基于高能效無線接入網(wǎng)的綠色無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究*

肖 瀟，陶曉明，陸建華

（清華大學電子工程系 北京 100084）

1 引言

無線移動通信系統(tǒng)的演進與飛速發(fā)展，使其為移動用戶提供泛在無線接入以及高速寬帶無線傳輸成為可能，滿足了用戶對移動多媒體業(yè)務(wù)的需求。然而，隨著用戶數(shù)量激增及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴張，無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗急劇增加，其巨大能耗及溫室氣體排放造成的環(huán)境污染，引起運營商和全社會的廣泛關(guān)注。研究表明，信息與通信產(chǎn)業(yè)每年能量開銷約占全球總能耗的3%，隨之產(chǎn)生的CO2等溫室氣體則占全球溫室氣體年排放量的2%，并且其能耗以15%～20%的年增長率快速增長[1]。另據(jù)估計，全球蜂窩移動通信系統(tǒng)每年消耗電能達600億度，其每年排放的CO2更相當于800萬輛轎車的CO2年排放量[2]。我國移動運營商年耗電量可達200億度以上，按照1 kg標準煤發(fā)3度電來計算，相當于675萬噸標準煤消耗[3]。

面對無線通信能耗問題的嚴峻挑戰(zhàn)，優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗、提高其能源使用效率成為無線通信發(fā)展的必然趨勢，綠色無線通信概念也因此應(yīng)運而生。綠色無線通信將“綠色”概念融入無線通信，在無線通信網(wǎng)絡(luò)演進及其服務(wù)能力提高的同時，注重資源使用效率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)運營所需能耗，降低網(wǎng)絡(luò)運營成本。目前，綠色無線通信已成為學術(shù)界研究熱點，ICC、GLOBECOM等通信頂級會議，均設(shè)有綠色通信的討論專題及工作組。同時，業(yè)界對綠色通信的研究也已在全球范圍內(nèi)展開。2010年初，歐盟啟動了EARTH項目，旨在提高蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)能量效率，并計劃將寬帶移動通信系統(tǒng)的能耗減少50%；全球無線通信領(lǐng)先者Vodafone公司也承諾將其2020年CO2排放量在2006-2007年的基礎(chǔ)上減少一半。此外，由業(yè)界領(lǐng)先者、研究機構(gòu)和非政府組織發(fā)起的GreenTouch聯(lián)盟于2010年成立，旨在為綠色通信提供網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、標準及規(guī)范，并力爭在現(xiàn)有水平線上將通信網(wǎng)絡(luò)每比特能耗降低1 000倍。我國對無線通信綠色化問題也非常重視，主要移動運營商已制定節(jié)能減排目標，稱2012年底單位業(yè)務(wù)耗電量將在2008年基礎(chǔ)上降低20%。

綜上所述，為有效解決無線通信網(wǎng)絡(luò)的高能耗以及環(huán)境污染問題，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)能耗、發(fā)展綠色無線通信勢在必行。本文通過分析指出無線接入網(wǎng)是無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的重點，并進一步從器件級、鏈路級和網(wǎng)絡(luò)級3個層面，系統(tǒng)地探討了基于高能效無線接入網(wǎng)的綠色無線通信原理、方法以及學術(shù)界和業(yè)界廣泛關(guān)注的高能效無線通信技術(shù)，旨在為綠色無線通信的研究提供重要參考，明確其主要研究方向。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗組成及其優(yōu)化重點

為有效優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗，首先應(yīng)從全局出發(fā)，分析無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗組成，確定網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化重點。通過對其諸多客戶的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行能耗重點分析，參考文獻[4]指出對于大量移動網(wǎng)絡(luò)運營商，由無線站點構(gòu)成的接入網(wǎng)功耗可達全網(wǎng)總功耗的75%以上；參考文獻[5]則基于對蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的分析，指出蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站能耗可達全網(wǎng)能耗的80%。上述數(shù)據(jù)清楚地表明，無線接入網(wǎng)能耗在整個無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗中占有決定性比重，降低無線接入站點功耗、進行無線接入網(wǎng)能量優(yōu)化，是實現(xiàn)綠色無線通信的重中之重。

無線接入網(wǎng)主要由各類無線接入節(jié)點組成，其中基站（或Node B）是其主要的能耗來源，基站系統(tǒng)的功耗幾乎構(gòu)成了無線接入網(wǎng)的全部能量開銷[4]。因此，分析基站功耗結(jié)構(gòu)，找出影響其能量效率的關(guān)鍵因素至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)能量效率的分析，多集中于基站的輸出功率（電磁波傳輸功率），但輸出功率在基站的總功率輸入中僅占很小比重，這導(dǎo)致了上述分析相當片面，甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)[6]。因此，需要全面分析基站工作時所需的總能量開銷，以對其進行有效優(yōu)化。

一種廣泛認可的基站功率建模方法，是將基站總功率表示為傳輸功率的線性函數(shù)[6～8]，其中較為全面地涵蓋了基站工作時的兩類主要功率：由傳輸功率決定的傳輸相關(guān)功率（radiation-dependent power）以及獨立于傳輸功率的偏置功率（offset power）。下面結(jié)合圖1所示典型基站的主要耗能器件結(jié)構(gòu)框圖以及圖2中基站能耗組成示意，分析基站的主要耗能器件/設(shè)備及影響基站能耗的主要因素。

傳輸相關(guān)功率是基站為滿足一定傳輸功率所需的功率輸入，主要涉及基站信號收發(fā)機的射頻前端。它不僅包括射頻傳輸功率本身，還涵蓋了由功放、天線等部件工作時所需功率以及饋線電纜等器件的功率損失，通常在基站總功耗中占相當大的比重，可達50%～80%（見圖2）。信號放大處理在基站總功耗中占有很大比重，而基站功放效率通常很不理想，嚴重影響了基站能量效率。因而基站功放效率的提高是優(yōu)化基站能量效率的關(guān)鍵之一。另外，經(jīng)過功放的輸出信號將通過饋線電纜傳輸至天線，并最終按照一定天線參數(shù)將射頻信號發(fā)送到無線環(huán)境中，在此過程中，饋線損耗和天線效率也是影響發(fā)射信號強度的重要因素。

偏置功率的特征在于無論是否進行數(shù)據(jù)傳輸，只要開啟基站以及相應(yīng)器件/設(shè)備，就必須付出相應(yīng)的功耗代價，它主要取決于系統(tǒng)參數(shù)、器件規(guī)格等因素，主要來自信號處理功耗、供電設(shè)備、制冷設(shè)備等因素。其中，信號處理功耗主要包括基帶信號處理和中頻/射頻信號處理電路功耗，主要取決于符號率、載波頻率、天線配置等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[7,10]。

基于上述分析，無線通信網(wǎng)能量優(yōu)化可著重于以下3方面。

·優(yōu)化功放、天線等主要耗能器件的效率。

·優(yōu)化滿足一定傳輸性能所需的傳輸功率。

·優(yōu)化基站偏置功率。

本文從上述3點出發(fā)，分別從器件級、鏈路級和網(wǎng)絡(luò)級3個層面，探究基于高能效接入網(wǎng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化方法。

3 器件級能量優(yōu)化

為了有效優(yōu)化基站功耗，一種有效的方法是從器件級層面，提高基站主要耗能器件的能量效率，降低其工作所需的功耗。此外，基站對其耗能器件的調(diào)度方式，也是影響基站能量效率的重要因素。根據(jù)業(yè)務(wù)特性配置適當功率，并對耗能器件進行合理調(diào)度，將有效減少不必要的功耗開銷、優(yōu)化基站功耗。本章主要從以上兩方面，研究器件級能量效率優(yōu)化方法。

3.1 基站耗能器件能量效率提高

如果把基站設(shè)備分為基帶、射頻和饋線3部分，其中耗能最大的為射頻部分，可達基站總能耗的80%；而在射頻前端器件中，又以功放耗能最大，約占射頻部分的50%[4]。因此，功放是基站的最主要耗能器件。然而，現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)中，功率放大器的效率通常并不理想，因而成為影響網(wǎng)絡(luò)能量效率的主要因素。在GSM網(wǎng)絡(luò)中，基站功放將22%的基站總功率輸入轉(zhuǎn)化為熱能，造成功率損失[11]。對于WCDMA/HSPA以及LTE系統(tǒng)，由于其調(diào)制方式均會造成信號包絡(luò)較強波動，造成很高峰均功率比（peak-toaverage power ratio，PAPR），因而為達到系統(tǒng)所需的信號質(zhì)量要求，功放需要具有極好的線性；但同時放大器的工作范圍將遠低于飽和，造成功率放大器效率的低下[6]。

為了優(yōu)化功率放大器的功耗，最直觀的方法是提高功率效率、線性等功放基本性能，設(shè)計并采用更為先進的功放。Doherty功率放大器通過采用B/C類主放大器以及C類輔助放大器共存的主/從式結(jié)構(gòu)，其最大功率效率與其工作飽和點僅有6～10 dB的差距[6]。參考文獻[12]中所提出的J類放大器，基于基波以及二次諧波調(diào)諧，可提供較高的功放效率。另外，采用相關(guān)的信號處理方法，也是提高功放能量效率的重要手段。例如，通過對信號包絡(luò)進行峰值因子縮減（crest factor reduction,CFR）處理，可以有效降低PAPR；數(shù)字預(yù)失真技術(shù)（digital pre-distortion,DPD）則可以有效提高功放的線性性能。

除功率放大器外，饋線損耗以及天線效率也是影響基站輸入功率轉(zhuǎn)化為射頻傳輸功率的重要因素。Mobile VCE綠色無線通信項目指出雙極化貼片天線（dualpolarized patch antenna）可有效提高天線效率，并且通過改變基站結(jié)構(gòu)，將功放與天線鄰近放置，有效減小饋線損耗。

3.2 基站動態(tài)功率管理

現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)基站在業(yè)務(wù)傳輸時，通常并不考慮業(yè)務(wù)特性，而是按照峰值業(yè)務(wù)流量設(shè)定傳輸速率、配置傳輸功率，旨在最大程度避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時，盡可能提供最佳的傳輸性能。然而，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負載分布有明顯的時空分布特性，對于低業(yè)務(wù)負載量時段和區(qū)域以及性能要求不是很高的業(yè)務(wù)（如非實時業(yè)務(wù)等），這種相對靜止的功率分配方式會造成傳輸功率浪費。為此，基站的相關(guān)器件應(yīng)能根據(jù)業(yè)務(wù)特性，進行傳輸功率自適應(yīng)。參考文獻[13]提出具有多功率等級的發(fā)射機電路，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實施業(yè)務(wù)流量以及業(yè)務(wù)QoS需求，動態(tài)調(diào)整功率等級，進而有效減少了少數(shù)傳輸功率的浪費，優(yōu)化傳輸功耗。

另一個影響基站能量效率的原因在于基站耗能器件的持續(xù)開啟以及定時信號、導(dǎo)頻等開銷信號的持續(xù)傳輸。在低負載時段，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)請求銳減，導(dǎo)致部分電路處于閑置狀態(tài)，卻仍要付出維持其開啟所需的功耗；另外，在GSM、HDPA、802.16m等現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)中，即使沒有數(shù)據(jù)傳輸，基站仍需持續(xù)不斷地傳輸定時信號、導(dǎo)頻等開銷信號，以實時獲取網(wǎng)絡(luò)資源情況。顯然，在網(wǎng)絡(luò)低負載時段，上述功耗并未得到充分利用，影響網(wǎng)絡(luò)的能量效率。對此，參考文獻[6]指出通過對基站的器件和處理電路進行部分或全部關(guān)斷，可以有效防止數(shù)字電路的功率泄露，并顯著節(jié)約收發(fā)機模擬電路功耗。同時，通過器件的關(guān)斷-喚醒操作，進行開銷信號的非持續(xù)傳輸，可以顯著節(jié)約開銷信號傳輸功耗[14]。

4 鏈路級能量優(yōu)化

盡管傳輸功率本身在基站總功耗中所占比例甚微，但由于功放效率、天線效率以及饋線損耗等因素的影響，基站射頻部分總功耗在基站功率開銷中通常占有相當大的比重（見圖2）。同時，基站傳輸功率配置對無線通信系統(tǒng)服務(wù)能力起著決定性作用。因此，通過合理的資源調(diào)度策略以及高能效傳輸技術(shù)，在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的前提下，優(yōu)化鏈路和網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率，將對整個無線通信系統(tǒng)的能量優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用。本節(jié)從鏈路級角度，分析無線通信系統(tǒng)傳輸功耗優(yōu)化的基本原理，并指出傳輸功耗的優(yōu)化主要依賴3類重要折中關(guān)系，即無線資源與傳輸功耗、傳輸性能與傳輸功耗及處理復(fù)雜度與傳輸功耗的折中。

4.1 無線資源與傳輸功耗折中

4.1.1 頻譜資源與功率折中

在點對點無線通信系統(tǒng)中，傳輸信道帶寬及傳輸功率是決定其傳輸容量的最重要因素。由香農(nóng)公式可知，對于一定的傳輸速率要求R，傳輸功率P與傳輸信道帶寬W之間的關(guān)系可以表示如下：

其中N0表示噪聲功率譜密度。由于信道傳輸容量與帶寬成線性關(guān)系，而與傳輸功率成對數(shù)關(guān)系，這使得傳輸功率與帶寬間的折中成為可能。因此，對一定的速率約束，可通過提高傳輸帶寬的方式，有效節(jié)省傳輸功率。圖3給出了為滿足一定的傳輸速率，利用不同帶寬傳輸?shù)臍w一化傳輸能量曲線。其中，不同帶寬利用基準帶寬的系數(shù)α表示，能量歸一化的參考值為一定速率下基準帶寬（α=1）所需的傳輸功率，傳輸速率則由基準帶寬所對應(yīng)的目標信干噪比（SINR）和香農(nóng)公式表示。因此，歸一化傳輸能量可表示為：

此處為簡單起見，僅考慮了對信號衰落影響最大的路徑損耗。由圖3可見，隨著可利用傳輸帶寬的增加，傳輸功耗得到明顯的優(yōu)化。實際系統(tǒng)中，傳輸帶寬通常表示為可利用的子載波/子信道數(shù)目。

實現(xiàn)帶寬資源與功耗的折中，首先需要充分發(fā)掘并利用盡可能多的無線頻譜資源，而無線通信系統(tǒng)的演進也體現(xiàn)了其可利用頻譜資源的增長趨勢。GSM系統(tǒng)的信道帶寬為200 kHz，而且由時隙進一步劃分；在UMTS系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬達到5 MHz；3GPP LTE系統(tǒng)將支持20 MHz系統(tǒng)帶寬，并結(jié)合載波聚合等技術(shù)，將不對稱的零散頻譜加以融合利用，系統(tǒng)帶寬可達100 MHz。此外，隨著認知無線電技術(shù)的廣泛研究，通過對頻譜空洞的探測感知，使得系統(tǒng)在低業(yè)務(wù)量時的閑置頻譜和系統(tǒng)零散頻譜得到更充分利用。在頻譜資源拓展與充分利用的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合基于鏈路質(zhì)量的自適應(yīng)調(diào)制，使用低階調(diào)制方式進行信號傳輸。這是由于為實現(xiàn)一定傳輸可靠性，用低階調(diào)制代替復(fù)雜的高階調(diào)制會得到明顯的信干噪比增益；同時，可利用帶寬的增加也保證低階調(diào)制仍能滿足一定的傳輸速率要求。

4.1.2 時間資源與功率折中

與頻譜一樣，時間也是重要的無線通信資源。從時/頻資源塊的角度，增加業(yè)務(wù)傳輸所需時隙，相當于增加了業(yè)務(wù)傳輸?shù)男诺罃?shù)，在邏輯上等效于增加頻率子載波/子信道。因此對時隙資源的充分利用，也可以實現(xiàn)與傳輸功率的折中。由于以傳輸時間為變量，對于數(shù)據(jù)量為L的業(yè)務(wù)，傳輸速率將隨之發(fā)生變化，因此不能僅考慮傳輸功率，而應(yīng)關(guān)注業(yè)務(wù)的傳輸能量，即

其中t表示傳輸該業(yè)務(wù)所需時間。在實際系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)的傳輸時間通常表示為可利用的傳輸時隙數(shù)目，即t=αTs?？梢钥闯?，時間資源與傳輸能量之間的折中關(guān)系與第4.1.1節(jié)中相似，也可以用圖3進行表示。

與帶寬資源有所不同，時間不僅是一種無線通信資源，業(yè)務(wù)服務(wù)延時（包括排隊時間和傳輸時間）還是一種重要的傳輸性能指標，涉及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（quality of service,QoS）。因此，對時間資源的拓展應(yīng)充分考慮業(yè)務(wù)服務(wù)延時，需借助排隊理論進行研究?；谂抨犂碚?，根據(jù)業(yè)務(wù)的實時分布特性及其對服務(wù)延時的不同需求，進行動態(tài)傳輸功率自適應(yīng)，是實現(xiàn)時間資源與功耗折中的關(guān)鍵。筆者前期工作針對多用戶蜂窩小區(qū)，初步研究了基于業(yè)務(wù)平均服務(wù)延時要求和網(wǎng)絡(luò)負載的動態(tài)傳輸功率自適應(yīng)方法[15]，其性能如圖4所示?？梢?，對于實時性要求較低的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)低負載時段，傳輸功率自適應(yīng)將帶來明顯的傳輸功率節(jié)省。進一步的研究重點，應(yīng)主要針對包括視頻、語音、圖像等異質(zhì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，建立能準確反映異質(zhì)業(yè)務(wù)分布規(guī)律及實時特性的業(yè)務(wù)模型，研究面向異質(zhì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的功率自適應(yīng)方法。

4.1.3 空間資源與功耗折中

從上述分析可知，增加可利用的帶寬、時隙等資源，等效于增加無線傳輸?shù)莫毩⑿诺罃?shù)，進而通過信道容量的對數(shù)關(guān)系換取功率資源的節(jié)省，實現(xiàn)帶寬/時隙資源與功率資源的折中關(guān)系。在無線傳輸技術(shù)的發(fā)展進程中，空間資源的有效利用（例如空間復(fù)用、空間/極化分集等）一直扮演著最為重要的角色，因而從直觀上希望通過與上述兩種折中相類似的方法，對空間資源進行有效拓展以換取功耗的節(jié)省及能量效率的提高。在基于ADSL、PON等技術(shù)的有線接入網(wǎng)中，可通過在信源與信宿間添加電纜/光纜的方法來增加獨立傳輸信道，獲得網(wǎng)絡(luò)性能的提高。然而，在點對點無線通信系統(tǒng)中，雖然可以通過增加發(fā)射機與接收機間“收-發(fā)”天線數(shù)來增加空間傳輸鏈路，但由于電磁波的空間傳播特性，來自多根發(fā)射天線的并行傳輸信號間往往存在嚴重干擾，因而難以通過簡單增加“收-發(fā)”天線對的方式獲得獨立的無線鏈路，完成類似帶寬/時隙與功率的折中。盡管點對點MIMO技術(shù)有效解決了并行信號干擾問題，使頻譜效率得到成倍提升，但其信號處理功耗以及傳輸導(dǎo)頻等參考信號所需功耗，均會隨天線數(shù)的增加顯著上升。因此，點對點MIMO技術(shù)是否能有效提高系統(tǒng)能量效率、優(yōu)化系統(tǒng)能耗，有待進一步深入研究。

盡管如此，電磁波的空間傳播特性仍為空間資源與功率資源的折中提供了可能。路徑損耗是無線信號衰落的關(guān)鍵性因素，它使信號強度隨傳輸距離成指數(shù)形式衰減。因此通過縮短傳輸距離，將會顯著節(jié)省傳輸功耗。典型的方法主要分為兩類，即多跳傳輸和增加網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點密度。多跳傳輸在空間上引入多個信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，將一次長距離傳輸轉(zhuǎn)化為若干次短距離傳輸，典型的應(yīng)用場景為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)以及中繼傳輸。參考文獻[16]對多跳傳輸在功耗方面的性能進行了分析，其中不僅考慮傳輸功耗，而且考慮了多跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的處理功耗，并指出多跳傳輸可以有效優(yōu)化提高傳輸能量效率。中繼傳輸通常應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，擴大基站的覆蓋范圍。由于其能夠縮短信號傳輸所經(jīng)歷的距離，因此可以節(jié)省滿足一定速率要求的傳輸功率。此外，參考文獻[8]經(jīng)研究證實，通過增加網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點密度，引入微站點、各類型無線接入站點構(gòu)成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，可以縮短用戶與其鄰近接入節(jié)點間的傳輸距離，以節(jié)省業(yè)務(wù)傳輸功率，有效優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗。

4.2 業(yè)務(wù)傳輸性能與功耗的折中

為提高無線通信系統(tǒng)的服務(wù)能力，滿足用戶業(yè)務(wù)需求，無線通信系統(tǒng)中提出各種性能指標（如頻譜效率、阻塞率、服務(wù)延時等），而這些性能幾乎都與功耗有著密不可分的關(guān)系。以點對點系統(tǒng)為例：作為無線通信最重要的性能指標之一，頻譜效率與傳輸功率的關(guān)系由香農(nóng)公式給出，而用來衡量傳輸可靠性的誤比特率性能則主要由接收機的信干噪比決定?？梢酝茰y，各類無線通信性能指標與傳輸功率也應(yīng)存在折中關(guān)系，進而可作為優(yōu)化無線傳輸功率的有效手段。

傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的部署及調(diào)度，通常從網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力出發(fā)，強調(diào)上述性能指標，而未能充分考慮各類業(yè)務(wù)對傳輸性能的實際需求。例如，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)最大負載量以及設(shè)備處理能力所能達到的最大傳輸速率分配功率，旨在最大程度上減小業(yè)務(wù)的傳輸延時、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。然而，對于非實時業(yè)務(wù)，大幅減小其傳輸延時并不能有效提高用戶滿意程度；在網(wǎng)絡(luò)低負載時段 （如夜間），也并不需要很大的傳輸速率來避免后續(xù)業(yè)務(wù)擁塞?？梢姡F(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)功率資源供應(yīng)過量，存在功率資源浪費問題。因此，可以在滿足業(yè)務(wù)實際傳輸性能需求的基礎(chǔ)上，適當放松對于各性能的苛刻要求，以換取功率的節(jié)省，利用最小的功耗代價滿足業(yè)務(wù)實際需求，進行業(yè)務(wù)性能與功耗的折中，提高業(yè)務(wù)傳輸能量效率。

實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸性能與功耗的折中，首先需要對業(yè)務(wù)特性有全面深入的研究。未來無線通信系統(tǒng)將是一個包含視頻、話音、在線游戲等各類移動多媒體業(yè)務(wù)的異質(zhì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，因而需基于各類業(yè)務(wù)的QoS需求，設(shè)置傳輸參數(shù)，分配功率等無線資源。此外，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載決定著傳輸各業(yè)務(wù)可利用的無線資源，所以業(yè)務(wù)負載的分布也是影響業(yè)務(wù)傳輸性能的重要因素，需建立準確反映異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量分布的異質(zhì)業(yè)務(wù)到達模型。參考文獻[17]在OFDMA系統(tǒng)中，研究了基于盡力業(yè)務(wù)、非實時業(yè)務(wù)以及實時業(yè)務(wù)QoS要求的無線資源管理方法，進而有效提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。綜合考慮業(yè)務(wù)的分布特性及業(yè)務(wù)QoS需求，參考文獻[18]提出了一種能量感知的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分析模型，充分研究了不同網(wǎng)絡(luò)負載情況下，分組丟失率性能與功耗的折中關(guān)系，并指出通過對發(fā)射機進行合理的關(guān)斷/喚醒操作以及功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可以在一定傳輸性能前提下，有效節(jié)省設(shè)備功耗。綜上，基于業(yè)務(wù)特性進行業(yè)務(wù)傳輸性能與功耗的折中，將是提高網(wǎng)絡(luò)能量效率的有效手段。

4.3 處理復(fù)雜度與功耗的折中

以上從無線通信資源以及業(yè)務(wù)性能兩方面，探究了鏈路級傳輸功耗節(jié)省的原理及方法。此外，無線信道狀態(tài)信息（channel status information,CSI）是影響網(wǎng)絡(luò)性能的決定性因素之一，基于CSI的無線鏈路自適應(yīng)以及資源分配技術(shù)，也是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗的重要內(nèi)容。然而，為實現(xiàn)無線資源分配以及上述與傳輸功耗的折中，網(wǎng)絡(luò)往往依賴更多的系統(tǒng)開銷信號、更為復(fù)雜的信號處理以及傳輸技術(shù)。由此可以推斷，處理復(fù)雜度也是影響能量效率的重要因素之一，也應(yīng)與功耗存在一定的折中關(guān)系。

利用處理復(fù)雜度換取功率資源，主要是通過更為高級的資源分配策略及信號處理方法，以減小傳輸功耗為目標，降低網(wǎng)絡(luò)能耗；但另一方面，高級的處理方法又會帶來處理復(fù)雜度的提升，引入更大的處理功耗，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)能耗的優(yōu)化。例如，在多用戶OFDMA系統(tǒng)中，利用多用戶分集，采用自適應(yīng)調(diào)制和無線資源分配算法，可以有效優(yōu)化基站的總傳輸功率。然而，多用戶小區(qū)的資源分配往往是一個NP-難問題，為獲得最優(yōu)/次優(yōu)解所采用的優(yōu)化方法通常具有較高的復(fù)雜度，需引入較大的處理功耗以及處理延時。此外，傳輸導(dǎo)頻等開銷信號所需功耗的提升也不可忽視。隨著LTE系統(tǒng)中無線資源分配、MIMO等技術(shù)的使用，無線信道CSI的需求量成倍增加，對信道估計質(zhì)量的要求也越來越高，這就帶來了更多的導(dǎo)頻傳輸。因此，如何在優(yōu)化傳輸功率、提高傳輸性能的同時，設(shè)計出具有較低系統(tǒng)開銷以及處理功耗的信號處理與傳輸技術(shù)，應(yīng)成為今后研究的重點內(nèi)容。

5 網(wǎng)絡(luò)級能量優(yōu)化

基于上述3類重要的折中關(guān)系，研究其實現(xiàn)所需的無線通信技術(shù)和方法，是實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化的重點內(nèi)容。本章從網(wǎng)絡(luò)層角度，系統(tǒng)分析具有高能效的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、資源分配策略及信號處理與傳輸技術(shù)等，旨在實現(xiàn)上述的折中關(guān)系，從全網(wǎng)角度顯著優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗。

5.1 異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、基站密度低、存在覆蓋盲區(qū)(如小區(qū)邊緣等)，難以支持局部高速業(yè)務(wù)需求。為此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入了具有很低功耗的微蜂窩（micro cell），微微蜂窩(pico cell)及家庭基站（Femtocell）等各類無線接入站點，構(gòu)成異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)，旨在滿足大容量業(yè)務(wù)需求的同時，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，具有大容量高速業(yè)務(wù)需求的熱點區(qū)域由布設(shè)密度較高的微/微微小區(qū)服務(wù)，家庭基站則負責為室內(nèi)用戶提供高速率寬帶無線覆蓋[6]；而傳統(tǒng)宏蜂窩則主要解決用戶的覆蓋問題，并對其服務(wù)區(qū)內(nèi)的各種接入節(jié)點以及無線資源進行控制和調(diào)度。通過微站點等無線站點的引入，提高了接入節(jié)點的密度，明顯縮短用戶與其接入點的傳輸距離，有效降低了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)由宏基站推送高速業(yè)務(wù)所需的極大傳輸功耗。同時，微站點、家庭基站等接入點本身功耗很低，使得數(shù)據(jù)傳輸可以對其功耗充分利用，有效提高了能量使用效率。參考文獻[19]在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入微基站，并將其放置于宏蜂窩小區(qū)邊緣，進而提出一種異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。同時，該文全面考慮了包括功放、饋電損耗、信號處理等因素在內(nèi)的基站功耗模型，通過分析不同微基站密度下，網(wǎng)絡(luò)的容量性能提升以及總功耗，充分論證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是提高無線通信網(wǎng)絡(luò)能量效率的有效手段。在此基礎(chǔ)上，參考文獻[20]結(jié)合無線資源分配策略，進一步研究了OFDMA多用戶小區(qū)中該異構(gòu)結(jié)構(gòu)在能量效率方面的優(yōu)勢。

然而，引入過多的接入節(jié)點將會帶來額外干擾，影響能量效率的提升，而且，由于用戶移動引起的節(jié)點間切換也變得更加頻繁，提高了系統(tǒng)的處理復(fù)雜度。因而，如何選擇合理的接入節(jié)點密度，確定最優(yōu)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)高能效異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的核心問題。此外，如何實現(xiàn)不同類型的接入網(wǎng)節(jié)點間的統(tǒng)一調(diào)度，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)調(diào)與共享，也是其實現(xiàn)的關(guān)鍵問題，需要進一步深入研究。

5.2 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)

協(xié)作通信技術(shù)被認為是下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，相應(yīng)的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)也成為未來無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的有力競爭者，其主要包括分布式天線系統(tǒng)(distributed antenna system，DAS)、協(xié)作中繼傳輸?shù)葘崿F(xiàn)形式，在提高網(wǎng)絡(luò)能量效率方面，是一種非常有潛力的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。DAS可通過小區(qū)間的基站協(xié)作實現(xiàn)，通過在不同基站間協(xié)調(diào)發(fā)端信號的波束成形，有效控制了基站間同頻信號干擾強度，進而有效提高了SINR水平，在保證一定無線鏈路SINR的前提下，減小基站的發(fā)射功率[21]。參考文獻[7]基于完整的基站功耗模型，全面分析基站協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率，并指出基站協(xié)作是提高無線網(wǎng)絡(luò)能量效率的有效方法。協(xié)作中繼技術(shù)則可以減小傳輸距離，并通過中繼節(jié)點對信號的放大與編解碼處理，提高系統(tǒng)吞吐量以及覆蓋范圍。參考文獻[22]對基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼傳輸進行了傳輸功率的分析，指出中繼傳輸縮短了傳輸距離，可以獲取傳輸功率的節(jié)省，提高傳輸能量效率。同時，中繼傳輸?shù)膶崿F(xiàn)也不需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施改動，易于在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施前提下實施應(yīng)用[21]。

盡管如此，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中需要更為復(fù)雜的信號處理技術(shù)實現(xiàn)協(xié)作傳輸（如譯碼轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作等），將會帶來處理功耗的提升；同時，節(jié)點間為實現(xiàn)協(xié)作而進行的額外信息交互以及更多的導(dǎo)頻等參考信號的傳輸，也會使得增加開銷功耗。因此，合理平衡傳輸功率節(jié)省與處理功耗增加，是實現(xiàn)高能效協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的重要課題。

5.3 無線資源分配

前述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，側(cè)重于高能效網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，而最終能否實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量效率的顯著提高，則取決于網(wǎng)絡(luò)各類資源的分配是否合理。無線信道狀態(tài)信息（CSI）是決定網(wǎng)絡(luò)性能的最重要因素，也是進行無線資源分配的主要依據(jù)。無線資源分配的核心在于協(xié)調(diào)用戶對無線接入的競爭，根據(jù)各用戶CSI合理分配無線信道、傳輸功率等系統(tǒng)資源，進行無線鏈路自適應(yīng)，進而在網(wǎng)絡(luò)資源約束下提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，或在一定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力約束下降低功耗。另一方面，隨著業(yè)務(wù)種類的豐富，用戶對各類業(yè)務(wù)的QoS需求、用戶接入公平性等因素，也成為網(wǎng)絡(luò)資源分配的重要因素。OFDMA網(wǎng)絡(luò)允許利用多用戶分集進行資源分配，并已成為提高網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段。隨著OFDMA成為LTE系統(tǒng)的下行多址技術(shù)，基于OFDMA網(wǎng)絡(luò)的無線資源分配也成為了學術(shù)界的研究熱點。作為OFDMA資源分配的經(jīng)典研究，參考文獻[23]正是基于用戶的瞬時CSI，進行聯(lián)合載波分配與鏈路自適應(yīng)調(diào)制，以顯著優(yōu)化傳輸總功率，同時綜合考慮用戶的QoS需求。對于下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)，由于其頻譜等各類無線資源的動態(tài)規(guī)劃以及無線多媒體業(yè)務(wù)需求，無線資源分配更是成為其核心技術(shù)之一。例如，LTE系統(tǒng)中支持基于時/頻資源塊的資源調(diào)度方法，其充分考慮了信道的“雙選”特性以及業(yè)務(wù)QoS需求。因而，無線資源分配將成為優(yōu)化下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要手段。

對于資源分配策略的進一步研究，需綜合考慮以下因素。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的引入，接入點空間分布更加密集，從空間上提供了更多無線傳輸鏈路，而作為未來無線主流業(yè)務(wù)，非實時業(yè)務(wù)需充分考慮傳輸?shù)臅r間維度以及CSI的時變特性。因此，需綜合考慮 “時間”、“頻率”、“空間”等多資源域，由全局優(yōu)化代替?zhèn)鹘y(tǒng)局部優(yōu)化，將成為未來資源分配策略研究的主要發(fā)展趨勢。此外，資源分配通常涉及NP-難組合優(yōu)化問題求解，只有具有低復(fù)雜度且性能接近最優(yōu)解的算法，才能應(yīng)用于實際系統(tǒng)。因此，對低復(fù)雜度算法的開發(fā)也應(yīng)成為今后研究重點。

5.4 多媒體廣播/組播與網(wǎng)絡(luò)融合

下一代無線通信系統(tǒng)支持移動多媒體業(yè)務(wù)，而移動互聯(lián)網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)（尤其是視頻業(yè)務(wù)）請求具有明顯的規(guī)律性，即大量用戶的業(yè)務(wù)請求多集中于少量的傳輸熱點內(nèi)容。然而，現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)往往忽視用戶請求的業(yè)務(wù)內(nèi)容，對所有業(yè)務(wù)均采用單播模式傳輸，即為所有的業(yè)務(wù)均分配專有的信道以及功率資源，因而會造成大量熱點業(yè)務(wù)的重復(fù)傳輸，降低無線資源利用率并導(dǎo)致傳輸功率浪費。

由電磁波的空間傳輸特性，對于熱點業(yè)務(wù)可采用廣播/多播傳輸方式，避免單播帶來的重復(fù)傳輸。廣播網(wǎng)具有寬帶傳輸、容量高、覆蓋廣、數(shù)據(jù)擁塞率低等特點，是一種高可靠性的信息傳輸系統(tǒng)。因此，應(yīng)將通信網(wǎng)與廣播網(wǎng)相融合，根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸內(nèi)容，將熱點業(yè)務(wù)移交廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸，進而有效節(jié)省由無線通信網(wǎng)進行無線多媒體業(yè)務(wù)單播所需的較大功耗開銷。通信網(wǎng)與廣播網(wǎng)融合涉及到協(xié)議改動、無線資源調(diào)度、多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理等問題。參考文獻[24]研究了融合通信廣播網(wǎng)絡(luò) (integrated communication and broadcast network,ICBN)，提出了基于ICBN的移動多媒體服務(wù)新模式，針對ICBN特點對TCP協(xié)議進行改進，并且提出了層次化的可靠廣播/多播機制，為通信網(wǎng)與廣播網(wǎng)的融合提供支持。除了融合廣播網(wǎng)之外，還可將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN、WiMAX、終端短距離通信等各種網(wǎng)絡(luò)相融合，進行分布/集中式調(diào)度，在保證有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，根據(jù)用戶分布、業(yè)務(wù)特性等選擇合適的接入點，減小傳輸距離，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功耗。

5.5 動態(tài)關(guān)斷技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)拓撲自適應(yīng)

現(xiàn)有蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)大多根據(jù)一定區(qū)域最大網(wǎng)絡(luò)負載量的統(tǒng)計（或估計）結(jié)果，進行設(shè)計和部署，具有固定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；同時，為保證其可靠性及覆蓋能力，無論當前是否有業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)中的所有基站處于持續(xù)的開啟狀態(tài)。由于業(yè)務(wù)分布在時間和空間上具有明顯的波動性，一定區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載在較長時段內(nèi)會維持較低水平，與網(wǎng)絡(luò)峰值負載相距甚遠，甚至存在較長時間空載[25]。對于持續(xù)開啟的基站，在低負載時段其功耗得不到充分利用，造成現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站功耗使用率低下。因此，從功耗角度分析，固定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)并不是網(wǎng)絡(luò)部署運營的最佳方案。

為解決上述問題，參考文獻[26]提出了基站動態(tài)關(guān)斷技術(shù)。通過在網(wǎng)絡(luò)低負載時段僅維持少量基站開啟，并適當擴大其覆蓋范圍來接管關(guān)斷基站的業(yè)務(wù)需求，進而利用少數(shù)基站的傳輸功率的提升換取大量基站開啟所需功率的節(jié)省。參考文獻[25]提出 “小區(qū)縮放”概念，通過考慮網(wǎng)絡(luò)負載、業(yè)務(wù)需求等因素，提出了各種小區(qū)縮放策略，以保證動態(tài)關(guān)斷技術(shù)的有效實現(xiàn)?，F(xiàn)實蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，為滿足密集用戶大容量業(yè)務(wù)需求，通常需要若干基站對密集用戶區(qū)進行重疊覆蓋，這也為實現(xiàn)基站關(guān)斷與網(wǎng)絡(luò)拓撲自適應(yīng)提供了條件。參考文獻[2]基于曼徹斯特一定區(qū)域內(nèi)的真實蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及運營商的業(yè)務(wù)分布數(shù)據(jù)，研究了基于貪婪算法的基站關(guān)斷算法，進而說明在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓撲上采用動態(tài)關(guān)斷技術(shù)，可有效提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。

6 結(jié)束語

面對全球能源壓力和環(huán)境污染問題越發(fā)嚴重的形勢，綠色節(jié)能業(yè)已成為全球發(fā)展的主題之一；節(jié)能減排、發(fā)展綠色無線通信成為了無線通信系統(tǒng)演進和發(fā)展的必然趨勢，并受到通信行業(yè)的廣泛關(guān)注。無線接入網(wǎng)在整個無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗中占有決定性比重，因此必須對現(xiàn)有無線接入網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和無線接入與傳輸技術(shù)進行有效改進，建立高能效無線接入網(wǎng)，以實現(xiàn)綠色無線通信。

本文從器件級、鏈路級和網(wǎng)絡(luò)級3個層面，系統(tǒng)闡釋基于無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化相關(guān)原理、方法以及關(guān)鍵技術(shù)，以有效優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)能耗、提高能源使用效率，進而明確了綠色無線通信主要研究方向，可作為綠色無線通信研究和發(fā)展的重要參考。

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