英文摘要:This paper examines green network technologies using cooperative coverage. In both heterogeneous wireless networks and homogeneous wide area/local area networks, this technology can reduce the effect of low energy efficiency caused by coverage duplication. This is achieved by forming network cooperatives and residential district cooperatives. Simulation shows that the proposed green wireless technologies significantly improve energy efficiency and access success rate for users.

英文關(guān)鍵字:green communications; cooperative coverage; energy efficiency ratio; success rate of access

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(tǒng)信息理論指導(dǎo)下，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線傳感網(wǎng)等各類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，形成了多網(wǎng)共存的“通信戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”。但這些網(wǎng)絡(luò)為了追求自身利益最大化，片面強(qiáng)調(diào)各自的全面覆蓋和獨(dú)立發(fā)展，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)、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(duì)于多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)類型和服務(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(zhàn)國(guó)時(shí)代”實(shí)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(wù)體驗(yàn)，是需要解決的迫在眉睫的問(wèn)題。

用戶的需求和體驗(yàn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展最重要的推動(dòng)力。從20世紀(jì)90年代個(gè)人移動(dòng)通信開始大規(guī)模應(yīng)用開始，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)體驗(yàn)進(jìn)行了大量的建模分析。早在2006年，中國(guó)移動(dòng)、沃達(dá)豐等七大運(yùn)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，致力于從用戶需求和體驗(yàn)的角度來(lái)引導(dǎo)無(wú)線通信網(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(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外通信界重點(diǎn)針對(duì)單網(wǎng)絡(luò)下的覆蓋問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外通信界開始針對(duì)多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問(wèn)題開展探索，甚至開展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)備工作。3GPP[2]針對(duì)未來(lái)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的無(wú)線資源管理提出了通用無(wú)線資源管理(CRRM)模型，通過(guò)增加CRRM服務(wù)器對(duì)融合WCDMA、GSM/EDGE等多個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(luò)無(wú)線資源管理模式。CRRM的功能模塊可以分為兩個(gè)部分：聯(lián)合管理模塊和獨(dú)立執(zhí)行模塊。其中聯(lián)合管理模塊獨(dú)立于各種無(wú)線接入技術(shù)(RAT)，是CRRM的執(zhí)行重點(diǎn)，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(shí)間調(diào)度。從項(xiàng)目支持上來(lái)看，歐盟投資2 100萬(wàn)歐元開展了“針對(duì)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(shè)計(jì)II期”(DAIDALOSII)項(xiàng)目[3]，主要以用戶的服務(wù)需求為中心，研究在異構(gòu)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(jì)劃中，也同樣資助了多個(gè)類似的項(xiàng)目，如“基于無(wú)線接入創(chuàng)新的多媒體整合網(wǎng)絡(luò)”(MIRAI)[4]等。

國(guó)際學(xué)術(shù)界近年來(lái)也紛紛撰寫論文，闡述進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)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(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(kuò)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(xué)的Franceschetti等人首次提出了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)容量的物理極限理論[7]。

綜合以上國(guó)際學(xué)術(shù)界發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)可以看出，國(guó)際上正在開展各種不同無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的容量分析，以及針對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)分布進(jìn)行建模研究。另外，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量與用戶服務(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(jī)制來(lái)使盡量多的用戶得到滿意的服務(wù)體驗(yàn)。但它們?nèi)狈?duì)網(wǎng)絡(luò)本身基礎(chǔ)信息理論的研究，對(duì)未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向沒(méi)有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展原創(chuàng)性理論的全面系統(tǒng)研究是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

文章分別分析了異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無(wú)線網(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(jù)用戶與用戶、用戶與站點(diǎn)之間的無(wú)線信道特性、用戶功率限制以及用戶服務(wù)需求等，借助鄰近站點(diǎn)或用戶進(jìn)行中繼、協(xié)同與分集，實(shí)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(hào)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(shí)存在著的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，通過(guò)基站(或接入點(diǎn)。本文后續(xù)部分將不區(qū)分基站與接入點(diǎn)，統(tǒng)一稱為基站)之間的相互協(xié)同，共同對(duì)被覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種無(wú)線用戶進(jìn)行服務(wù)。圖2顯示了異構(gòu)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)線局域網(wǎng)(WLAN)等具有熱點(diǎn)覆蓋能力的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基站之間，通過(guò)無(wú)線連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互相協(xié)同。圖3顯示了同構(gòu)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣域與局域網(wǎng)絡(luò)之間，通過(guò)有線連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)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(luò)的協(xié)同覆蓋

為滿足不斷增長(zhǎng)的用戶需求，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被大量建設(shè)。常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無(wú)線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)在給用戶帶來(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(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以獲得服務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線通信網(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(jié)省網(wǎng)絡(luò)總體的能量消耗，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要包括聯(lián)合無(wú)線資源管理、異構(gòu)移動(dòng)性管理、安全性保證、中繼節(jié)點(diǎn)功率分配等。
聯(lián)合無(wú)線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)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(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋的有效手段，目前已成為新一代異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如4G/B3G)中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無(wú)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(gè)多模終端同時(shí)支持寬帶碼分多址(WCDMA)和Wi-Fi，當(dāng)從室外進(jìn)入Wi-Fi信號(hào)覆蓋較好的室內(nèi)時(shí)通過(guò)聯(lián)合無(wú)線資源管理，終端將切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)既補(bǔ)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(luò)的負(fù)載。

從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的角度，異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同的方案應(yīng)該傾向于以現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)為主體，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)等短距離無(wú)線接入網(wǎng)作為補(bǔ)充部分，通過(guò)蜂窩網(wǎng)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行集中的控制和管理，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。這種方案能夠充分保護(hù)現(xiàn)有蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)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(shè)計(jì)，而且不會(huì)影響移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前的市場(chǎng)地位。

1.2 同構(gòu)廣域與局域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

無(wú)線蜂窩網(wǎng)中，廣域和局域覆蓋有著不同的功能，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)目標(biāo)服務(wù)區(qū)域的無(wú)縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)早期的鋪設(shè)，重心在于解決室外覆蓋存在的問(wèn)題。隨著多年來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化能力的提高，室外覆蓋中容易出現(xiàn)的問(wèn)題都已基本解決，而室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題越來(lái)越突出。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時(shí)提供覆蓋區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)覆蓋，在話務(wù)量集中的地方，設(shè)置室內(nèi)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、基站天線置于相對(duì)低的地方等，而且微蜂窩信號(hào)傳播主要沿著視線進(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這些特點(diǎn)，為了滿足用戶需求，運(yùn)營(yíng)商建設(shè)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(dāng)前中國(guó)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(dāng)前亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。綠色通信是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)重復(fù)建設(shè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)、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(dāng)前各種基站的固定能耗較大(能耗基本占基站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗的一半以上)，設(shè)計(jì)新的綠色節(jié)能技術(shù)以節(jié)省這部分能耗，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義?；诖耍疚牟⒉谎芯康蛯拥木唧w技術(shù)以實(shí)現(xiàn)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(diào)配不同網(wǎng)絡(luò)下的用戶，并關(guān)掉部分網(wǎng)絡(luò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體服務(wù)能力與該區(qū)域中用戶的總體服務(wù)需求相匹配，在滿足QoS要求的前提下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(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服務(wù)，可以選擇關(guān)掉能效低的基站，從而實(shí)現(xiàn)整體上的節(jié)能，并同時(shí)達(dá)到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。

對(duì)區(qū)域中S中的所有基站進(jìn)行搜索，將其服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，關(guān)掉能效較低的基站。根據(jù)最終匹配的結(jié)果，計(jì)算區(qū)域S中網(wǎng)絡(luò)總能耗為：

公式中，區(qū)域S內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為Wn，其中n=1,2,…,N代表網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下每個(gè)基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn對(duì)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)，給用戶交互每比特耗能Mn (焦耳/比特)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn的第j個(gè)用戶的需求為D(Unk)；同種基站的服務(wù)能力完全相同。

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效比和對(duì)用戶的服務(wù)能力的提升程度，本節(jié)對(duì)兩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的情況進(jìn)行仿真。由于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)只是在基站之間交互信令時(shí)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(luò)。

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(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(qū)域S中；B的基站100個(gè)存在于隨機(jī)選定的位置上。

(2)A網(wǎng)絡(luò)下的所有基站性能指標(biāo)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)的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡(luò)下基站同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)為10。

(3)A網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站在無(wú)用戶接入時(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(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗(即每增加一個(gè)用戶后增加的能耗)歸一化為0.04，B中單個(gè)基站對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗歸一化為0.02。

(5)區(qū)域S中，A網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)依次為3 000個(gè)，B網(wǎng)絡(luò)中為1 000個(gè)。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(luò)A、B的基站以及用戶的分布情況。方框代表網(wǎng)絡(luò)A的基站，均勻分布在區(qū)域中；*號(hào)代表B中的基站，位置隨機(jī)分布在區(qū)域中；方點(diǎn)代表區(qū)域中的用戶位置。根據(jù)圖4的分布圖，對(duì)所有基站的服務(wù)能力與其所覆蓋區(qū)域的用戶需求進(jìn)行匹配。兩網(wǎng)協(xié)同后的仿真結(jié)果簡(jiǎn)單示意如圖5、圖6所示。

圖5顯示了區(qū)域內(nèi)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(jié)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(qū)域S中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)能力有很大提升。無(wú)線用戶接入率由原先的95%左右，提升到當(dāng)前的100%。網(wǎng)絡(luò)資源得到了充分的利用。

3 結(jié)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(jù)基站服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同策略。該策略以節(jié)能為目的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(wù)，從而關(guān)掉部分能效低的基站，以實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)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。

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張武雄，上海交通大學(xué)本科畢業(yè)，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在讀博士；研究方向?yàn)檐囕d網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究；已經(jīng)發(fā)表論文3篇，其中SCI/EI檢索2篇。

胡宏林，中國(guó)科技大學(xué)工學(xué)博士，德國(guó)慕尼黑西門子公司博士后；2009年為中科院上海微系統(tǒng)所研究員、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任上海無(wú)線通信研究中心研發(fā)一部部長(zhǎng)，美國(guó)John Wiley旗下WCMC、IJCS等期刊編委；主要從事國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作以及移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究；已發(fā)表SCI論文近30篇、專著 5本。

楊暘，香港中文大學(xué)信息工程專業(yè)在讀博士；曾任香港中文大學(xué)助理教授、英國(guó)布魯奈爾大學(xué)講師、英國(guó)倫敦大學(xué)高級(jí)講師，現(xiàn)為中科院上海微系統(tǒng)所研究員、上海無(wú)線通信研究中心主任助理和副總工程師；已發(fā)表SCI/EI論文80篇。