- 基于協(xié)同覆蓋的綠色無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　1.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

　　為滿足不斷增長(zhǎng)的用戶需求，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被大量建設(shè)。常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無(wú)線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)在給用戶帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題。如何充分利用這些已經(jīng)存在的各種異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以獲得服務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)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(shí)，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(wú)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(wú)線資源管理、異構(gòu)移動(dòng)性管理、安全性保證、中繼節(jié)點(diǎn)功率分配等。

　　聯(lián)合無(wú)線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如4G/B3G）中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無(wú)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(gè)多模終端同時(shí)支持寬帶碼分多址（WCDMA）和Wi-Fi，當(dāng)從室外進(jìn)入Wi-Fi信號(hào)覆蓋較好的室內(nèi)時(shí)通過(guò)聯(lián)合無(wú)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(dòng)運(yùn)營(yíng)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(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)等短距離無(wú)線接入網(wǎng)作為補(bǔ)充部分，通過(guò)蜂窩網(wǎng)對(duì)整個(gè)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(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)的既有投資，有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)簡(jiǎn)化未來(lái)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而且不會(huì)影響移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前的市場(chǎng)地位。

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

　　無(wú)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(gè)目標(biāo)服務(wù)區(qū)域的無(wú)縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無(wú)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(wèn)題。隨著多年來(lái)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(wèn)題都已基本解決，而室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題越來(lái)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(shí)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(shí)解決覆蓋和容量問(wèn)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(duì)低的地方等，而且微蜂窩信號(hào)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(jiǎn)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(yíng)商建設(shè)了大量的微蜂窩基站，帶來(lái)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(jià)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(guó)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(gè)問(wèn)題。綠色通信是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)重復(fù)建設(shè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化等問(wèn)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(shí)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(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義?；诖耍疚牟⒉谎芯康蛯拥木唧w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(guò)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(wú)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(shí)達(dá)到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。

　　對(duì)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(shí)，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)總能耗為：

　　公式中，區(qū)域S內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為Wn，其中n=1，2，…，N代表網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下每個(gè)基站的固定能耗相同，均為Jn （焦耳）；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn對(duì)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)，給用戶交互每比特耗能Mn （焦耳/比特）；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1，2，…，N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1，2，…，N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn的第j個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)能效比和對(duì)用戶的服務(wù)能力的提升程度，本節(jié)對(duì)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(shí)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(jiǎn)單起見(jiàn)，假定：

　?。?）A的基站100個(gè)，均勻分布于區(qū)域S中；B的基站100個(gè)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(shí)服務(wù)的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡(luò)下基站同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)為10。

　　。

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

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

　?。?）區(qū)域S中，A網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)依次為3 000個(gè)，B網(wǎng)絡(luò)中為1 000個(gè)。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(hào)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(duì)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(jiǎn)單示意如圖5、圖6所示。

　　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(shí)的能量消耗，比無(wú)協(xié)同時(shí)的能量消耗降低了8%。說(shuō)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)能力有很大提升。無(wú)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。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　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(guò)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(wú)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。