基于協(xié)同覆蓋的綠色無線網(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(dòng)通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動(dòng)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(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，用戶對(duì)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(dòng)性，這表明以用戶需求為核心的“個(gè)性化服務(wù)時(shí)代”的到來。如何在“通信戰(zhàn)國時(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)化用戶跨網(wǎng)服務(wù)體驗(yàn)，是需要解決的迫在眉睫的問題。

　　用戶的需求和體驗(yàn)是無線網(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)通信開始大規(guī)模應(yīng)用開始，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)體驗(yàn)進(jìn)行了大量的建模分析。早在2006年，中國移動(dòng)、沃達(dá)豐等七大運(yùn)營商就發(fā)起成立了下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（NGMN）組織，致力于從用戶需求和體驗(yàn)的角度來引導(dǎo)無線通信網(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，國內(nèi)外通信界重點(diǎn)針對(duì)單網(wǎng)絡(luò)下的覆蓋問題進(jìn)行了長期的研究。近年來，國內(nèi)外通信界開始針對(duì)多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問題開展探索，甚至開展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)備工作。3GPP［2］針對(duì)未來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)下的無線資源管理提出了通用無線資源管理（CRRM）模型，通過增加CRRM服務(wù)器對(duì)融合WCDMA、GSM/EDGE等多個(gè)無線接入網(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)無線資源管理模式。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)立于各種無線接入技術(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)目支持上來看，歐盟投資2 100萬歐元開展了“針對(duì)發(fā)起和管理與位置無關(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)化能量分配的問題。在日本的e-Japan計(jì)劃中，也同樣資助了多個(gè)類似的項(xiàng)目，如“基于無線接入創(chuàng)新的多媒體整合網(wǎng)絡(luò)”（MIRAI）［4］等。

　　國際學(xué)術(shù)界近年來也紛紛撰寫論文，闡述進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的重要性并開展相關(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等人首次提出了無線通信網(wǎng)絡(luò)容量的物理極限理論［7］。

　　綜合以上國際學(xué)術(shù)界發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢可以看出，國際上正在開展各種不同無線接入網(wǎng)絡(luò)的容量分析，以及針對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)分布進(jìn)行建模研究。另外，國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量與用戶服務(wù)的匹配問題進(jìn)行了探索，通過建立一些跨層優(yōu)化的機(jī)制來使盡量多的用戶得到滿意的服務(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)未來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向沒有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)新一代無線網(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(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(duì)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(dòng)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。