浅析基于协同覆盖的绿色无线网络技术

邮电通信 2014-10-09 20:24:00
  无线网络技术作为信息技术重要的组成部分,孕育着新的重大突破机遇,正加速向多网共存和业务融合方向发展。在传统信息理论指导下,蜂窝移动通信网、广播网、移动互联网、无线局域网和无线传感网等各类无线网络技术迅速发展,形成了多网共存的“通信战国时代”。但这些网络为了追求自身利益最大化,片面强调各自的全面覆盖和独立发展,导致网络重复建设、资源浪费、环境污染和电磁环境恶化,投入产出能效比持续下降。随着多模智能通信终端的日益普及,用户对于多种无线网络、业务类型和服务质量的选择更具自主性、多样性和互动性,这表明以用户需求为核心的“个性化服务时代”的到来。如何在“通信战国时代”实现多网协同覆盖,提高多网下的整体能效比,优化用户跨网服务体验,是需要解决的迫在眉睫的问题。 
  用户的需求和体验是无线网络迅速发展最重要的推动力。从20世纪90年代个人移动通信开始大规模应用开始,国际学术界和工业界都对用户行为和业务体验进行了大量的建模分析。早在2006年,中国移动、沃达丰等七大运营商就发起成立了下一代移动通信网络(NGMN)组织,致力于从用户需求和体验的角度来引导无线通信网络的发展[1]。在网络容量受限的条件下,需要将网络资源与用户需求进行合适的匹配,这推动了多网协同覆盖技术的发展。 
  在20世纪90年代,国内外通信界重点针对单网络下的覆盖问题进行了长期的研究。近年来,国内外通信界开始针对多网情况下的协同覆盖问题开展探索,甚至开展相关的标准化准备工作。3GPP[2]针对未来的异构无线网络下的无线资源管理提出了通用无线资源管理(CRRM)模型,通过增加CRRM服务器对融合WCDMA、GSM/EDGE等多个无线接入网的异构网络进行全面统一的资源管理。这是一种基于紧耦合的异构网络无线资源管理模式。CRRM的功能模块可以分为两个部分:联合管理模块和独立执行模块。其中联合管理模块独立于各种无线接入技术(RAT),是CRRM的执行重点,主要执行联合接纳控制、联合切换控制、联合资源分配以及联合时间调度。从项目支持上来看,欧盟投资2 100万欧元开展了“针对发起和管理与位置无关的优化个人服务的先进网络接口设计II期”(DAIDALOSII)项目[3],主要以用户的服务需求为中心,研究在异构网络下如何优化能量分配的问题。在日本的e-Japan计划中,也同样资助了多个类似的项目,如“基于无线接入创新的多媒体整合网络”(MIRAI)[4]等。 
  国际学术界近年来也纷纷撰写论文,阐述进行多网络协同覆盖的重要性并开展相关的建模和分析。例如,麻省理工学院的D.Shah等人从信息论角度分析了网络容量的可扩展性[5]。瑞士洛桑联邦理工学院的E.Telatar等人利用多输入多输出(MIMO)信道容量获得了大型Ad Hoc网络单链路容量的上界,证明随着用户数不断增加,单链路容量上界趋于零[6]。加利福尼亚大学的Franceschetti等人首次提出了无线通信网络容量的物理极限理论[7]。 
  综合以上国际学术界发展动态和趋势可以看出,国际上正在开展各种不同无线接入网络的容量分析,以及针对用户行为和业务分布进行建模研究。另外,国际学术界和工业界都对网络能量与用户服务的匹配问题进行了探索,通过建立一些跨层优化的机制来使尽量多的用户得到满意的服务体验。但它们缺乏对网络本身基础信息理论的研究,对未来无线网络的发展方向没有一个十分清晰的认识。因此,对新一代无线网络自身发展原创性理论的全面系统研究是当前迫切需要解决的问题。 
  文章分别分析了异构的无线网络和同构的广域与局域同覆盖的无线网络场景,研究基于协同覆盖的绿色网络技术。   
  1 协同覆盖   
  协同通信是指根据用户与用户、用户与站点之间的无线信道特性、用户功率限制以及用户服务需求等,借助邻近站点或用户进行中继、协同与分集,实现可靠传输的技术。其原理如图1所示。图1中用户数据X经中继信道和直接信道发送到接收端,接收端收到合成信号Y。 
  略有别于协同通信,协同覆盖是指在同一区域同时存在着的多个网络之间,通过基站(或接入点。本文后续部分将不区分基站与接入点,统一称为基站)之间的相互协同,共同对被覆盖区域内的各种无线用户进行服务。图2显示了异构网络协同覆盖的一种情形:蜂窝移动通信网络的基站与Wi-Fi、无线局域网(WLAN)等具有热点覆盖能力的短距离无线网络的基站之间,通过无线连接的方式进行信令交互,实现网络间的互相协同。图3显示了同构的蜂窝网络的广域与局域网络之间,通过有线连接的方式进行信令交互,实现协同覆盖。两图中的虚线均表示有线连接。      
  1.1 异构网络的协同覆盖 
  为满足不断增长的用户需求,各种无线网络被大量建设。常见的无线网络有蜂窝移动通信网、WLAN、Wi-Fi、无线传感网等,这些网络在给用户带来便利的同时也带来一些问题。如何充分利用这些已经存在的各种异构的无线网络,使终端能够自由接入异构的无线网络以获得服务,实现异构无线通信网络的互联互通,并在保证一定的服务质量(QoS)的同时,节省网络总体的能量消耗,是当前的研究重点。异构无线网络协同技术的研究热点主要包括联合无线资源管理、异构移动性管理、安全性保证、中继节点功率分配等。 
联合无线资源管理能保证异构网络中无线资源的高效利用与协调使用,是提高频谱资源利用率和实现协同覆盖的有效手段,目前已成为新一代异构无线网络(如4G/B3G)中的关键技术。联合无线资源管理主要包括垂直切换、速率分配和联合接纳控制等功能。例如,一个多模终端同时支持宽带码分多址(WCDMA)和Wi-Fi,当从室外进入Wi-Fi信号覆盖较好的室内时通过联合无线资源管理,终端将切换到Wi-Fi网络。这样的网络既补充了宏蜂窝在室内的覆盖,另一方面也分流了宏蜂窝网络的负载。 
 从移动运营商的角度,异构网协同的方案应该倾向于以现有的蜂窝网为主体,无线个域网、无线局域网、无线传感器网等短距离无线接入网作为补充部分,通过蜂窝网对整个通信系统进行集中的控制和管理,以实现异构无线网络的互联互通。这种方案能够充分保护现有蜂窝无线通信系统的既有投资,有效地提高网络性能,同时简化未来蜂窝移动网络的网络设计,而且不会影响移动运营商当前的市场地位。    
  1.2 同构广域与局域网络的协同覆盖 
  无线蜂窝网中,广域和局域覆盖有着不同的功能,共同实现整个目标服务区域的无缝覆盖。局域覆盖的出现是无线网络蓬勃发展的结果。网络早期的铺设,重心在于解决室外覆盖存在的问题。随着多年来网络规划、优化能力的提高,室外覆盖中容易出现的问题都已基本解决,而室内覆盖的问题越来越突出。 
  当前实现室内覆盖的方法为:由室外宏蜂窝同时提供覆盖区域内的室内覆盖,在话务量集中的地方,设置室内微蜂窝,同时解决覆盖和容量问题。微蜂窝有很多特点,如覆盖半径小、发射功率较小、基站天线置于相对低的地方等,而且微蜂窝信号传播主要沿着视线进行,衰减小,此外微蜂窝组网也比较简单。正是由于微蜂窝有着这些特点,为了满足用户需求,运营商建设了大量的微蜂窝基站,带来了大量的电量消耗,造成大量的温室气体CO2的排放。因此研究广域、局域网络协同覆盖技术,具有重要的价值。    
  1.3 协同覆盖绿色技术 
  基于以上介绍可以知道,当前中国通信行业多网共存的局面已经形成。而通信行业的能耗巨大,也已经引起各方面的重视[8],是当前亟待解决的一个问题。绿色通信是当前研究的一个热点。当前无线通信网重复建设带来的资源浪费、环境污染和电磁环境恶化等问题,都需要绿色通信技术予以解决。 
  注意到当前各种基站的固定能耗较大(能耗基本占基站满负荷运行时能耗的一半以上),设计新的绿色节能技术以节省这部分能耗,对无线通信系统的节能有着重要意义。基于此,本文并不研究低层的具体技术以实现网络的协同工作,而是从网络高层进行考虑,研究如何在协同覆盖的前提下,通过一定的策略调配不同网络下的用户,并关掉部分网络的基站以节省固定能耗,使同一区域共同存在的多种无线网络的总体服务能力与该区域中用户的总体服务需求相匹配,在满足QoS要求的前提下,实现网络整体能耗的降低。核心思想是:在同一覆盖区域,如果某种网络能效高的基站有多余的服务能力为其他网络能效低的基站下的用户服务,可以选择关掉能效低的基站,从而实现整体上的节能,并同时达到保障服务质量的目的。 
  对区域中S中的所有基站进行搜索,将其服务能力与用户需求进行匹配,在保证用户服务质量的同时,关掉能效较低的基站。根据最终匹配的结果,计算区域S中网络总能耗为: 
  公式中,区域S内无线网络为Wn,其中n=1,2,…,N代表网络标号;无线网络Wn下每个基站的固定能耗相同,均为Jn (焦耳);无线网络Wn对用户进行服务时,给用户交互每比特耗能Mn (焦耳/比特);无线网络Wn下的基站集合为{Bnj},其中j =1,2,…,N;无线网络Wn下的用户集合为{Unk},其中k=1,2,…,N;无线网络Wn的第j个用户的需求为D(Unk);同种基站的服务能力完全相同。    
  2 异构网络协同覆盖的仿真及结果分析    
  为分析基于协同覆盖的绿色网络技术对网络能效比和对用户的服务能力的提升程度,本节对两异构网络协同覆盖的情况进行仿真。由于同构网络与异构网络只是在基站之间交互信令时有区别,因此本节的仿真结果也同样适用于同构网络。 
  2.1 仿真条件 
  在归一化面积为1的正方形区域S中,存在蜂窝网A,以及其他短距离网络B。为简单起见,假定: 
  (1)A的基站100个,均匀分布于区域S中;B的基站100个存在于随机选定的位置上。 
  (2)A网络下的所有基站性能指标完全相同,B网络下也如此。A网络中基站所能同时服务的用户数依次为40,B网络下基站同时服务的用户数为10。 
  (3)A网络中单个基站在无用户接入时的固定能耗归一化为2,B网络的单个基站固定能耗归一化为1。 
  (4)A网络中单个基站对每个用户进行服务时的边际能耗(即每增加一个用户后增加的能耗)归一化为0.04,B中单个基站对每个用户进行服务时的边际能耗归一化为0.02。 
  (5)区域S中,A网络的用户数依次为3 000个,B网络中为1 000个。用户位置均服从正态分布。    
  2.2 仿真结果及分析 
  图4所示为区域中网络A、B的基站以及用户的分布情况。方框代表网络A的基站,均匀分布在区域中;*号代表B中的基站,位置随机分布在区域中;方点代表区域中的用户位置。根据图4的分布图,对所有基站的服务能力与其所覆盖区域的用户需求进行匹配。两网协同后的仿真结果简单示意如图5、图6所示。 
  图5显示了区域内网络总体能量消耗与是否进行协同之间的关系,其中的能量进行了归一化。由图5可以看出,有协同时的能量消耗,比无协同时的能量消耗降低了8%。说明该协同覆盖技术具有明显的绿色节能能力。图6显示了网络整体服务能力与是否进行协同之间的关系。由图中可以看出,进行网络协同后,区域S中的无线网络的整体服务能力有很大提升。无线用户接入率由原先的95%左右,提升到当前的100%。网络资源得到了充分的利用。    
  3 结束语    
  本文研究了基于协同覆盖的绿色网络技术,提出了一种根据基站服务能力与用户需求进行匹配的网络协同策略。该策略以节能为目的,通过网络间的协同以及小区间的协同,在满足用户需求的前提下,让能效性能高的基站在自身服务能力有剩余的情况下,为能效性能低的基站下的用户提供服务,从而关掉部分能效低的基站,以实现节能的目的。从仿真结果可以看出,本文提出的基于协同覆盖的绿色无线网络技术在系统能效比以及用户接入成功率方面均有较明显的增益。 
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