霍留偉++馮小龍

摘要：隨著移動信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無線通信設(shè)備劇增，通信系統(tǒng)能耗也隨之增加。不斷攀升的系統(tǒng)能耗問題制約了移動通信的發(fā)展，以基站資源塊和發(fā)射功率的最優(yōu)分配方案來提高無線通信系統(tǒng)能效（EE，Energy Efficiency，能量效率）已經(jīng)成為當(dāng)下研究的熱點。文章首先構(gòu)造了系統(tǒng)能效優(yōu)化的函數(shù)，采用KKT、凸優(yōu)化的算法，獲得最大的系統(tǒng)能效。然后針對系統(tǒng)能效優(yōu)化的系統(tǒng)模型進行分析，對不同網(wǎng)絡(luò)場景下的能效優(yōu)化研究現(xiàn)狀進行綜述。最后，對多小區(qū)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化的研究進行了總結(jié)與分析。

關(guān)鍵詞：多小區(qū)；能效；優(yōu)化；系統(tǒng)模型

近年來，4G網(wǎng)絡(luò)的大力建設(shè)和智能終端設(shè)備的普及，刺激了移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。移動接入網(wǎng)絡(luò)帶寬和速率的提升，給用戶帶來了更好的數(shù)據(jù)體驗，使得用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長和高品質(zhì)接入的需求增強。然而隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點覆蓋范圍的縮小和安裝密度的增加，網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與運營成本的矛盾也日益突出。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，通信信息產(chǎn)業(yè)能耗己成為全球第5大耗能產(chǎn)業(yè)，二氧化碳排放占全世界碳排放的5%。2015年中國移動發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國移動年耗電量在100億度左右，基站能耗占比在整個企業(yè)已超過60%，是通信產(chǎn)業(yè)能耗的主要集中部分。工作基站的耗能主要是基礎(chǔ)設(shè)施、傳輸和射頻等部分，占基站總能耗的49%～51%。無線通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接入是動態(tài)的，潮汐效應(yīng)就是一個重要的體現(xiàn)。在空間維度上，人口密集度較大區(qū)域，如寫字樓、醫(yī)院、車站等地區(qū)流量負(fù)載較高。人口密集度小的區(qū)域，如城市郊區(qū)等數(shù)據(jù)流量負(fù)載較低。在時間維度上，工作時間段內(nèi)辦公區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重。下班時間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載變輕。在夜間辦公區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)零負(fù)載的現(xiàn)象。在通信系統(tǒng)負(fù)載較低的情況下可以動態(tài)地關(guān)閉或開啟某些基站，降低通信基站的能耗，實現(xiàn)綠色節(jié)能，參考文獻研究了動態(tài)調(diào)整基站休眠（或關(guān)閉狀態(tài)）技術(shù)降低系統(tǒng)能耗的可行性，對基站休眠的研究概況進行了綜述，文章指出基站休眠技術(shù)的節(jié)能來源于低利用率基站的固定部分能耗。

在通信系統(tǒng)負(fù)載較高的情況下，基站具有較大的用戶接入量，此時系統(tǒng)能耗主要集中在天線發(fā)射功放部分。在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源是支撐用戶與基站間通信的基礎(chǔ)性資源，多個小區(qū)共享有限的頻譜資源，直接約束著用戶的接入量。提高小區(qū)的系統(tǒng)容量是多小區(qū)頻譜效率（SE，SpectrumEfficiency）（單位：bit/s/Hz）優(yōu)化的一個重要目標(biāo)，而基站射頻的功率控制是提高頻譜復(fù)用效率和降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，為了提高邊緣小區(qū)的系統(tǒng)容量和用戶的QoS，系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO等核心技術(shù)，最大程度的復(fù)用可用頻率，但小區(qū)之間的干擾是一個最大的制約問題。干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC，Inter-Cell Interference Coordination）通過協(xié)調(diào)多小區(qū)資源塊的調(diào)度和分配，有效地降低了小區(qū)之間的干擾。小區(qū)基站資源塊分配的目標(biāo)是使系統(tǒng)的頻譜效率最大化和能量效率最大化。頻譜效率的最大化可以使系統(tǒng)容量達到最大，然而系統(tǒng)容量的提升跟基站的功率控制又是密切相關(guān)的。系統(tǒng)能效的最大化是對基站發(fā)射功率利用率的最大化，然而系統(tǒng)能效的最大化與頻譜效率的最大化又不一致。因此，兩者之間必須有一個折衷。根據(jù)香農(nóng)公式：

可知隨著基站發(fā)射功率增大，系統(tǒng)容量提高的速度將會變得非常緩慢，此時再通過增大發(fā)射天線功率來提高系統(tǒng)容量已經(jīng)沒有意義。而某個小區(qū)發(fā)射功率的提高將會在同頻段上給相鄰小區(qū)帶來更大的干擾，為了能夠高效充分的利用可用頻譜和天線發(fā)射功率，對多小區(qū)系統(tǒng)能效的研究具有非常大的意義。在5G系統(tǒng)模型的研究中，能量效率（EE，EnergyEfficiency）（單位：bits/Joule）被作為評估網(wǎng)絡(luò)效率性能的三大指標(biāo)之一。

本文主要包括3個部分，首先構(gòu)造多小區(qū)系統(tǒng)能效優(yōu)化的函數(shù)，采用KKT、凸優(yōu)化等算法，獲得最大的系統(tǒng)能效。然后針對系統(tǒng)能效優(yōu)化的系統(tǒng)模型進行分析，對不同網(wǎng)絡(luò)場景下的能效優(yōu)化研究現(xiàn)狀進行綜述。最后，對多小區(qū)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化進行了總結(jié)與分析。

1 能效優(yōu)化函數(shù)的構(gòu)造

在多小區(qū)系統(tǒng)模型能效優(yōu)化中，通常將系統(tǒng)能效定義為系統(tǒng)的和速率與基站發(fā)射總功率的比值，表示為：

其中，η表示系統(tǒng)的能效。i表示小區(qū)的編號。R_i表示第i個小區(qū)的總速率。P_i表示第i個基站發(fā)射有用信號的功率。a_i表示發(fā)射信號放大器的轉(zhuǎn)化效率。P_c，i表示第i個小區(qū)在不發(fā)射信號時的固定消耗功率。第f個小區(qū)的總的發(fā)射速率R_i，可以由香農(nóng)公式計算求得，表示為：

其中n表示在小區(qū)i中子信道的編號，小區(qū)i中共N條信道。R_n代表子信道n的帶寬。n₀表示高斯白噪聲的功率密度。 在小區(qū)中子信道的發(fā)射功率，。表示小區(qū)受到的來自其他小區(qū)的干擾噪聲功率。 在滿足用戶QoS的前提下，結(jié)合能效優(yōu)化的算法，為每個用戶合理的分配系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率，得到最大的系統(tǒng)能量效率。求解系統(tǒng)最大能效值常用計算方法有分式規(guī)劃、凸優(yōu)化、max-min、對偶分解[等。

2 能效優(yōu)化系統(tǒng)模型的相關(guān)研究

系統(tǒng)模型是研究系統(tǒng)能效優(yōu)化的基礎(chǔ)，在多小區(qū)系統(tǒng)能效優(yōu)化的研究中，目前比較常用的系統(tǒng)模型有傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站模型、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型、多小區(qū)協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)等，如圖1所示。

2.1 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能效優(yōu)化系統(tǒng)模型

在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，多采用宏基站覆蓋的方式，單個小區(qū)的覆蓋面積比較大，頻率復(fù)用因子通常為3、7、9等，頻譜復(fù)用效率比較低。在4G和5G網(wǎng)絡(luò)中，為了滿足用戶高速率通信的需求，在采用OFDM和MIMO等技術(shù)的同時，也要為用戶提供更大的通信帶寬，這就要求在單個小區(qū)充分的利用頻譜資源，使頻譜復(fù)用因子盡可能的接近于1。在LTE通信系統(tǒng)中，最大帶寬可以達到20MHz，小區(qū)間的同頻干擾問題非常嚴(yán)重，為了解決此問題，3GPP標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種干擾協(xié)調(diào)方式：部分頻率復(fù)用（FFR，F(xiàn)ractional Frequency Reuse）和軟頻率復(fù)用（SFR，Soft Frequency Reuse） SFR，這兩種方式都對功率控制具有較高的要求。參考文獻對影響SFR和FFR能效的因子進行了研究，通過改變影響SFR和FFR發(fā)射功率和系統(tǒng)頻譜效率的因子，對比了兩種系統(tǒng)能效的高低，并提出了影響因子的取值范圍，然而參考文獻中并未對兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的能效優(yōu)化算法進行研究。參考文獻研究了FRR系統(tǒng)中最優(yōu)的能效功率控制技術(shù)，在用戶速率受限的情況下使每個小區(qū)內(nèi)單個比特的發(fā)射功率損耗最小。通過采用Dinkelbach理論，將系統(tǒng)能效的分式優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成參數(shù)規(guī)劃問題。利用KKT條件，求解出最優(yōu)的系統(tǒng)功率分配方案。結(jié)果表明，文章提出的功率控制算法可以有效的提高FFR多小區(qū)系統(tǒng)的能效。

2.2 異構(gòu)多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

用戶群體通信行為具有高密集度、高移動性等特點，小區(qū)中部分區(qū)域出現(xiàn)用戶過于集中的現(xiàn)象。為了滿足用戶接入需求，同時降低系統(tǒng)能耗，小型蜂窩、飛蜂窩等作為宏蜂窩小區(qū)的補充，向用戶提供服務(wù)。通過在人口稠密地區(qū)或宏蜂窩小區(qū)邊緣布置小蜂窩和飛蜂窩，增加局部的用戶接入量和服務(wù)質(zhì)量，提高頻譜效率和能量效率。

參考文獻提出了一種基于云架構(gòu)的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由無線拉遠(yuǎn)頭（RRH，Remote Radio Heads）、室內(nèi)基帶處理單元（BBU，Base Band Unit）和高功率發(fā)射節(jié)點（HPN，High Power Node）構(gòu)成，RRH覆蓋范圍小、能耗低，主要為用戶提供高數(shù)據(jù)率和高QoS （Quality of Service）的接入服務(wù)，由BBU池統(tǒng)一管理。HPN覆蓋范圍廣、能耗高，部署到保證無縫覆蓋和QoS要求較低的用戶服務(wù)。HPN的數(shù)據(jù)處理中心與BBU pool進行通信，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和頻段的復(fù)用。文章結(jié)合RRH/HPN架構(gòu)方案和增強型的SFFR頻譜分配方案，提出了功率分配和頻譜分配的非凸目標(biāo)函數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成等價可求解的凸函數(shù)，通過lagrange對偶方法求解出最優(yōu)能效的資源塊和發(fā)射功率分配方案，并提出資源塊的比例分配是系統(tǒng)能效最優(yōu)的重要研究方向。參考文獻提出了一種LTE/WIAN混合架構(gòu)。在LTE的小區(qū)邊緣部分設(shè)置WLAN接入點，通過判斷用戶接收到來自LTE基站的下行信號門限，向LTE基站發(fā)送切換請求，將網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)中，來提高LTE系統(tǒng)的吞吐量和能量效率。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提出的新型網(wǎng)絡(luò)提升了用戶的系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效。

2.3 多小區(qū)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

位于小區(qū)邊緣的用戶可以接收到來自多個小區(qū)的信號，因此對接入小區(qū)具有較多的選擇，用戶可以同時接入到多個基站，這種技術(shù)稱為協(xié)作多點通信（CoMP，CoordinatedMultiPoint transmission）。參考文獻提出了一種關(guān)聯(lián)用戶的多載波聚合資源分配算法，在回程流量、用戶速率需求和基站發(fā)射功率等多個限制條件下，最大化具有權(quán)重值的能效之和，得到最大化的系統(tǒng)能效。基站之間通過X2空中接口交換用戶的接入信息，邊緣小區(qū)用戶可以接入到多個基站進行通信，協(xié)同地向用戶提供通信服務(wù)。這種系統(tǒng)模型主要考慮的是向邊緣用戶提供服務(wù)，通過減小小區(qū)間的干擾和降低基站的發(fā)射功率，來提高多小區(qū)協(xié)同的系統(tǒng)能效。

2.4 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化

協(xié)作中繼通信作為一種D2D （deviceto device）的通信方式，在未來的通信應(yīng)用中具有廣闊的前景。遠(yuǎn)距離信號傳輸使基站和移動用戶終端消耗大量的能量，如果用戶與基站之間有可選擇中轉(zhuǎn)的中間節(jié)點，用戶通過中繼節(jié)點與基站進行通信，這種通信方式可以有效的降低系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的通信容量。參考文獻提出了一種以系統(tǒng)能效最大為目標(biāo)的單中繼分配算法。首先將一定范圍內(nèi)的空閑移動終端作為帶選擇的中繼節(jié)點，計算用戶與中繼節(jié)點通信的能效，然后以此能效作為權(quán)值，采用最大權(quán)重匹配的方法選擇中繼節(jié)點，以譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式將發(fā)送節(jié)點的信息借助中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站。由于采用最大能效作為權(quán)值來選擇繼節(jié)點，使系統(tǒng)的局部能效達到了最優(yōu)，而系統(tǒng)整體能效卻不是最優(yōu)的。參考文獻主要對協(xié)同通信的功率分配問題進行研究，構(gòu)建了多中繼和多接收天線功率分配的協(xié)同通信模型，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，并提出了以系統(tǒng)容量最大化為準(zhǔn)則的最優(yōu)功率分配算法，使系統(tǒng)的能效達到最大。

3 未來研究方向分析

在做能效優(yōu)化的時候，首先應(yīng)先保證用戶的QoS需求，然后再做能效的優(yōu)化。另外，由于用戶分布的時空特性，致使系統(tǒng)能效不一定能夠得到一個全局最優(yōu)的解。在多小區(qū)通信系統(tǒng)中利用能效優(yōu)化來使能量效率達到最大，在綠色通信中具有較大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

大規(guī)模MIMO技術(shù)作為物理層的一項關(guān)鍵技術(shù)，具有較高的頻譜利用效率，特別是可以工作在毫米波段，在5G網(wǎng)絡(luò)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的必然結(jié)果，由宏蜂窩、微蜂窩及飛蜂窩所構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提供高彈性和高能效的通信服務(wù)，大規(guī)模MIMO通過信道增益矩陣可以相對于一些分散的微蜂窩提供更高的能效和接入量，因此結(jié)合大規(guī)模MIMO技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特性來分析系統(tǒng)能效問題，是當(dāng)下研究的熱點。

關(guān)于協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的能效優(yōu)化研究主要圍繞中繼節(jié)點的選擇、局部能效優(yōu)化等方面，而對分簇協(xié)作中繼通信的能效優(yōu)化研究相對較少。在未來可以通過將用戶進行分簇，以簇頭作為中轉(zhuǎn)節(jié)點的方式進行通信，為了減少對簇頭節(jié)點的能耗，降低給簇頭帶來的損失，可以引入懲罰因子（如簇頭流量補償、費用補償?shù)确绞剑﹣碚{(diào)節(jié)用戶間的公平性，提高系統(tǒng)的整體能效。

4 結(jié)語

綠色通信是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和必然趨勢。通信系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為了運營商降低成本的主要問題。在未來實現(xiàn)綠色通信方案中，綠色能源補償、基站休眠等技術(shù)在基站的能源提供和建耗方面具有較大的意義。而對于基站發(fā)射信號功放這部分系統(tǒng)能效的優(yōu)化應(yīng)該是綠色通信中研究的重點。本文對多小區(qū)無線通信能效優(yōu)化問題研究的緊迫性進行了分析，并介紹和綜述了最近幾年多小區(qū)無線通信能效優(yōu)化模型的研究狀況。在已有研究的成果上，本文認(rèn)為，功率控制和干擾協(xié)調(diào)是能效優(yōu)化研究的重要切入點，通過采用凸優(yōu)化、動態(tài)博弈等優(yōu)化算法，合理的選擇用戶接入方式、接入基站、資源塊、基站發(fā)射功率等是能效優(yōu)化研究的重點。SFR/FFR、大規(guī)模MIMO、協(xié)作中繼通信等作為5G網(wǎng)絡(luò)模型中潛在關(guān)鍵技術(shù)，其能效優(yōu)化的研究具有非常大的意義。