基于協(xié)同覆蓋的綠色無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

摘要:文章分別針對(duì)異構(gòu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景，研究基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同以及小區(qū)間的協(xié)同，減輕重復(fù)覆蓋所帶來(lái)的能效比降低問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，文章提出的基于協(xié)同覆蓋的綠色無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)能效比以及用戶(hù)接入成功率方面有較明顯的增益。

關(guān)鍵字:綠色通信；協(xié)同覆蓋；能效比；接入成功率

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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)

無(wú)線(xiàn)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(jī)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(dòng)通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)等各類(lèi)無(wú)線(xiàn)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(guó)時(shí)代”。但這些網(wǎng)絡(luò)為了追求自身利益最大化，片面強(qiáng)調(diào)各自的全面覆蓋和獨(dú)立發(fā)展，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)、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(hù)對(duì)于多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)類(lèi)型和服務(wù)質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動(dòng)性，這表明以用戶(hù)需求為核心的“個(gè)性化服務(wù)時(shí)代”的到來(lái)。如何在“通信戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”實(shí)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(hù)跨網(wǎng)服務(wù)體驗(yàn)，是需要解決的迫在眉睫的問(wèn)題。

用戶(hù)的需求和體驗(yàn)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展最重要的推動(dòng)力。從20世紀(jì)90年代個(gè)人移動(dòng)通信開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)體驗(yàn)進(jìn)行了大量的建模分析。早在2006年，中國(guó)移動(dòng)、沃達(dá)豐等七大運(yùn)營(yíng)商就發(fā)起成立了下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(NGMN)組織，致力于從用戶(hù)需求和體驗(yàn)的角度來(lái)引導(dǎo)無(wú)線(xiàn)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(hù)需求進(jìn)行合適的匹配，這推動(dòng)了多網(wǎng)協(xié)同覆蓋技術(shù)的發(fā)展。

在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外通信界重點(diǎn)針對(duì)單網(wǎng)絡(luò)下的覆蓋問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外通信界開(kāi)始針對(duì)多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問(wèn)題開(kāi)展探索，甚至開(kāi)展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)備工作。3GPP[2]針對(duì)未來(lái)的異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)下的無(wú)線(xiàn)資源管理提出了通用無(wú)線(xiàn)資源管理(CRRM)模型，通過(guò)增加CRRM服務(wù)器對(duì)融合WCDMA、GSM/EDGE等多個(gè)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(wú)線(xiàn)資源管理模式。CRRM的功能模塊可以分為兩個(gè)部分：聯(lián)合管理模塊和獨(dú)立執(zhí)行模塊。其中聯(lián)合管理模塊獨(dú)立于各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)(RAT)，是CRRM的執(zhí)行重點(diǎn)，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(shí)間調(diào)度。從項(xiàng)目支持上來(lái)看，歐盟投資2 100萬(wàn)歐元開(kāi)展了“針對(duì)發(fā)起和管理與位置無(wú)關(guān)的優(yōu)化個(gè)人服務(wù)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)II期”(DAIDALOSII)項(xiàng)目[3]，主要以用戶(hù)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(wèn)題。在日本的e-Japan計(jì)劃中，也同樣資助了多個(gè)類(lèi)似的項(xiàng)目，如“基于無(wú)線(xiàn)接入創(chuàng)新的多媒體整合網(wǎng)絡(luò)”(MIRAI)[4]等。

國(guó)際學(xué)術(shù)界近年來(lái)也紛紛撰寫(xiě)論文，闡述進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的重要性并開(kāi)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(kuò)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(hù)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(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)容量的物理極限理論[7]。

綜合以上國(guó)際學(xué)術(shù)界發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)可以看出，國(guó)際上正在開(kāi)展各種不同無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的容量分析，以及針對(duì)用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)分布進(jìn)行建模研究。另外，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量與用戶(hù)服務(wù)的匹配問(wèn)題進(jìn)行了探索，通過(guò)建立一些跨層優(yōu)化的機(jī)制來(lái)使盡量多的用戶(hù)得到滿(mǎn)意的服務(wù)體驗(yàn)。但它們?nèi)狈��?duì)網(wǎng)絡(luò)本身基礎(chǔ)信息理論的研究，對(duì)未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向沒(méi)有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)新一代無(wú)線(xiàn)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(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

文章分別分析了異構(gòu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)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(hù)與用戶(hù)、用戶(hù)與站點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)信道特性、用戶(hù)功率限制以及用戶(hù)服務(wù)需求等，借助鄰近站點(diǎn)或用戶(hù)進(jìn)行中繼、協(xié)同與分集，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)募夹g(shù)。其原理如圖1所示。圖1中用戶(hù)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(hào)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(shí)存在著的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，通過(guò)基站(或接入點(diǎn)。本文后續(xù)部分將不區(qū)分基站與接入點(diǎn)，統(tǒng)一稱(chēng)為基站)之間的相互協(xié)同，共同對(duì)被覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種無(wú)線(xiàn)用戶(hù)進(jìn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站與Wi-Fi、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)等具有熱點(diǎn)覆蓋能力的短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基站之間，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)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(guò)有線(xiàn)連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋。兩圖中的虛線(xiàn)均表示有線(xiàn)連接。