無線通信系統能效問題及機制分析

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摘要：針對當前無線通信系統能量使用效率低下的問題，從建立合理的能效指標和能耗模型入手，圍繞無線資源管理、網絡部署策略、物理層技術和網絡架構等多個層面，展現一系列能量節省技術，并總結歸納最新的研究成果。在無線資源管理方面，闡述動態功率控制和多無線接入協調等機制；在網絡部署方面，探討異構網絡、分布式天線陣列和多跳蜂窩等機制；在物理層技術和網絡架構方面，主要說明MIMO（多輸入多輸出）、OFDM（正交頻分復用）和跨層優化機制。此外，指出該研究領域面臨的挑戰和今后的工作方向。

關鍵詞：無線通信；能量效率；網絡架構；資源管理；跨層優化

引言

當前溫室效應和節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迅猛發展帶來的大量通信設施，特別是移動無線通信的能耗占據了很大一部分比例。巨大的能耗不僅帶來了昂貴的資本投入和資源浪費，而且造成了巨大的環境污染，進一步加劇了溫室效應。此外，移動通信用戶對于手持終端電池的使用時間和待機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急需解決的難題。近年來，產業界和學術界針對無線通信的能量效率問題進行了廣泛而深入的研究，開展了多個相關研究項目，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，包括低功耗電路設計、高能效功率放大器和DSP（數字信號處理）、先進的冷卻通風系統、能耗指標和模型、微微蜂窩網絡部署、中繼和協作通信、自適應負載平衡、MIMO（多輸入多輸出）、OFDM（正交頻分復用）和高能效的資源管理機制等。本文在說明衡量無線通信能量效率指標和能效模型的基礎上，探討了提高無線通信能量效率的一系列技術。

1能效指標和模型

制定全面合理的能耗效率指標（簡稱能效指標）直接關系到網絡能耗設計的優化目標和決策行為。當前，最常用的一種能耗效率指標是比特/焦耳，用于衡量單位能耗下系統吞吐量。實驗表明，能效指標比特/焦耳隨著節點數量的增加而增加，這意味著能效的提高帶來網絡規模和時延的增加。但是，現有的能耗模型通常只關注傳輸功率，當考慮收發器自身電路功耗時，優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，傳輸功耗占據統治地位，此時MFSK（多進制頻移鍵控）的能量效率高于MQAM（多進制正交幅度調制）。反之，電路功耗居首，此時MFSK的能量效率低于MQAM。因此，通過優化傳輸時間和調制參數，可以大大節省無線通信的能耗。同理，相關文獻提出了一種信道編碼調制自適應切換機制和動態功率分配方案來提高能量效率。另一方面，建立準確的能耗模型對于評價能量效率也是一個關鍵的環節。例如，蜂窩網絡中的能耗模型可以分為不考慮業務流量的靜態能量模型和考慮業務流量的動態能量模型。研究測試表明，動態能量模型更適合于微蜂窩基站，而靜態能量模型適用于宏蜂窩基站。此外，數據吞吐量還應該考慮剔除控制開銷和無效的數據。由此可見，傳統的能耗指標和能耗模型較為片面，急需整體全面的能效指標和能耗模型，綜合考慮傳輸功率、電路功耗和信令開銷等。需要說明的是，設計無線通信網絡時能量效率固然重要，還要綜合考慮頻譜效率、部署成本、網絡覆蓋、QoS需求和用戶體驗等諸多因素。

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能耗的一種有效方法。當前很多部署的無線網絡都是根據峰值負載設計的，能更好改善用戶的服務體驗，但是在業務負載較低的時候就造成了極大的資源（能量）浪費。針對上述問題，業界提出了動態功率節省、基于業務負載的蜂窩小區呼吸模式以及業務意識的蜂窩激活/休眠切換機制等。但是需要注意的是，上述能耗節省機制會對網絡覆蓋和服務質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載變化的能量節省機制，包括動態配置帶寬、天線和載波數量。除了考慮業務負載的變化外，無線資源管理機制還應考慮QoS（服務質量）需求的多樣性，即服務要求差異性。隨著無線通信業務的日益豐富，通過區分業務類型并針對不同業務類型采取適當的資源管理機制無疑可以節省不必要的能耗，如通過適當增加業務時延來節省能耗。舉例來說，延遲容忍網絡可以采用存儲攜帶中繼轉發策略來節省時延容忍性業務的能耗。不難看出，現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、頻域和空域進行聯合優化。無線傳感網絡包括各種傳感和通信設備，有些有外供電源，有些靠電池供電，后者必須關注能耗問題。例如，傳感器用來監測和收集居家用戶的信息，它們需要根據用戶行為的變化來調節其操作狀態。另外，管理員應該能夠根據應用來設置家庭設備的功率控制策略，如不同傳感器采集數據的頻率和傳感器的休眠工作狀態以及傳感器的工作參數。功率管理采用休眠調度策略在不影響網絡覆蓋和連通度的情況下減少節點能耗。情景意識的功率管理子系統能夠了解用戶的行為規律，可以據此動態選擇功率管理策略以減少能耗，完成信息感知和傳輸功能。當然，管理員也可以直接發送指令進行功率管理操作，當用戶在房間睡覺或離開房間時，可以關掉溫濕度和燈光傳感器。情景意識功率管理的優勢在于管理員可以根據應用需求來定義適當的情景策略。此外，為了解決功率操作的沖突，需要根據用戶行為和應用需求為不同的操作制定不同的優先級。基于情景感知的能量管理系統架構如圖2所示，包括傳感器驅動程序（控制器）、情景意識能量管理器、晝夜活動節律分析程序、情景管理器和用戶接口5個主要功能模塊。傳感器驅動模塊控制傳感器的工作模態，包括感知和工作/休眠模式等，并且維護傳感器的當前狀態和控制命令的相關信息，以便處理控制沖突。情景管理器通過收集傳感器的數據來獲取用戶和環境的當前情景信息，進行分析處理并將其存儲在后臺數據庫中。情景意識能量管理器根據情景信息、能量控制策略、用戶行為和應用需求控制傳感節點的能量管理操作。用戶接口和用戶行為分析模塊提供用戶與網絡進行交互的友好界面，并學習和適應用戶行為習慣。例如，不同用戶有不同的行為方式和習慣特點，基于情景感知的網絡能量管理系統可以根據網絡實時情景動態適配用戶行為特征，并在盡量降低網絡整體能耗的同時為用戶提

3能量意識的網絡部署策略

網絡部署策略是蜂窩通信網絡中的研究熱點之一，之前的工作主要關注網絡性能指標，如網絡覆蓋、頻譜效率和網絡容量。隨著能耗效率越來越重要，面向能效的網絡部署策略受到越來越多的關注。例如，綜合考慮能耗效率和部署成本來優化蜂窩小區的數量和尺寸。此外，融合宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩和飛蜂窩的異構無線網絡架構和協作式中繼通信方式也是值得研究的方向。在設計節能意識的網絡部署策略時，還應全面考慮傳輸相關的能耗和傳輸無關的能耗，目標是在變化的負載條件下通過優化小區的數量、尺寸和小區間的距離，以便在獲得所需的頻譜效率目標的前提下盡量減少能耗。盡管小尺寸蜂窩小區降低了傳輸功耗，但是同時增加了信令開銷和干擾管理問題，需要權衡考慮。另外，分離基帶單元和遠程無線單元的多點協調傳輸技術通過優化無線網絡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一步降低無線網絡能耗。值得說明的是，異構無線網絡部署必須謹慎考慮干擾管理和網絡切換策略。除了調整蜂窩小區的尺寸和規模外，通過使用中繼和協作通信技術也是改善能量效率的一種有效方法，具體體現在兩個方面：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，協作式通信通過傳輸多樣性提高了資源利用率并節省了能耗。此外，為了優化能量效率，應權衡選擇中繼節點的數量、物理層功率分配、信道接入和網絡編碼機制等。需要說明的是，上述機制的增益與網絡拓撲、分組丟棄策略和流量模式緊密相關。再有，能量高效的分簇無線傳感網綜合考慮簇內和簇間傳輸的功率分配、中繼節點數量、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物理層技術和跨層網絡設計

MIMO和OFDMA（正交頻分多址接入）是移動無線網絡采用的極為關鍵的物理層技術，但是以前的工作主要關注增加網絡容量和頻譜效率，很少考慮能量消耗。MIMO可以提供多樣性增益和空間復用增益，從而有助于增加網絡吞吐量和減少能耗。但是，MIMO攜帶的多個天線會耗費更多的電路功耗，因此有時MIMO并不比SISO（單輸入單輸出）更節能，特別是在傳輸距離較短的情況下。在很多實際系統中，用戶終端只配有一副天線，為了實現MI-MO，多個用戶終端協作構成多用戶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，進而導致額外的能耗。OFDMA可以自適應地將不同的正交子載波分配給適當的用戶（如信道環境更好的用戶），從而提高了系統容量。同時，由于其簡單性和高頻譜效率，成為下一代無線移動網絡，如LTE-A（高級長期演進）首選的多址接入技術。顯然，OFDMA的多用戶多樣性不僅可以增加網絡容量，而且可用于減少能耗，即根據信道狀況為不同的用戶分配不同的傳輸功率。例如，信道狀態好的通信用戶所需的傳輸功率可相應減少。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，聯合MIMO和OFDMA機制可以獲得更高的能量效率。相關研究表明，無線網絡的跨層設計是降低能耗的一種有效方法。因為網絡協議棧的多個層次之間緊密耦合，通過采用基于跨層設計的自適應傳輸和資源分配機制無疑能夠提高系統整體的能源使用效率。但是，跨層優化設計也會帶來較多的信令開銷。

5結束語

隨著人們對環境保護和能源節省關注的增加，綠色通信網絡已成為業界關注的研究熱點。本文闡述了能量高效的無線網的技術發展路線圖，并介紹了當前的研究工作。然后從能效指標、網絡部署策略、網絡資源管理、協作通信、物理層技術和跨層設計等方面探討了改善無線網絡能量使用效率的相關技術和方案。

參考文獻

1陳志德，許力.無線傳感器網絡節能、優化與可生存性［M］.北京：電子工業出版社，2013.

作者：王海濤 高曉燕 劉倩 單位：南京審計大學金審學院