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

基金項目：國家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)

無線網(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(luò)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(luò)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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、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(luò)、業(yè)務(wù)類型和服務(wù)質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動性，這表明以用戶需求為核心的“個性化服務(wù)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(wù)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(luò)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(yīng)用開始，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對用戶行為和業(yè)務(wù)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(luò)(NGMN)組織，致力于從用戶需求和體驗的角度來引導(dǎo)無線通信網(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(luò)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(luò)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(wù)器對融合WCDMA、GSM/EDGE等多個無線接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(wù)的先進網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計II期”(DAIDALOSII)項目[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(luò)”(MIRAI)[4]等。

國際學(xué)術(shù)界近年來也紛紛撰寫論文，闡述進行多網(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等人首次提出了無線通信網(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(luò)的容量分析，以及針對用戶行為和業(yè)務(wù)分布進行建模研究。另外，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對網(wǎng)絡(luò)能量與用戶服務(wù)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(wù)體驗。但它們?nèi)狈W(wǎng)絡(luò)本身基礎(chǔ)信息理論的研究，對未來無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)場景，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、用戶與站點之間的無線信道特性、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(luò)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(wù)。圖2顯示了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的一種情形：蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(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(luò)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(luò)被大量建設(shè)。常見的無線網(wǎng)絡(luò)有蜂窩移動通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)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(luò)，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)以獲得服務(wù)，實現(xiàn)異構(gòu)無線通信網(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，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)總體的能量消耗，是當前的研究重點。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)(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(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)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(luò)的負載。

從移動運營商的角度，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(luò)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(luò)性能，同時簡化未來蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)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(wù)區(qū)域的無縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無線網(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題。隨著多年來網(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(wù)量集中的地方，設(shè)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(shè)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(luò)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(fù)建設(shè)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(shè)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?；诖耍疚牟⒉谎芯康蛯拥木唧w技術(shù)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，而是從網(wǎng)絡(luò)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(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，從而實現(xiàn)整體上的節(jié)能，并同時達到保障服務(wù)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(wù)能力與用戶需求進行匹配，在保證用戶服務(wù)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(luò)總能耗為：

公式中，區(qū)域S內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)為Wn，其中n=1,2,…,N代表網(wǎng)絡(luò)標號；無線網(wǎng)絡(luò)Wn下每個基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳)；無線網(wǎng)絡(luò)Wn對用戶進行服務(wù)時，給用戶交互每比特耗能Mn (焦耳/比特)；無線網(wǎng)絡(luò)Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N；無線網(wǎng)絡(luò)Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N；無線網(wǎng)絡(luò)Wn的第j個用戶的需求為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)對網(wǎng)絡(luò)能效比和對用戶的服務(wù)能力的提升程度，本節(jié)對兩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的情況進行仿真。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(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)中基站所能同時服務(wù)的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡(luò)下基站同時服務(wù)的用戶數(shù)為10。

(3)A網(wǎng)絡(luò)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(luò)的單個基站固定能耗歸一化為1。

(4)A網(wǎng)絡(luò)中單個基站對每個用戶進行服務(wù)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(wù)時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，B網(wǎng)絡(luò)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(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(wù)能力與其所覆蓋區(qū)域的用戶需求進行匹配。兩網(wǎng)協(xié)同后的仿真結(jié)果簡單示意如圖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(luò)整體服務(wù)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(luò)協(xié)同后，區(qū)域S中的無線網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)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(luò)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(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(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；研究方向為車載網(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，中國科技大學(xué)工學(xué)博士，德國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)任上海無線通信研究中心研發(fā)一部部長，美國John Wiley旗下WCMC、IJCS等期刊編委；主要從事國際標準化相關(guān)工作以及移動通信關(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、英國布魯奈爾大學(xué)講師、英國倫敦大學(xué)高級講師，現(xiàn)為中科院上海微系統(tǒng)所研究員、上海無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。