同，在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的前提下，讓能效性能高的基站在自身服務(wù)能力有剩余的情況下，為能效性能低的基站下的用戶(hù)提供服務(wù)，從而關(guān)掉部分能效低的基站，以實(shí)現節能的目的。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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在系統能效比以及用戶(hù)接入成功率方面均有較明顯的增益。