基于協(xié)同通信的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　無線網(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，蜂窩移動通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)等各類無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，形成了多網(wǎng)共存的“通信戰(zhàn)國時代”。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，用戶對于多種無線網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)類型和服務(wù)質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動性，這表明以用戶需求為核心的“個性化服務(wù)時代”的到來。如何在“通信戰(zhàn)國時代”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)化用戶跨網(wǎng)服務(wù)體驗(yàn)，是需要解決的迫在眉睫的問題。

文章分別分析了異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)場景，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)用戶與用戶、用戶與站點(diǎn)之間的無線信道特性、用戶功率限制以及用戶服務(wù)需求等，借助鄰近站點(diǎn)或用戶進(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Y。


協(xié)同通信原理

略有別于協(xié)同通信，協(xié)同覆蓋是指在同一區(qū)域同時存在著的多個網(wǎng)絡(luò)之間，通過基站(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)一稱為基站) 之間的相互協(xié)同，共同對被覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種無線用戶進(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：蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站與Wi-Fi、無線局域網(wǎng) (WLAN)等具有熱點(diǎn)覆蓋能力的短距離無線網(wǎng)絡(luò)的基站之間，通過無線連接的方式進(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，通過有線連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋。兩圖中的虛線均表示有線連接。

　
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的一種情形

同構(gòu)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣域與局域網(wǎng)絡(luò)

1.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

為滿足不斷增長的用戶需求，各種無線網(wǎng)絡(luò)被大量建設(shè)。常見的無線網(wǎng)絡(luò)有蜂窩移動通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)在給用戶帶來便利的同時也帶來一些問題。如何充分利用這些已經(jīng)存在的各種異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)以獲得服務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，并在保證一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的同時，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)總體的能量消耗，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要包括聯(lián)合無線資源管理、異構(gòu)移動性管理、安全性保證、中繼節(jié)點(diǎn)功率分配等。

聯(lián)合無線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線資源的高效利用與協(xié)調(diào)使用，是提高頻譜資源利用率和實(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋的有效手段，目前已成為新一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)(如4G/B3G)中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無線資源管理主要包括垂直切換、速率分配和聯(lián)合接納控制等功能。例如，一個多模終端同時支持寬帶碼分多址 (WCDMA)和Wi-Fi，當(dāng)從室外進(jìn)入Wi-Fi信號覆蓋較好的室內(nèi)時通過聯(lián)合無線資源管理，終端將切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)既補(bǔ)充了宏蜂窩在室內(nèi)的覆蓋，另一方面也分流了宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

從移動運(yùn)營商的角度，異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同的方案應(yīng)該傾向于以現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)為主體，無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)等短距離無線接入網(wǎng)作為補(bǔ)充部分，通過蜂窩網(wǎng)對整個通信系統(tǒng)進(jìn)行集中的控制和管理，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。這種方案能夠充分保護(hù)現(xiàn)有蜂窩無線通信系統(tǒng)的既有投資，有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時簡化未來蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而且不會影響移動運(yùn)營商當(dāng)前的市場地位。

1.2 同構(gòu)廣域與局域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

無線蜂窩網(wǎng)中，廣域和局域覆蓋有著不同的功能，共同實(shí)現(xiàn)整個目標(biāo)服務(wù)區(qū)域的無縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無線網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)早期的鋪設(shè)，重心在于解決室外覆蓋存在的問題。隨著多年來網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化能力的提高，室外覆蓋中容易出現(xiàn)的問題都已基本解決，而室內(nèi)覆蓋的問題越來越突出。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時提供覆蓋區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)覆蓋，在話務(wù)量集中的地方，設(shè)置室內(nèi)微蜂窩，同時解決覆蓋和容量問題。微蜂窩有很多特點(diǎn)，如覆蓋半徑小、發(fā)射功率較小、基站天線置于相對低的地方等，而且微蜂窩信號傳播主要沿著視線進(jìn)行，衰減小，此外微蜂窩組網(wǎng)也比較簡單。正是由于微蜂窩有著這些特點(diǎn)，為了滿足用戶需求，運(yùn)營商建設(shè)了大量的微蜂窩基站，帶來了大量的電量消耗，造成大量的溫室氣體CO2的排放。因此研究廣域、局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋技術(shù)，具有重要的價值。

1.3 協(xié)同覆蓋綠色技術(shù)

基于以上介紹可以知道，當(dāng)前中國通信行業(yè)多網(wǎng)共存的局面已經(jīng)形成。而通信行業(yè)的能耗巨大，也已經(jīng)引起各方面的重視[8]，是當(dāng)前亟待解決的一個問題。綠色通信是當(dāng)前研究的一個熱點(diǎn)。當(dāng)前無線通信網(wǎng)重復(fù)建設(shè)帶來的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化等問題，都需要綠色通信技術(shù)予以解決。

注意到當(dāng)前各種基站的固定能耗較大(能耗基本占基站滿負(fù)荷運(yùn)行時能耗的一半以上)，設(shè)計(jì)新的綠色節(jié)能技術(shù)以節(jié)省這部分能耗，對無線通信系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義?；诖?，本文并不研究低層的具體技術(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，而是從網(wǎng)絡(luò)高層進(jìn)行考慮，研究如何在協(xié)同覆蓋的前提下，通過一定的策略調(diào)配不同網(wǎng)絡(luò)下的用戶，并關(guān)掉部分網(wǎng)絡(luò)的基站以節(jié)省固定能耗，使同一區(qū)域共同存在的多種無線網(wǎng)絡(luò)的總體服務(wù)能力與該區(qū)域中用戶的總體服務(wù)需求相匹配，在滿足 QoS要求的前提下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體能耗的降低。核心思想是：在同一覆蓋區(qū)域，如果某種網(wǎng)絡(luò)能效高的基站有多余的服務(wù)能力為其他網(wǎng)絡(luò)能效低的基站下的用戶服務(wù)，可以選擇關(guān)掉能效低的基站，從而實(shí)現(xiàn)整體上的節(jié)能，并同時達(dá)到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。

對區(qū)域中S中的所有基站進(jìn)行搜索，將其服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時，關(guān)掉能效較低的基站。根據(jù)最終匹配的結(jié)果，計(jì)算區(qū)域S中網(wǎng)絡(luò)總能耗區(qū)域S內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)為Wn，其中n=1,2,…,N代表網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號;無線網(wǎng)絡(luò)Wn下每個基站的固定能耗相同，均為Jn (焦耳);無線網(wǎng)絡(luò)Wn對用戶進(jìn)行服務(wù)時，給用戶交互每比特耗能Mn (焦耳/比特);無線網(wǎng)絡(luò)Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1,2,…,N;無線網(wǎng)絡(luò)Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1,2,…,N;無線網(wǎng)絡(luò)Wn的第j個用戶的需求為D(Unk);同種基站的服務(wù)能力完全相同。

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的仿真及結(jié)果分析

為分析基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)能效比和對用戶的服務(wù)能力的提升程度，本節(jié)對兩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的情況進(jìn)行仿真。由于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)只是在基站之間交互信令時有區(qū)別，因此本節(jié)的仿真結(jié)果也同樣適用于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 仿真條件

在歸一化面積為1的正方形區(qū)域S中，存在蜂窩網(wǎng)A，以及其他短距離網(wǎng)絡(luò)B。為簡單起見，假定：

(1)A的基站100個，均勻分布于區(qū)域S中;B的基站100個存在于隨機(jī)選定的位置上。

(2)A網(wǎng)絡(luò)下的所有基站性能指標(biāo)完全相同，B網(wǎng)絡(luò)下也如此。A網(wǎng)絡(luò)中基站所能同時服務(wù)的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡(luò)下基站同時服務(wù)的用戶數(shù)為10。

技術(shù)分類： 通信 | 2010-12-21

中興通訊技術(shù) 張武雄 胡宏林 楊暘

(3)A網(wǎng)絡(luò)中單個基站在無用戶接入時的固定能耗歸一化為2，B網(wǎng)絡(luò)的單個基站固定能耗歸一化為1。

(4)A網(wǎng)絡(luò)中單個基站對每個用戶進(jìn)行服務(wù)時的邊際能耗(即每增加一個用戶后增加的能耗)歸一化為0.04，B中單個基站對每個用戶進(jìn)行服務(wù)時的邊際能耗歸一化為0.02。

(5)區(qū)域S中，A網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)依次為3 000個，B網(wǎng)絡(luò)中為1 000個。用戶位置均服從正態(tài)分布。

2.2 仿真結(jié)果及分析

圖4所示為區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)A、B的基站以及用戶的分布情況。方框代表網(wǎng)絡(luò)A的基站，均勻分布在區(qū)域中;*號代表B中的基站，位置隨機(jī)分布在區(qū)域中; 方點(diǎn)代表區(qū)域中的用戶位置。根據(jù)圖4的分布圖，對所有基站的服務(wù)能力與其所覆蓋區(qū)域的用戶需求進(jìn)行匹配。兩網(wǎng)協(xié)同后的仿真結(jié)果簡單示意如圖5、圖6所示。

區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)A

圖5顯示了區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系，其中的能量進(jìn)行了歸一化。由圖5可以看出，有協(xié)同時的能量消耗，比無協(xié)同時的能量消耗降低了8%。說明該協(xié)同覆蓋技術(shù)具有明顯的綠色節(jié)能能力。圖6顯示了網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)能力與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系。由圖中可以看出，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同后，區(qū)域S 中的無線網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)能力有很大提升。無線用戶接入率由原先的95%左右，提升到當(dāng)前的100%。網(wǎng)絡(luò)資源得到了充分的利用。

仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文研究了基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種根據(jù)基站服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同策略。該策略以節(jié)能為目的，通過網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同以及小區(qū)間的協(xié)同，在滿足用戶需求的前提下，讓能效性能高的基站在自身服務(wù)能力有剩余的情況下，為能效性能低的基站下的用戶提供服務(wù)，從而關(guān)掉部分能效低的基站，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)能效比以及用戶接入成功率方面均有較明顯的增益。