分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能效性能分析*

張珩智，趙中原，楊富棟，李 勇

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100876）

1 引言

2013 年12月4日,工業(yè)和信息化部同時(shí)向三大電信運(yùn)營(yíng)商發(fā)放了TD-LTE 4G牌照。2014年3月3日，繼中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信先后啟動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)商用之后，中國(guó)聯(lián)通也宣布將在3月18日啟動(dòng)4G的正式商用。這也標(biāo)志著在3G商用近5年之后，4G在我國(guó)正式進(jìn)入商用階段。目前，已有超過(guò)260個(gè)國(guó)家和地區(qū)部署了商業(yè)LTE，其中超過(guò)200個(gè)屬于LTE FDD范疇，28個(gè)屬于LTE TDD范疇，還有13個(gè)屬于LTE FDD/TDD融合網(wǎng)絡(luò)，全球已有120家制造商發(fā)布了1 240款LTE終端設(shè)備。4G網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)入全面發(fā)展階段。

工業(yè)和信息化部電信研究院在2014年2月21日召開的“ICT深度觀察大型報(bào)告會(huì)”上，發(fā)布了中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)“2013年十大關(guān)鍵詞和2014年十大趨勢(shì)”。報(bào)告中指出，我國(guó)有望躍升4G全球第二大市場(chǎng)，3G用戶數(shù)量將突破5億戶。如此龐大的用戶群對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容納能力、覆蓋范圍以及服務(wù)質(zhì)量都提出了更高的要求。按照目前的增長(zhǎng)速度，到2020年，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)將會(huì)發(fā)生巨大的變化。業(yè)務(wù)量將會(huì)提升500～1 000倍，同時(shí)熱點(diǎn)區(qū)域用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)量需求也會(huì)使得異構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)量越來(lái)越多，可能是宏基站的10倍以上，在這樣的密集部署場(chǎng)景中，更多異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的部署，使得無(wú)論是干擾環(huán)境，還是系統(tǒng)能量消耗都更加復(fù)雜。

已有研究表明，分層異構(gòu)技術(shù)可以提升鏈路的質(zhì)量和頻譜效率，有效解決宏網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞的問(wèn)題[1]。分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包含宏蜂窩、遠(yuǎn)端無(wú)線頭（RRH）、微微小區(qū)（picocell）、家庭基站（femtocell）、中繼等。分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署可以減輕宏蜂窩負(fù)載、提高特定區(qū)域的覆蓋質(zhì)量、改善邊緣用戶性能。此外，采用這樣的部署方式還可以有效降低網(wǎng)絡(luò)開銷、減少能量消耗、降低運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署成本，是LTE-Advanced系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。基于分層異構(gòu)技術(shù)在學(xué)術(shù)界已有的研究成果，在3GPP LTE R10/R11所定義的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，各運(yùn)營(yíng)商在3GPP LTE R12中提出了小小區(qū)增強(qiáng)（small cell evolution,SCE）技術(shù)解決方案，SCE網(wǎng)絡(luò)也被稱為分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

與之前的3GPP R10、R11版本相比，SCE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較大的改變。異構(gòu)低功率節(jié)點(diǎn)部署更密集、部署呈現(xiàn)簇部署特性、業(yè)務(wù)量時(shí)變非均勻是SCE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹饕匦浴＿@種無(wú)線組網(wǎng)新方式會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題。從系統(tǒng)性能和頻譜效率的角度考慮，每個(gè)小小區(qū)業(yè)務(wù)量波動(dòng)較大，小小區(qū)之間的干擾情況更加嚴(yán)重，用戶的移動(dòng)和切換問(wèn)題更加復(fù)雜，在3GPP R10和R11版本中所提出的干擾協(xié)調(diào)和干擾消除技術(shù)需要加以改進(jìn)來(lái)適應(yīng)小小區(qū)的要求，同時(shí)性能提升和算法復(fù)雜度上需要進(jìn)行折中；從能效的角度考慮，密集部署和簇部署特性使得系統(tǒng)能量消耗更加嚴(yán)重，另外這些異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的回傳鏈路（主要指連接無(wú)效接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的鏈路）容量受限和時(shí)延對(duì)頻譜效率和能效也會(huì)產(chǎn)生影響。

2 系統(tǒng)模型和小小區(qū)部署場(chǎng)景

在3GPP TR 36.932中，對(duì)小小區(qū)增強(qiáng)技術(shù)的場(chǎng)景和要求做了詳細(xì)的定義和規(guī)范[3]。根據(jù)協(xié)議，小小區(qū)場(chǎng)景部署需要考慮宏覆蓋、室內(nèi)/室外、回傳鏈路的理想性、稀疏/密集、同步、頻譜分配、業(yè)務(wù)量、后向兼容性等因素。分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

小小區(qū)不僅可以部署在宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，也可以單獨(dú)部署，例如室內(nèi)場(chǎng)景。而室內(nèi)與室外場(chǎng)景中一個(gè)關(guān)鍵的不同點(diǎn)就是移動(dòng)性：室內(nèi)用戶一般會(huì)保持靜止或者以一個(gè)較低的速度移動(dòng)；室外場(chǎng)景存在高速移動(dòng)的用戶，這對(duì)于小小區(qū)部署也是一大挑戰(zhàn)?；貍麈溌吩诖笠?guī)模小小區(qū)部署場(chǎng)景中是非常重要的一個(gè)因素，一些非理想回傳鏈路性能見表1。需根據(jù)業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，例如市郊、市內(nèi)、大型商場(chǎng)超市等，合理地選擇合適的小小區(qū)節(jié)點(diǎn)部署密度，以平衡部署成本和用戶需求。在考慮宏覆蓋的場(chǎng)景中，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)和宏基站之間可以是同步的，也可以是非同步的；可以是同頻的，也可以是非同頻的，非同頻的情況下，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)使用頻段目前集中在更高的頻段 （如3.5 GHz），在這一頻段下可以使用更寬的帶寬。由于每個(gè)小小區(qū)節(jié)點(diǎn)用戶數(shù)較少而且分布不均，因此業(yè)務(wù)量的波動(dòng)會(huì)很大，上行和下行的業(yè)務(wù)量并不對(duì)稱，在時(shí)域和頻域上業(yè)務(wù)量分布存在非均勻分布的情況。在后向兼容性方面，允許傳統(tǒng)（R12版本之前）的用戶接入小小區(qū)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)新的用戶也會(huì)引入以適應(yīng)小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)。

圖1 分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表1 非理想回傳鏈路性能

3 能效指標(biāo)和模型

在蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，基站端的能量消耗占據(jù)了系統(tǒng)總能耗的60%[4]。因此，如何提升基站端的能量效率是系統(tǒng)能效研究的關(guān)鍵。與宏基站相比，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)的能耗更小。在R10/R11版本的低密度部署中，基本對(duì)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的能效考慮很少。但是，從3GPP R12標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)小小區(qū)增強(qiáng)的分析可以看出，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)部署密度很大，總的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)R10/R11版本中的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)能耗。因此在這一大密度部署場(chǎng)景中，與傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相比，能效性能和技術(shù)需要做改進(jìn)和優(yōu)化[5]。

如何提升系統(tǒng)能效也是目前業(yè)界研究的重點(diǎn)。在2010年，歐洲啟動(dòng)了EARTH（Energy Aware Radio and Network Technologies）項(xiàng)目，其中提出了與能耗有關(guān)的系統(tǒng)模型，并指出在2012年LTE網(wǎng)絡(luò)能耗能削減4倍以上。隨后，在歐洲創(chuàng)新技術(shù)學(xué)院（EIT）提出的5GREEN項(xiàng)目（即5G系統(tǒng)下的綠色通信）中，GreenTouch聯(lián)盟提出，與2010年相比，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能耗已經(jīng)被削減10倍以上。同時(shí)，5GREEN項(xiàng)目報(bào)告中還提到了極端密集網(wǎng)絡(luò)部署下避免能耗的問(wèn)題（不連續(xù)發(fā)射/不連續(xù)接收）以及由此帶來(lái)的回傳鏈路的問(wèn)題。此外，在Green Radio、OPERA-Net、eWin等項(xiàng)目中，也對(duì)無(wú)線通信能效模型、結(jié)構(gòu)和提升能效的方法給出了可行的思路。但是，當(dāng)前大多考慮鏈路級(jí)能效模型和技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)級(jí)能效模型和能效指標(biāo)，尤其是小小區(qū)增強(qiáng)場(chǎng)景下的能效模型、指標(biāo)和性能的研究較少。

現(xiàn)有能效指標(biāo)可以分為兩類，即系統(tǒng)容量（數(shù)據(jù)量）/能耗指標(biāo)和能耗/面積指標(biāo)。其中，系統(tǒng)容量（數(shù)據(jù)量）/能耗指標(biāo)又可以根據(jù)容量和能耗的定義，分為系統(tǒng)容量/能耗、數(shù)據(jù)量/能耗、頻譜效率/功耗3種。參考文獻(xiàn)[6]中運(yùn)用系統(tǒng)容量與功耗之比作為衡量能效的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)目前應(yīng)用廣泛，但是在部分場(chǎng)景中功耗是定值，這時(shí)評(píng)價(jià)能效與評(píng)價(jià)吞吐量是等價(jià)的，只是在量綱和數(shù)值上成比例變化。參考文獻(xiàn)[7]中運(yùn)用數(shù)據(jù)量與能耗之比作為衡量能效的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)目前支持的場(chǎng)景最多，它統(tǒng)計(jì)的是一段時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量以及一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[8]中運(yùn)用頻譜效率與能耗之比作為衡量能效的指標(biāo)，它可以權(quán)衡頻譜效率與能效，能通過(guò)仿真比較設(shè)計(jì)出頻譜效率性能和能效性能均很好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。但是對(duì)于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)帶寬為定值，這時(shí)評(píng)價(jià)頻譜效率與評(píng)價(jià)能效是等價(jià)的，只是在量綱和數(shù)值上成比例變化。參考文獻(xiàn)[9]中用的是功耗與區(qū)域面積之比作為衡量能效的指標(biāo)，它適合低業(yè)務(wù)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，考慮的是在不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中，如何最小化功耗，但是覆蓋面積并不適合用于衡量系統(tǒng)效率。其中，各個(gè)指標(biāo)之間可以通過(guò)場(chǎng)景部署或者公式推導(dǎo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 小小區(qū)增強(qiáng)場(chǎng)景仿真

針對(duì)3GPP TR 36.932提出的小小區(qū)增強(qiáng)技術(shù)部署要求，參考文獻(xiàn)[3]提出了用于性能評(píng)估的4種典型場(chǎng)景，見表2。

表2 小小區(qū)增強(qiáng)場(chǎng)景

本文考慮室外場(chǎng)景，即場(chǎng)景1和場(chǎng)景2a。小小區(qū)節(jié)點(diǎn)采用pico基站?？紤]小小區(qū)簇的情況下，簇中小小區(qū)數(shù)目從2個(gè)到16個(gè)不等。這樣在熱點(diǎn)區(qū)域（簇）中，小小區(qū)的密度可以從很小到非常大，最終甚至可以和用戶的數(shù)量相比。

場(chǎng)景1如圖2所示，宏小區(qū)與小小區(qū)使用相同的載波頻率（2GHz），可使用的載波數(shù)量都為1，每個(gè)載波帶寬為10MHz。宏小區(qū)的部署與R10/R11異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相同，采用六邊形蜂窩網(wǎng)格模型，19小區(qū)或7小區(qū)、三扇區(qū)結(jié)構(gòu)。小小區(qū)的部署采用簇部署方式，先在宏小區(qū)地理區(qū)域內(nèi)均勻隨機(jī)部署若干個(gè)小小區(qū)簇，再在小小區(qū)簇中均勻隨機(jī)部署若干個(gè)小小區(qū)。每個(gè)宏小區(qū)內(nèi)小小區(qū)簇的個(gè)數(shù)為1、2或4個(gè)，每個(gè)小小區(qū)簇內(nèi)小小區(qū)的個(gè)數(shù)為2、4、8或16個(gè)。每個(gè)宏小區(qū)地理區(qū)域內(nèi)有60個(gè)用戶，其中2/3的用戶均勻隨機(jī)地被放置在小小區(qū)簇內(nèi)，1/3的用戶均勻隨機(jī)地被放置在整個(gè)宏小區(qū)地理區(qū)域內(nèi)。

圖2 場(chǎng)景1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

場(chǎng)景2a如圖3所示，與場(chǎng)景1不同之處在于小小區(qū)使用3.5 GHz的載波頻率，與宏小區(qū)載波頻率不同。在這一場(chǎng)景下小小區(qū)可以使用最多2個(gè)載波。宏小區(qū)、小小區(qū)以及用戶的部署與場(chǎng)景1一致，信道模型也與場(chǎng)景1相同。

圖3 場(chǎng)景2a網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

能耗模型采用發(fā)射功率+基礎(chǔ)功耗的方式，能效指標(biāo)采用頻譜效率/功耗表達(dá)式。

在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)和宏基站同頻的情況下（場(chǎng)景1），系統(tǒng)能效模型可以表示為：

其中，Cmacro和Cpico分別是宏基站和pico基站的頻譜效率，Pmacro和Ppico分別是宏基站和pico基站的功耗，功耗表達(dá)式分別為：

其中，Pmtx和Pptx分別是宏基站和pico基站的發(fā)射功率，Pm0和Pp0分別是宏基站和pico基站的基礎(chǔ)功耗。

在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，小小區(qū)節(jié)點(diǎn)和宏基站異頻的情況（場(chǎng)景2a）下，系統(tǒng)能效模型可以表示為：

5 仿真與分析

5.1 仿真場(chǎng)景設(shè)定

仿真選用符合3GPP規(guī)范的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)[10]，具體仿真參數(shù)配置見表3。

表3 仿真參數(shù)

表4是仿真時(shí)各功耗參數(shù)。

表4 功耗參數(shù)

5.2 仿真性能

圖4～圖10中，空閑基站表示無(wú)服務(wù)用戶的基站基礎(chǔ)功耗為0，所有基站表示所有基站都有基礎(chǔ)功耗。

（1）同頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能效

圖4仿真了不同pico數(shù)目下的扇區(qū)平均頻譜效率?？梢钥闯觯S著pico數(shù)目的增加，扇區(qū)平均頻譜效率也逐漸增加，但是增加的比例在逐漸減少。更多的pico基站的部署使得系統(tǒng)的頻譜資源復(fù)用度增加，同時(shí)使得pico用戶的干擾也越來(lái)越大。

圖4 不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)頻譜效率

pico基站基礎(chǔ)功耗為6.8 W時(shí)，扇區(qū)平均系統(tǒng)能效如圖5所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)能效隨著部署基站數(shù)量的增加而增加。對(duì)于無(wú)服務(wù)用戶的基站，將其設(shè)為睡眠模式或關(guān)閉狀態(tài)，可以有效提升系統(tǒng)能效，而且pico基站部署越多，這種基站睡眠或關(guān)閉策略對(duì)系統(tǒng)能效的提升越大。

圖5 P0=6.8 W時(shí)不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效

pico基站基礎(chǔ)功耗為30 W時(shí)，扇區(qū)平均系統(tǒng)能效如圖6所示?？梢钥闯鲈谶@種場(chǎng)景下，能效隨著部署基站數(shù)量的增加會(huì)先增加后減少，即出現(xiàn)一個(gè)最大值點(diǎn)。這主要是由于此時(shí)扇區(qū)中pico基站的基礎(chǔ)功耗（30 W）可以和宏基站的基礎(chǔ)功耗（130 W）相比擬，功耗的增加與基站數(shù)成正比，而頻譜效率由于受到干擾的影響，增長(zhǎng)趨勢(shì)不如功耗，因此16pico場(chǎng)景的能效反而比8pico的能效要差。

圖6 P0=30 W時(shí)不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效

可以看出不同的參數(shù)設(shè)置（如圖5和圖6所示，P0分別為6.8 W和30 W）會(huì)導(dǎo)致的能效性能趨勢(shì)。

（2）異頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能效

圖7仿真了不同pico數(shù)目下的pico用戶扇區(qū)平均頻譜效率?？梢钥闯觯S著pico數(shù)目的增加，扇區(qū)平均頻譜效率也逐漸增加。

圖7 不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)頻譜效率

圖8 和圖9分別仿真了基礎(chǔ)功耗為6.8 W和30 W情況下的pico基站的系統(tǒng)能效?？梢钥闯?，無(wú)論基礎(chǔ)功耗設(shè)置為多少，pico基站的系統(tǒng)能效都隨著部署的pico數(shù)的增加而減小。這主要是由pico基站頻譜和功耗的提升比例導(dǎo)致的。圖10仿真了4pico、8pico、16pico場(chǎng)景的頻譜效率和功耗相對(duì)于2pico場(chǎng)景提升的比例。隨著pico數(shù)的增加，頻譜效率和功耗同時(shí)增加，但是功耗的增加是頻譜效率提升的數(shù)倍（以16pico為例，功耗提升近6倍，而頻譜效率只提升1.8倍），導(dǎo)致能效降低。造成這種增加不平衡有兩個(gè)主要原因：用戶的接入方式和基站間的干擾。用戶按RSRP（reference signal received power，參考信號(hào)接收功率）準(zhǔn)則進(jìn)行接入。RSRP準(zhǔn)則是使用戶接收信噪比最大準(zhǔn)則，按RSRP方式接入有利于提高系統(tǒng)的頻譜效率，但是不一定有利于提升能效。可以通過(guò)尋找一種更合適的用戶接入方式，達(dá)到頻譜效率和能效之間的一個(gè)折中。由于基站部署在一個(gè)很小的區(qū)域中，所以隨著部署基站數(shù)的增加會(huì)使得基站間干擾十分嚴(yán)重，這樣不光使得功耗增加，還使得頻譜效率的增加并沒(méi)有預(yù)期的那么大，通過(guò)更好的資源分配來(lái)控制基站間的干擾，通過(guò)提升系統(tǒng)頻譜效率來(lái)提高能效。

圖8 P0=6.8 W時(shí)不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效

圖9 P0=30 W時(shí)不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)能效

6 結(jié)束語(yǔ)

圖10 頻譜效率和能效提升比（相對(duì)于2pico場(chǎng)景）

本文在分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中引入了能效模型和能效指標(biāo)，從系統(tǒng)級(jí)的角度分析了宏基站和異構(gòu)節(jié)點(diǎn)在同頻和異頻的場(chǎng)景下的能效性能隨異構(gòu)節(jié)點(diǎn)部署數(shù)量的變化以及不同基礎(chǔ)能耗對(duì)系統(tǒng)能效性能的影響。最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)分層異構(gòu)密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能效的優(yōu)化以及以后的研究提供了依據(jù)。

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