綠色無線認(rèn)知供能通信網(wǎng)絡(luò)研究

袁麗娜,張 穩(wěn),李江山

(銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院,貴州 銅仁 554300)

0 引言

目前,全球都在關(guān)注污染物排放和能源消耗的增加。信息和通信技術(shù)(Information and Communication Technology,ICT)行業(yè)的二氧化碳足跡是2007年全球汽車碳足跡的25%,與整個(gè)航空業(yè)的碳足跡相當(dāng)[1]。在ICT行業(yè)中,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是最大的能源用戶之一。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量使這個(gè)問題在未來面臨更大的挑戰(zhàn)。綠色無線電研究是一個(gè)龐大而全面的領(lǐng)域,涵蓋了高效無線接入網(wǎng)設(shè)計(jì)的各個(gè)層面。人們一直致力于傳統(tǒng)的節(jié)能方法,如設(shè)計(jì)超高效的功率放大器,減少饋線損耗,并引入被動(dòng)冷卻。然而,這些努力是孤立的,無法從全球的角度來看待在5年或10年內(nèi)節(jié)能的整體目標(biāo)。因此,需要基于自上而下的體系結(jié)構(gòu)、跨系統(tǒng)級(jí)別和協(xié)議棧聯(lián)合設(shè)計(jì)的創(chuàng)新解決方案,這不是單打獨(dú)斗就能實(shí)現(xiàn)的。

近年來,在業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同努力下,綠色研究項(xiàng)目在世界各地如雨后春筍般涌現(xiàn)。例如,歐洲框架計(jì)劃7下的能源感知無線電和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)項(xiàng)目[2-3]于2010年初開始開發(fā)綠色技術(shù)。在英國(guó),綠色無線電是2009年成立的研究中心的核心項(xiàng)目之一。此外,綠色觸碰聯(lián)盟、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、世界無線通信解決方案聯(lián)盟和第三代合作伙伴項(xiàng)目等標(biāo)準(zhǔn)化組織也在積極討論能效指標(biāo)和測(cè)量,研究基站級(jí)或網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能。本文聚焦于綠色無線電研究的基本框架,闡述了綠色設(shè)計(jì)的4個(gè)基本權(quán)衡。

1 4個(gè)基本權(quán)衡

Chen等[4]首次提出用4個(gè)基本權(quán)衡來構(gòu)建基本框架,如圖1所示。構(gòu)成綠色研究核心的4個(gè)基本權(quán)衡如下:

圖1 4種基本權(quán)衡構(gòu)成綠色研究的核心

(1)頻譜效率-能源效率權(quán)衡。在給定可用帶寬的情況下,平衡可實(shí)現(xiàn)的速率和能源成本。

(2)帶寬-功率權(quán)衡。在給定目標(biāo)傳輸速率的情況下,平衡所使用的帶寬和所需的功率。

(3)延遲功率權(quán)衡。平衡端到端的平均業(yè)務(wù)延遲和傳輸過程中消耗的平均功率。

(4)部署效率-能源效率權(quán)衡。在給定網(wǎng)絡(luò)流量需求的情況下,平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署成本、吞吐量和能源消耗。

通過這4種權(quán)衡,關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)性能/成本指標(biāo)都串在一起。

2 從香農(nóng)容量公式的角度

香農(nóng)容量公式[5]為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道在最大可達(dá)傳輸速率R和接收功率P(r)之間建立了一個(gè)橋梁,即

(1)

其中,N0是接收端噪聲功率譜密度,W是系統(tǒng)帶寬。雖然香農(nóng)開創(chuàng)性的公式已經(jīng)為人所知超過半個(gè)世紀(jì),但人們主要是從信道容量的角度來看待它。然而,這個(gè)公式實(shí)際上對(duì)無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路傳輸中與能源相關(guān)的權(quán)衡有了基本的解釋。下面將正式介紹權(quán)衡的定義,并由香農(nóng)容量公式預(yù)測(cè)它們的行為。以下是上述公式的等價(jià)轉(zhuǎn)換,將用于描述不同的權(quán)衡。

(2)

(3)

(4)

在由香農(nóng)容量公式導(dǎo)出的結(jié)果中,只考慮了發(fā)射功率(輻射能量)。然而,事實(shí)上,對(duì)于目前可用的任何基站,輻射到環(huán)境中用于信號(hào)傳輸?shù)墓β蕛H占其總功耗的一部分[6]?；镜目偣呐c輻射功率之比稱為基站效率,與理想值1相差甚遠(yuǎn)。例如,如果基站效率為10%,那么為了傳輸100 W的信息,大約需要900 W的額外功率來保持系統(tǒng)正常工作。隨著技術(shù)的發(fā)展,電源效率有了很大的提高,但離理想的水平仍然很遙遠(yuǎn)(接近于1)。因此,無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)不僅要考慮輻射功率,還要考慮整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率。此外,從全網(wǎng)的角度進(jìn)行部署效率-能源效率的權(quán)衡,正確的網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)行成本模型也必不可少。

3 最新研究進(jìn)展及未來發(fā)展方向

3.1 頻譜效率-能源效率權(quán)衡

在現(xiàn)有的頻譜效率-能源效率權(quán)衡關(guān)系研究中,大多數(shù)技術(shù)都集中在上行鏈路傳輸?shù)膱?chǎng)景,其中終端電池是關(guān)鍵問題。但現(xiàn)階段關(guān)于下行鏈路傳輸?shù)木G色技術(shù)還很少。此外,在綠色無線電的研究中,還沒有考慮到交通類型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響、多用戶和多小區(qū)環(huán)境等影響。下面列出了一些可能的研究問題,但并不完整。

(1)流量統(tǒng)計(jì)的作用:對(duì)于通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說,流量統(tǒng)計(jì)的知識(shí)是“盲目的”,因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)都以網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量為目標(biāo)。在未來的無線系統(tǒng)中,系統(tǒng)能力的動(dòng)態(tài)調(diào)整是利用流量負(fù)載變化時(shí)變特性的一個(gè)關(guān)鍵特性。因此,如何利用流量統(tǒng)計(jì)來改善頻譜效率與能源效率的取舍關(guān)系尤為重要。

(2)多用戶多小區(qū)節(jié)能方案:在多用戶多小區(qū)環(huán)境中,單維度的頻譜效率-能源效率權(quán)衡關(guān)系不足以描述復(fù)雜的系統(tǒng)。干擾特性、用戶選擇策略和活躍用戶分布動(dòng)態(tài)將對(duì)頻譜效率-能源效率權(quán)衡關(guān)系產(chǎn)生共同影響。因此,理解多用戶和多單元環(huán)境下的頻譜效率-能源效率權(quán)衡對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

3.2 帶寬-功率權(quán)衡

帶寬在第二代無線通信系統(tǒng)(如:全球移動(dòng)通信系統(tǒng))中得到充分利用,采用固定帶寬分配方案。隨著最近載波聚合技術(shù)(通用移動(dòng)通信系統(tǒng)、長(zhǎng)期演進(jìn)等)的出現(xiàn),系統(tǒng)可以更靈活地動(dòng)態(tài)聚合未使用的頻譜。理論結(jié)果表明[7-8],為了在多用戶系統(tǒng)中獲得最優(yōu)能效,在考慮實(shí)際假設(shè)的情況下,聯(lián)合優(yōu)化帶寬和功率,引發(fā)了在授權(quán)多波段系統(tǒng)和非授權(quán)認(rèn)知系統(tǒng)中實(shí)際的資源分配算法設(shè)計(jì)。

帶寬-功率的權(quán)衡是設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)的關(guān)鍵因素,因?yàn)閹捄蛡鬏敼β适亲钪匾囊蛩?。隨著軟件定義無線電和載波聚合等無線技術(shù)的發(fā)展,未來的通信系統(tǒng)將日益成熟,以支持靈活使用帶寬-功率。然而,仍有許多懸而未決的問題值得進(jìn)一步研究。

先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的部署可能會(huì)對(duì)帶寬-功率的權(quán)衡邊界產(chǎn)生影響。特別是合作和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署在網(wǎng)絡(luò)中引入了額外的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)。因此,帶寬和功率規(guī)劃將不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,帶寬-功率與先進(jìn)資源管理算法的權(quán)衡值得進(jìn)一步研究。此外,隨著載波聚合和認(rèn)知無線電技術(shù)的結(jié)合,聯(lián)合考慮動(dòng)態(tài)帶寬捕獲和帶寬-功率權(quán)衡的跨層方法必將在未來的設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。

3.3 延遲功率權(quán)衡

從純信息論的角度,已經(jīng)從香農(nóng)的容量公式中知道,延長(zhǎng)物理層每比特的傳輸時(shí)間(物理層延遲)會(huì)降低傳輸功率。由于無線信道不時(shí)發(fā)生變化,如果能在信道條件良好時(shí)等待傳輸,則可以降低傳輸能量。這種想法類似于“注水”,也被稱為機(jī)會(huì)傳播。然而,這些方法并沒有注意到物理層的積壓。隨著智能手機(jī)的普及,互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電話和視頻流等對(duì)延遲敏感的應(yīng)用程序占據(jù)了很大一部分的移動(dòng)數(shù)據(jù)量。對(duì)于延遲敏感的應(yīng)用,考慮物理層延遲很重要,它受到流量到達(dá)和離開的影響。延遲直接關(guān)系到用戶對(duì)服務(wù)的體驗(yàn),所以在用更長(zhǎng)的延遲換取更低的功率時(shí),工程師需要非常小心。雖然已經(jīng)有了上述的理論結(jié)果,但距離實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還很遙遠(yuǎn)。為了填補(bǔ)這一空白,可以從以下主題進(jìn)行研究。

(1)異構(gòu)延遲需求:在實(shí)踐中,系統(tǒng)中很可能運(yùn)行著并行的業(yè)務(wù)流,每個(gè)業(yè)務(wù)流都有不同的延遲需求。這些服務(wù)隊(duì)列可能屬于一個(gè)用戶,也可能屬于多個(gè)用戶。對(duì)于下行鏈路系統(tǒng),每個(gè)服務(wù)隊(duì)列的出發(fā)過程可以通過公共無線電資源調(diào)度程序耦合在一起,這使得對(duì)延遲功率權(quán)衡的描述對(duì)多用戶場(chǎng)景更加苛刻。

(2)低復(fù)雜度控制策略:一般情況下,在流量到達(dá)動(dòng)態(tài)、信道變化快的情況下,沒有封閉表達(dá)式可以顯示平均業(yè)務(wù)延遲與系統(tǒng)功耗之間的直接關(guān)系。因此,研究簡(jiǎn)化但近似的模型對(duì)于低復(fù)雜度控制策略的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.4 部署效率-能源效率權(quán)衡

在不久的將來,隨著數(shù)據(jù)流量的急劇增長(zhǎng),如果繼續(xù)保持傳統(tǒng)的宏單元部署,網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載下很可能無法正常工作,以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步研究。

3.4.1 回程容量限制和功耗

在現(xiàn)有的許多工作中,認(rèn)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)是未來有前途的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。設(shè)備成本低的小型單元可靈活部署,以提高區(qū)域吞吐量。此外,在密集部署中,小基站之間的距離越近,就越有利于實(shí)現(xiàn)基站協(xié)作等網(wǎng)絡(luò)功能。但由于基站數(shù)量較多,回程功耗比傳統(tǒng)部署方式要大得多。小基站之間復(fù)雜的配合也給回程傳輸增加了很大的負(fù)擔(dān)。從這方面來看,考慮到小型電池增加了回程傳輸和電力消耗的成本,應(yīng)該進(jìn)行調(diào)查,以顯示最經(jīng)濟(jì)和有效的方式使用小型電池。

3.4.2 按需網(wǎng)絡(luò)管理

現(xiàn)今,網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)峰值流量負(fù)載設(shè)計(jì)的,覆蓋提供和容量提供的功能緊密耦合在一起。然而,網(wǎng)絡(luò)流量具有動(dòng)態(tài)性質(zhì),表現(xiàn)為空間和時(shí)間的變化。一個(gè)直觀的解決方案是,當(dāng)一些基站提供的容量不需要時(shí),關(guān)閉它們,再“按需”快速打開更多的基站。該方案的效率在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),對(duì)于多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),本質(zhì)上是高效的。目前,第三代合作伙伴項(xiàng)目正在討論這個(gè)問題,研究認(rèn)為如何高效地打開正確的小區(qū)是最困難的問題。

4 結(jié)語

本文對(duì)基于4個(gè)基本權(quán)衡的綠色無線電研究理論框架進(jìn)行了研究;從香農(nóng)容量公式的角度可知:無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)不僅要考慮輻射功率,還要考慮整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率;從最新研究進(jìn)展及未來發(fā)展方向可知:在綠色無線電的研究中,還沒有考慮到交通類型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、多用戶和多小區(qū)環(huán)境等影響。未來將進(jìn)一步思考如何利用權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)性能權(quán)衡及如何基于權(quán)衡關(guān)系共同設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),期望能解決無線系統(tǒng)未來的能源消耗挑戰(zhàn),為無線網(wǎng)絡(luò)帶來一個(gè)綠色的未來。