基于多小區(qū)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化研究

霍留偉++馮小龍

摘要：隨著移動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無線通信設(shè)備劇增，通信系統(tǒng)能耗也隨之增加。不斷攀升的系統(tǒng)能耗問題制約了移動(dòng)通信的發(fā)展，以基站資源塊和發(fā)射功率的最優(yōu)分配方案來提高無線通信系統(tǒng)能效（EE，Energy Efficiency，能量效率）已經(jīng)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。文章首先構(gòu)造了系統(tǒng)能效優(yōu)化的函數(shù)，采用KKT、凸優(yōu)化的算法，獲得最大的系統(tǒng)能效。然后針對(duì)系統(tǒng)能效優(yōu)化的系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的能效優(yōu)化研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。最后，對(duì)多小區(qū)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化的研究進(jìn)行了總結(jié)與分析。

關(guān)鍵詞：多小區(qū)；能效；優(yōu)化；系統(tǒng)模型

近年來，4G網(wǎng)絡(luò)的大力建設(shè)和智能終端設(shè)備的普及，刺激了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)帶寬和速率的提升，給用戶帶來了更好的數(shù)據(jù)體驗(yàn)，使得用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長和高品質(zhì)接入的需求增強(qiáng)。然而隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的縮小和安裝密度的增加，網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與運(yùn)營成本的矛盾也日益突出。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，通信信息產(chǎn)業(yè)能耗己成為全球第5大耗能產(chǎn)業(yè)，二氧化碳排放占全世界碳排放的5%。2015年中國移動(dòng)發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國移動(dòng)年耗電量在100億度左右，基站能耗占比在整個(gè)企業(yè)已超過60%，是通信產(chǎn)業(yè)能耗的主要集中部分。工作基站的耗能主要是基礎(chǔ)設(shè)施、傳輸和射頻等部分，占基站總能耗的49%～51%。無線通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接入是動(dòng)態(tài)的，潮汐效應(yīng)就是一個(gè)重要的體現(xiàn)。在空間維度上，人口密集度較大區(qū)域，如寫字樓、醫(yī)院、車站等地區(qū)流量負(fù)載較高。人口密集度小的區(qū)域，如城市郊區(qū)等數(shù)據(jù)流量負(fù)載較低。在時(shí)間維度上，工作時(shí)間段內(nèi)辦公區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重。下班時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載變輕。在夜間辦公區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)零負(fù)載的現(xiàn)象。在通信系統(tǒng)負(fù)載較低的情況下可以動(dòng)態(tài)地關(guān)閉或開啟某些基站，降低通信基站的能耗，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，參考文獻(xiàn)研究了動(dòng)態(tài)調(diào)整基站休眠（或關(guān)閉狀態(tài)）技術(shù)降低系統(tǒng)能耗的可行性，對(duì)基站休眠的研究概況進(jìn)行了綜述，文章指出基站休眠技術(shù)的節(jié)能來源于低利用率基站的固定部分能耗。

在通信系統(tǒng)負(fù)載較高的情況下，基站具有較大的用戶接入量，此時(shí)系統(tǒng)能耗主要集中在天線發(fā)射功放部分。在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源是支撐用戶與基站間通信的基礎(chǔ)性資源，多個(gè)小區(qū)共享有限的頻譜資源，直接約束著用戶的接入量。提高小區(qū)的系統(tǒng)容量是多小區(qū)頻譜效率（SE，SpectrumEfficiency）（單位：bit/s/Hz）優(yōu)化的一個(gè)重要目標(biāo)，而基站射頻的功率控制是提高頻譜復(fù)用效率和降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，為了提高邊緣小區(qū)的系統(tǒng)容量和用戶的QoS，系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO等核心技術(shù)，最大程度的復(fù)用可用頻率，但小區(qū)之間的干擾是一個(gè)最大的制約問題。干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC，Inter-Cell Interference Coordination）通過協(xié)調(diào)多小區(qū)資源塊的調(diào)度和分配，有效地降低了小區(qū)之間的干擾。小區(qū)基站資源塊分配的目標(biāo)是使系統(tǒng)的頻譜效率最大化和能量效率最大化。頻譜效率的最大化可以使系統(tǒng)容量達(dá)到最大，然而系統(tǒng)容量的提升跟基站的功率控制又是密切相關(guān)的。系統(tǒng)能效的最大化是對(duì)基站發(fā)射功率利用率的最大化，然而系統(tǒng)能效的最大化與頻譜效率的最大化又不一致。因此，兩者之間必須有一個(gè)折衷。根據(jù)香農(nóng)公式：

可知隨著基站發(fā)射功率增大，系統(tǒng)容量提高的速度將會(huì)變得非常緩慢，此時(shí)再通過增大發(fā)射天線功率來提高系統(tǒng)容量已經(jīng)沒有意義。而某個(gè)小區(qū)發(fā)射功率的提高將會(huì)在同頻段上給相鄰小區(qū)帶來更大的干擾，為了能夠高效充分的利用可用頻譜和天線發(fā)射功率，對(duì)多小區(qū)系統(tǒng)能效的研究具有非常大的意義。在5G系統(tǒng)模型的研究中，能量效率（EE，EnergyEfficiency）（單位：bits/Joule）被作為評(píng)估網(wǎng)絡(luò)效率性能的三大指標(biāo)之一。

本文主要包括3個(gè)部分，首先構(gòu)造多小區(qū)系統(tǒng)能效優(yōu)化的函數(shù)，采用KKT、凸優(yōu)化等算法，獲得最大的系統(tǒng)能效。然后針對(duì)系統(tǒng)能效優(yōu)化的系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的能效優(yōu)化研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。最后，對(duì)多小區(qū)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化進(jìn)行了總結(jié)與分析。

1 能效優(yōu)化函數(shù)的構(gòu)造

在多小區(qū)系統(tǒng)模型能效優(yōu)化中，通常將系統(tǒng)能效定義為系統(tǒng)的和速率與基站發(fā)射總功率的比值，表示為：

其中，η表示系統(tǒng)的能效。i表示小區(qū)的編號(hào)。R_i表示第i個(gè)小區(qū)的總速率。P_i表示第i個(gè)基站發(fā)射有用信號(hào)的功率。a_i表示發(fā)射信號(hào)放大器的轉(zhuǎn)化效率。P_c，i表示第i個(gè)小區(qū)在不發(fā)射信號(hào)時(shí)的固定消耗功率。第f個(gè)小區(qū)的總的發(fā)射速率R_i，可以由香農(nóng)公式計(jì)算求得，表示為：

其中n表示在小區(qū)i中子信道的編號(hào)，小區(qū)i中共N條信道。R_n代表子信道n的帶寬。n₀表示高斯白噪聲的功率密度。 在小區(qū)中子信道的發(fā)射功率，。表示小區(qū)受到的來自其他小區(qū)的干擾噪聲功率。 在滿足用戶QoS的前提下，結(jié)合能效優(yōu)化的算法，為每個(gè)用戶合理的分配系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率，得到最大的系統(tǒng)能量效率。求解系統(tǒng)最大能效值常用計(jì)算方法有分式規(guī)劃、凸優(yōu)化、max-min、對(duì)偶分解[等。

2 能效優(yōu)化系統(tǒng)模型的相關(guān)研究

系統(tǒng)模型是研究系統(tǒng)能效優(yōu)化的基礎(chǔ)，在多小區(qū)系統(tǒng)能效優(yōu)化的研究中，目前比較常用的系統(tǒng)模型有傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站模型、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型、多小區(qū)協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)等，如圖1所示。

2.1 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能效優(yōu)化系統(tǒng)模型

在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，多采用宏基站覆蓋的方式，單個(gè)小區(qū)的覆蓋面積比較大，頻率復(fù)用因子通常為3、7、9等，頻譜復(fù)用效率比較低。在4G和5G網(wǎng)絡(luò)中，為了滿足用戶高速率通信的需求，在采用OFDM和MIMO等技術(shù)的同時(shí)，也要為用戶提供更大的通信帶寬，這就要求在單個(gè)小區(qū)充分的利用頻譜資源，使頻譜復(fù)用因子盡可能的接近于1。在LTE通信系統(tǒng)中，最大帶寬可以達(dá)到20MHz，小區(qū)間的同頻干擾問題非常嚴(yán)重，為了解決此問題，3GPP標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種干擾協(xié)調(diào)方式：部分頻率復(fù)用（FFR，F(xiàn)ractional Frequency Reuse）和軟頻率復(fù)用（SFR，Soft Frequency Reuse） SFR，這兩種方式都對(duì)功率控制具有較高的要求。參考文獻(xiàn)對(duì)影響SFR和FFR能效的因子進(jìn)行了研究，通過改變影響SFR和FFR發(fā)射功率和系統(tǒng)頻譜效率的因子，對(duì)比了兩種系統(tǒng)能效的高低，并提出了影響因子的取值范圍，然而參考文獻(xiàn)中并未對(duì)兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的能效優(yōu)化算法進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)研究了FRR系統(tǒng)中最優(yōu)的能效功率控制技術(shù)，在用戶速率受限的情況下使每個(gè)小區(qū)內(nèi)單個(gè)比特的發(fā)射功率損耗最小。通過采用Dinkelbach理論，將系統(tǒng)能效的分式優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成參數(shù)規(guī)劃問題。利用KKT條件，求解出最優(yōu)的系統(tǒng)功率分配方案。結(jié)果表明，文章提出的功率控制算法可以有效的提高FFR多小區(qū)系統(tǒng)的能效。

2.2 異構(gòu)多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

用戶群體通信行為具有高密集度、高移動(dòng)性等特點(diǎn)，小區(qū)中部分區(qū)域出現(xiàn)用戶過于集中的現(xiàn)象。為了滿足用戶接入需求，同時(shí)降低系統(tǒng)能耗，小型蜂窩、飛蜂窩等作為宏蜂窩小區(qū)的補(bǔ)充，向用戶提供服務(wù)。通過在人口稠密地區(qū)或宏蜂窩小區(qū)邊緣布置小蜂窩和飛蜂窩，增加局部的用戶接入量和服務(wù)質(zhì)量，提高頻譜效率和能量效率。

參考文獻(xiàn)提出了一種基于云架構(gòu)的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由無線拉遠(yuǎn)頭（RRH，Remote Radio Heads）、室內(nèi)基帶處理單元（BBU，Base Band Unit）和高功率發(fā)射節(jié)點(diǎn)（HPN，High Power Node）構(gòu)成，RRH覆蓋范圍小、能耗低，主要為用戶提供高數(shù)據(jù)率和高QoS （Quality of Service）的接入服務(wù)，由BBU池統(tǒng)一管理。HPN覆蓋范圍廣、能耗高，部署到保證無縫覆蓋和QoS要求較低的用戶服務(wù)。HPN的數(shù)據(jù)處理中心與BBU pool進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和頻段的復(fù)用。文章結(jié)合RRH/HPN架構(gòu)方案和增強(qiáng)型的SFFR頻譜分配方案，提出了功率分配和頻譜分配的非凸目標(biāo)函數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成等價(jià)可求解的凸函數(shù)，通過lagrange對(duì)偶方法求解出最優(yōu)能效的資源塊和發(fā)射功率分配方案，并提出資源塊的比例分配是系統(tǒng)能效最優(yōu)的重要研究方向。參考文獻(xiàn)提出了一種LTE/WIAN混合架構(gòu)。在LTE的小區(qū)邊緣部分設(shè)置WLAN接入點(diǎn)，通過判斷用戶接收到來自LTE基站的下行信號(hào)門限，向LTE基站發(fā)送切換請(qǐng)求，將網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)中，來提高LTE系統(tǒng)的吞吐量和能量效率。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提出的新型網(wǎng)絡(luò)提升了用戶的系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效。

2.3 多小區(qū)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

位于小區(qū)邊緣的用戶可以接收到來自多個(gè)小區(qū)的信號(hào)，因此對(duì)接入小區(qū)具有較多的選擇，用戶可以同時(shí)接入到多個(gè)基站，這種技術(shù)稱為協(xié)作多點(diǎn)通信（CoMP，CoordinatedMultiPoint transmission）。參考文獻(xiàn)提出了一種關(guān)聯(lián)用戶的多載波聚合資源分配算法，在回程流量、用戶速率需求和基站發(fā)射功率等多個(gè)限制條件下，最大化具有權(quán)重值的能效之和，得到最大化的系統(tǒng)能效?；局g通過X2空中接口交換用戶的接入信息，邊緣小區(qū)用戶可以接入到多個(gè)基站進(jìn)行通信，協(xié)同地向用戶提供通信服務(wù)。這種系統(tǒng)模型主要考慮的是向邊緣用戶提供服務(wù)，通過減小小區(qū)間的干擾和降低基站的發(fā)射功率，來提高多小區(qū)協(xié)同的系統(tǒng)能效。

2.4 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

協(xié)作中繼通信作為一種D2D （deviceto device）的通信方式，在未來的通信應(yīng)用中具有廣闊的前景。遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸使基站和移動(dòng)用戶終端消耗大量的能量，如果用戶與基站之間有可選擇中轉(zhuǎn)的中間節(jié)點(diǎn)，用戶通過中繼節(jié)點(diǎn)與基站進(jìn)行通信，這種通信方式可以有效的降低系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的通信容量。參考文獻(xiàn)提出了一種以系統(tǒng)能效最大為目標(biāo)的單中繼分配算法。首先將一定范圍內(nèi)的空閑移動(dòng)終端作為帶選擇的中繼節(jié)點(diǎn)，計(jì)算用戶與中繼節(jié)點(diǎn)通信的能效，然后以此能效作為權(quán)值，采用最大權(quán)重匹配的方法選擇中繼節(jié)點(diǎn)，以譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息借助中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到基站。由于采用最大能效作為權(quán)值來選擇繼節(jié)點(diǎn)，使系統(tǒng)的局部能效達(dá)到了最優(yōu)，而系統(tǒng)整體能效卻不是最優(yōu)的。參考文獻(xiàn)主要對(duì)協(xié)同通信的功率分配問題進(jìn)行研究，構(gòu)建了多中繼和多接收天線功率分配的協(xié)同通信模型，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，并提出了以系統(tǒng)容量最大化為準(zhǔn)則的最優(yōu)功率分配算法，使系統(tǒng)的能效達(dá)到最大。

3 未來研究方向分析

在做能效優(yōu)化的時(shí)候，首先應(yīng)先保證用戶的QoS需求，然后再做能效的優(yōu)化。另外，由于用戶分布的時(shí)空特性，致使系統(tǒng)能效不一定能夠得到一個(gè)全局最優(yōu)的解。在多小區(qū)通信系統(tǒng)中利用能效優(yōu)化來使能量效率達(dá)到最大，在綠色通信中具有較大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

大規(guī)模MIMO技術(shù)作為物理層的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較高的頻譜利用效率，特別是可以工作在毫米波段，在5G網(wǎng)絡(luò)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的必然結(jié)果，由宏蜂窩、微蜂窩及飛蜂窩所構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提供高彈性和高能效的通信服務(wù)，大規(guī)模MIMO通過信道增益矩陣可以相對(duì)于一些分散的微蜂窩提供更高的能效和接入量，因此結(jié)合大規(guī)模MIMO技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特性來分析系統(tǒng)能效問題，是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

關(guān)于協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的能效優(yōu)化研究主要圍繞中繼節(jié)點(diǎn)的選擇、局部能效優(yōu)化等方面，而對(duì)分簇協(xié)作中繼通信的能效優(yōu)化研究相對(duì)較少。在未來可以通過將用戶進(jìn)行分簇，以簇頭作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行通信，為了減少對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗，降低給簇頭帶來的損失，可以引入懲罰因子（如簇頭流量補(bǔ)償、費(fèi)用補(bǔ)償?shù)确绞剑﹣碚{(diào)節(jié)用戶間的公平性，提高系統(tǒng)的整體能效。

4 結(jié)語

綠色通信是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和必然趨勢(shì)。通信系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為了運(yùn)營商降低成本的主要問題。在未來實(shí)現(xiàn)綠色通信方案中，綠色能源補(bǔ)償、基站休眠等技術(shù)在基站的能源提供和建耗方面具有較大的意義。而對(duì)于基站發(fā)射信號(hào)功放這部分系統(tǒng)能效的優(yōu)化應(yīng)該是綠色通信中研究的重點(diǎn)。本文對(duì)多小區(qū)無線通信能效優(yōu)化問題研究的緊迫性進(jìn)行了分析，并介紹和綜述了最近幾年多小區(qū)無線通信能效優(yōu)化模型的研究狀況。在已有研究的成果上，本文認(rèn)為，功率控制和干擾協(xié)調(diào)是能效優(yōu)化研究的重要切入點(diǎn)，通過采用凸優(yōu)化、動(dòng)態(tài)博弈等優(yōu)化算法，合理的選擇用戶接入方式、接入基站、資源塊、基站發(fā)射功率等是能效優(yōu)化研究的重點(diǎn)。SFR/FFR、大規(guī)模MIMO、協(xié)作中繼通信等作為5G網(wǎng)絡(luò)模型中潛在關(guān)鍵技術(shù)，其能效優(yōu)化的研究具有非常大的意義。