無線通信系統(tǒng)能效問題及機(jī)制分析

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摘要：針對(duì)當(dāng)前無線通信系統(tǒng)能量使用效率低下的問題，從建立合理的能效指標(biāo)和能耗模型入手，圍繞無線資源管理、網(wǎng)絡(luò)部署策略、物理層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)層面，展現(xiàn)一系列能量節(jié)省技術(shù)，并總結(jié)歸納最新的研究成果。在無線資源管理方面，闡述動(dòng)態(tài)功率控制和多無線接入?yún)f(xié)調(diào)等機(jī)制；在網(wǎng)絡(luò)部署方面，探討異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、分布式天線陣列和多跳蜂窩等機(jī)制；在物理層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，主要說明MIMO（多輸入多輸出）、OFDM（正交頻分復(fù)用）和跨層優(yōu)化機(jī)制。此外，指出該研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和今后的工作方向。

關(guān)鍵詞：無線通信；能量效率；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；資源管理；跨層優(yōu)化

引言

當(dāng)前溫室效應(yīng)和節(jié)能減排問題日益突出，其中很大一部分能耗源自信息通信技術(shù)迅猛發(fā)展帶來的大量通信設(shè)施，特別是移動(dòng)無線通信的能耗占據(jù)了很大一部分比例。巨大的能耗不僅帶來了昂貴的資本投入和資源浪費(fèi)，而且造成了巨大的環(huán)境污染，進(jìn)一步加劇了溫室效應(yīng)。此外，移動(dòng)通信用戶對(duì)于手持終端電池的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間也提出了越來越高的要求。為此，在兼顧通信容量和頻譜效率的同時(shí)提高無線通信的能量使用效率是一項(xiàng)急需解決的難題。近年來，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界針對(duì)無線通信的能量效率問題進(jìn)行了廣泛而深入的研究，開展了多個(gè)相關(guān)研究項(xiàng)目，如GreenRadio（綠色無線電），并在多個(gè)研究方向取得卓有成效的研究成果，包括低功耗電路設(shè)計(jì)、高能效功率放大器和DSP（數(shù)字信號(hào)處理）、先進(jìn)的冷卻通風(fēng)系統(tǒng)、能耗指標(biāo)和模型、微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署、中繼和協(xié)作通信、自適應(yīng)負(fù)載平衡、MIMO（多輸入多輸出）、OFDM（正交頻分復(fù)用）和高能效的資源管理機(jī)制等。本文在說明衡量無線通信能量效率指標(biāo)和能效模型的基礎(chǔ)上，探討了提高無線通信能量效率的一系列技術(shù)。

1能效指標(biāo)和模型

制定全面合理的能耗效率指標(biāo)（簡(jiǎn)稱能效指標(biāo)）直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能耗設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)和決策行為。當(dāng)前，最常用的一種能耗效率指標(biāo)是比特/焦耳，用于衡量單位能耗下系統(tǒng)吞吐量。實(shí)驗(yàn)表明，能效指標(biāo)比特/焦耳隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加，這意味著能效的提高帶來網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和時(shí)延的增加。但是，現(xiàn)有的能耗模型通常只關(guān)注傳輸功率，當(dāng)考慮收發(fā)器自身電路功耗時(shí)，優(yōu)化的能量效率需要折中考慮傳輸功耗和電路功耗，如圖1所示。此外，對(duì)于長(zhǎng)距離通信而言，傳輸功耗占據(jù)統(tǒng)治地位，此時(shí)MFSK（多進(jìn)制頻移鍵控）的能量效率高于MQAM（多進(jìn)制正交幅度調(diào)制）。反之，電路功耗居首，此時(shí)MFSK的能量效率低于MQAM。因此，通過優(yōu)化傳輸時(shí)間和調(diào)制參數(shù)，可以大大節(jié)省無線通信的能耗。同理，相關(guān)文獻(xiàn)提出了一種信道編碼調(diào)制自適應(yīng)切換機(jī)制和動(dòng)態(tài)功率分配方案來提高能量效率。另一方面，建立準(zhǔn)確的能耗模型對(duì)于評(píng)價(jià)能量效率也是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的能耗模型可以分為不考慮業(yè)務(wù)流量的靜態(tài)能量模型和考慮業(yè)務(wù)流量的動(dòng)態(tài)能量模型。研究測(cè)試表明，動(dòng)態(tài)能量模型更適合于微蜂窩基站，而靜態(tài)能量模型適用于宏蜂窩基站。此外，數(shù)據(jù)吞吐量還應(yīng)該考慮剔除控制開銷和無效的數(shù)據(jù)。由此可見，傳統(tǒng)的能耗指標(biāo)和能耗模型較為片面，急需整體全面的能效指標(biāo)和能耗模型，綜合考慮傳輸功率、電路功耗和信令開銷等。需要說明的是，設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)能量效率固然重要，還要綜合考慮頻譜效率、部署成本、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、QoS需求和用戶體驗(yàn)等諸多因素。

2能量高效的無線資源管理

能量高效的無線資源管理是降低無線系統(tǒng)能耗的一種有效方法。當(dāng)前很多部署的無線網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù)峰值負(fù)載設(shè)計(jì)的，能更好改善用戶的服務(wù)體驗(yàn)，但是在業(yè)務(wù)負(fù)載較低的時(shí)候就造成了極大的資源（能量）浪費(fèi)。針對(duì)上述問題，業(yè)界提出了動(dòng)態(tài)功率節(jié)省、基于業(yè)務(wù)負(fù)載的蜂窩小區(qū)呼吸模式以及業(yè)務(wù)意識(shí)的蜂窩激活/休眠切換機(jī)制等。但是需要注意的是，上述能耗節(jié)省機(jī)制會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量帶來不同程度的影響。與此類似，除了基站用戶，終端也可采用基于負(fù)載變化的能量節(jié)省機(jī)制，包括動(dòng)態(tài)配置帶寬、天線和載波數(shù)量。除了考慮業(yè)務(wù)負(fù)載的變化外，無線資源管理機(jī)制還應(yīng)考慮QoS（服務(wù)質(zhì)量）需求的多樣性，即服務(wù)要求差異性。隨著無線通信業(yè)務(wù)的日益豐富，通過區(qū)分業(yè)務(wù)類型并針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型采取適當(dāng)?shù)馁Y源管理機(jī)制無疑可以節(jié)省不必要的能耗，如通過適當(dāng)增加業(yè)務(wù)時(shí)延來節(jié)省能耗。舉例來說，延遲容忍網(wǎng)絡(luò)可以采用存儲(chǔ)攜帶中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略來節(jié)省時(shí)延容忍性業(yè)務(wù)的能耗。不難看出，現(xiàn)有的方案主要考慮了時(shí)域，今后的資源管理解決方案將會(huì)綜合考慮時(shí)域、頻域和空域進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括各種傳感和通信設(shè)備，有些有外供電源，有些靠電池供電，后者必須關(guān)注能耗問題。例如，傳感器用來監(jiān)測(cè)和收集居家用戶的信息，它們需要根據(jù)用戶行為的變化來調(diào)節(jié)其操作狀態(tài)。另外，管理員應(yīng)該能夠根據(jù)應(yīng)用來設(shè)置家庭設(shè)備的功率控制策略，如不同傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率和傳感器的休眠工作狀態(tài)以及傳感器的工作參數(shù)。功率管理采用休眠調(diào)度策略在不影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通度的情況下減少節(jié)點(diǎn)能耗。情景意識(shí)的功率管理子系統(tǒng)能夠了解用戶的行為規(guī)律，可以據(jù)此動(dòng)態(tài)選擇功率管理策略以減少能耗，完成信息感知和傳輸功能。當(dāng)然，管理員也可以直接發(fā)送指令進(jìn)行功率管理操作，當(dāng)用戶在房間睡覺或離開房間時(shí)，可以關(guān)掉溫濕度和燈光傳感器。情景意識(shí)功率管理的優(yōu)勢(shì)在于管理員可以根據(jù)應(yīng)用需求來定義適當(dāng)?shù)那榫安呗浴４送?，為了解決功率操作的沖突，需要根據(jù)用戶行為和應(yīng)用需求為不同的操作制定不同的優(yōu)先級(jí)?；谇榫案兄哪芰抗芾硐到y(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括傳感器驅(qū)動(dòng)程序（控制器）、情景意識(shí)能量管理器、晝夜活動(dòng)節(jié)律分析程序、情景管理器和用戶接口5個(gè)主要功能模塊。傳感器驅(qū)動(dòng)模塊控制傳感器的工作模態(tài)，包括感知和工作/休眠模式等，并且維護(hù)傳感器的當(dāng)前狀態(tài)和控制命令的相關(guān)信息，以便處理控制沖突。情景管理器通過收集傳感器的數(shù)據(jù)來獲取用戶和環(huán)境的當(dāng)前情景信息，進(jìn)行分析處理并將其存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。情景意識(shí)能量管理器根據(jù)情景信息、能量控制策略、用戶行為和應(yīng)用需求控制傳感節(jié)點(diǎn)的能量管理操作。用戶接口和用戶行為分析模塊提供用戶與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的友好界面，并學(xué)習(xí)和適應(yīng)用戶行為習(xí)慣。例如，不同用戶有不同的行為方式和習(xí)慣特點(diǎn)，基于情景感知的網(wǎng)絡(luò)能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)情景動(dòng)態(tài)適配用戶行為特征，并在盡量降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗的同時(shí)為用戶提

3能量意識(shí)的網(wǎng)絡(luò)部署策略

網(wǎng)絡(luò)部署策略是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的研究熱點(diǎn)之一，之前的工作主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，如網(wǎng)絡(luò)覆蓋、頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量。隨著能耗效率越來越重要，面向能效的網(wǎng)絡(luò)部署策略受到越來越多的關(guān)注。例如，綜合考慮能耗效率和部署成本來優(yōu)化蜂窩小區(qū)的數(shù)量和尺寸。此外，融合宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩和飛蜂窩的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)作式中繼通信方式也是值得研究的方向。在設(shè)計(jì)節(jié)能意識(shí)的網(wǎng)絡(luò)部署策略時(shí)，還應(yīng)全面考慮傳輸相關(guān)的能耗和傳輸無關(guān)的能耗，目標(biāo)是在變化的負(fù)載條件下通過優(yōu)化小區(qū)的數(shù)量、尺寸和小區(qū)間的距離，以便在獲得所需的頻譜效率目標(biāo)的前提下盡量減少能耗。盡管小尺寸蜂窩小區(qū)降低了傳輸功耗，但是同時(shí)增加了信令開銷和干擾管理問題，需要權(quán)衡考慮。另外，分離基帶單元和遠(yuǎn)程無線單元的多點(diǎn)協(xié)調(diào)傳輸技術(shù)通過優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)資源和基站位置也可一定程度上減少能耗。與此同時(shí)，最小化海量用戶終端的輻射也可進(jìn)一步降低無線網(wǎng)絡(luò)能耗。值得說明的是，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)部署必須謹(jǐn)慎考慮干擾管理和網(wǎng)絡(luò)切換策略。除了調(diào)整蜂窩小區(qū)的尺寸和規(guī)模外，通過使用中繼和協(xié)作通信技術(shù)也是改善能量效率的一種有效方法，具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面：較短的傳輸范圍減少了路徑損失，較低的傳輸功率生成較低干擾。與中繼通信不同，協(xié)作式通信通過傳輸多樣性提高了資源利用率并節(jié)省了能耗。此外，為了優(yōu)化能量效率，應(yīng)權(quán)衡選擇中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、物理層功率分配、信道接入和網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制等。需要說明的是，上述機(jī)制的增益與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒎纸M丟棄策略和流量模式緊密相關(guān)。再有，能量高效的分簇?zé)o線傳感網(wǎng)綜合考慮簇內(nèi)和簇間傳輸?shù)墓β史峙洹⒅欣^節(jié)點(diǎn)數(shù)量、分組丟失率約束和簇之間距離等諸多因素，顯著提高了能量效率。

4物理層技術(shù)和跨層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

MIMO和OFDMA（正交頻分多址接入）是移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)采用的極為關(guān)鍵的物理層技術(shù)，但是以前的工作主要關(guān)注增加網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜效率，很少考慮能量消耗。MIMO可以提供多樣性增益和空間復(fù)用增益，從而有助于增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量和減少能耗。但是，MIMO攜帶的多個(gè)天線會(huì)耗費(fèi)更多的電路功耗，因此有時(shí)MIMO并不比SISO（單輸入單輸出）更節(jié)能，特別是在傳輸距離較短的情況下。在很多實(shí)際系統(tǒng)中，用戶終端只配有一副天線，為了實(shí)現(xiàn)MI-MO，多個(gè)用戶終端協(xié)作構(gòu)成多用戶MIMO，即虛擬MIMO。但是，多用戶MIMO不可避免地要引入本地信息交換，進(jìn)而導(dǎo)致額外的能耗。OFDMA可以自適應(yīng)地將不同的正交子載波分配給適當(dāng)?shù)挠脩簦ㄈ缧诺拉h(huán)境更好的用戶），從而提高了系統(tǒng)容量。同時(shí)，由于其簡(jiǎn)單性和高頻譜效率，成為下一代無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如LTE-A（高級(jí)長(zhǎng)期演進(jìn)）首選的多址接入技術(shù)。顯然，OFDMA的多用戶多樣性不僅可以增加網(wǎng)絡(luò)容量，而且可用于減少能耗，即根據(jù)信道狀況為不同的用戶分配不同的傳輸功率。例如，信道狀態(tài)好的通信用戶所需的傳輸功率可相應(yīng)減少。但是，OFDMA在追求能量效率最大化的同時(shí)會(huì)帶來資源分配的公平性問題。此外，聯(lián)合MIMO和OFDMA機(jī)制可以獲得更高的能量效率。相關(guān)研究表明，無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)是降低能耗的一種有效方法。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的多個(gè)層次之間緊密耦合，通過采用基于跨層設(shè)計(jì)的自適應(yīng)傳輸和資源分配機(jī)制無疑能夠提高系統(tǒng)整體的能源使用效率。但是，跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)也會(huì)帶來較多的信令開銷。

5結(jié)束語

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)省關(guān)注的增加，綠色通信網(wǎng)絡(luò)已成為業(yè)界關(guān)注的研究熱點(diǎn)。本文闡述了能量高效的無線網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展路線圖，并介紹了當(dāng)前的研究工作。然后從能效指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)部署策略、網(wǎng)絡(luò)資源管理、協(xié)作通信、物理層技術(shù)和跨層設(shè)計(jì)等方面探討了改善無線網(wǎng)絡(luò)能量使用效率的相關(guān)技術(shù)和方案。

參考文獻(xiàn)

1陳志德，許力.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、優(yōu)化與可生存性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

作者：王海濤 高曉燕 劉倩 單位：南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院