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，移動通信用戶對于手持終端電池的使用時間和待機(jī)時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，開展了多個相關(guān)研究項(xiàng)目，如GreenRadio（綠色無線電），并在多個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，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，對于長距離通信而言，傳輸功耗占據(jù)統(tǒng)治地位，此時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MFSK的能量效率低于MQAM。因此，通過優(yōu)化傳輸時間和調(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)確的能耗模型對于評價能量效率也是一個關(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)流量的動態(tài)能量模型。研究測試表明，動態(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)載較低的時候就造成了極大的資源（能量）浪費(fèi)。針對上述問題，業(yè)界提出了動態(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)制會對網(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)可以采用存儲攜帶中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略來節(jié)省時延容忍性業(yè)務(wù)的能耗。不難看出，現(xiàn)有的方案主要考慮了時域，今后的資源管理解決方案將會綜合考慮時域、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，可以關(guān)掉溫濕度和燈光傳感器。情景意識功率管理的優(yōu)勢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?。此外，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?；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)動程序（控制器）、情景意識能量管理器、晝夜活動節(jié)律分析程序、情景管理器和用戶接口5個主要功能模塊。傳感器驅(qū)動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在后臺數(shù)據(jù)庫中。情景意識能量管理器根據(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)時情景動態(tài)適配用戶行為特征，并在盡量降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗的同時為用戶提

3能量意識的網(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)能意識的網(wǎng)絡(luò)部署策略時，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，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攜帶的多個天線會耗費(fèi)更多的電路功耗，因此有時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，由于其簡單性和高頻譜效率，成為下一代無線移動網(wǎng)絡(luò)，如LTE-A（高級長期演進(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會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)也會帶來較多的信令開銷。

5結(jié)束語

隨著人們對環(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