基于多域协同的绿色无线通信系统体系构架*

陶晓明，肖 潇，陆建华

（清华大学电子工程系 北京 100084）

1 绿色无线通信

绿色通信是指在通信中融入绿色概念，“绿色”是一个涉及多领域的广泛概念，包括生态与环境的保护，功能与使用的耐用性，资源的有效利用与再生，环境的健康、安全、舒适等，其中以可持续性发展为中心内容。绿色通信狭义上说就是以人为本，通信过程中的通信辐射不对人体和环境造成污染；广义上是指节约能源、频谱等资源，保护环境[1]。

无线通信系统包括中心站（基站）、终端设备、传输线路等。随着网络规模的不断扩大，通信网络的核心设备、动力系统以及机房、基站等成倍增加，耗能巨大。据美国著名咨询机构Gartner的调查显示，对比其他行业，通信业能耗相对较高[2]。我国移动运营商每年消耗电能200亿度以上，耗电总量在各行业中排名第14位；另外，用户手机充电也是耗电的一个重要方面，据称，我国手机用户如果在充电后不能及时拔掉插销，每年额外耗电将超过20亿度[3]。按照1 kg标准煤发出3度电计算，200亿度电相当于675万吨标准煤的消耗，接近350万辆轿车行驶1年的二氧化碳排放量[4]，对环境产生较严重的影响。美国一研究数据分析了移动电话通信1000 h和从伯克利到芝加哥往返飞行会面分别对环境产生的影响，结果是为会面而旅行所产生的碳及温室气体与前者相当[5]。这个数字显而易见地解释了无线通信对于环境的影响。

目前，绿色通信相关研究已在世界范围内展开。2009年11月18日，GSM协会推出了该协会与国际气候组织（The Climate Group）合作制定的移动通信行业绿色宣言（Green Manifesto）。宣言提出，到2020年，实现该行业产生的全球温室气体排放总量较2009年减少40%。这个预测涵盖了由移动运营商控制下的所有能源消耗的排放，包括无线网络的能源消耗、建筑物能源消耗以及运输过程中的能源消耗和排放[6]。美国希望利用绿色通信建立节能环保的绿色智能交通系统[7]。韩国则计划在2012年前投入7230亿韩元用于发展绿色通信技术，包括发展低功耗通信设备、部署环保型基站、循环使用某些通信设备、促进现有网络向绿色网络转变以及创建绿色生态的通信系统[8]。除此之外，爱立信公司与韩国政府于2009年7月14日签署合作协议，双方将利用包括4G移动宽带在内的未来通信技术共同创建绿色生态的通信系统[9]。2010年初，由领先的通信业界参与者、研究机构和非政府组织成立的GreenTouch联盟，旨在确定挑战、发现和开发绿色通信解决方案，目标是在今后5年内为使通信系统与网络每比特能耗较现有水平降低1000倍所需的主要部件提供构架、规范、路线图和示范。目前，GreenTouch联盟的成员数增至包括贝尔实验室、AT&T、中国移动、华为等在内的16个成员[10]。

我国对无线通信绿色化的问题也非常重视，“十二五”期间，中国将继续大力支持节能减排和低碳技术研究，推动中国经济可持续发展[11]。中国移动运营商已制定节能减排目标，称在2012年底前实现单位业务耗电量较2008年下降20%[4]。

综上所述，通信行业的高能耗和环境污染问题越来越引起关注，特别是在全球能源和环境压力越来越大的形势下，节能减排、发展绿色无线通信势在必行。

2 发展新型无线通信系统体系构架是实现绿色通信的重要基础

通信系统体系构架涉及网络结构、传输体制及通信协议等，决定系统对功率资源、频率资源等分配使用模式，因而是研究绿色通信的关键。无线通信系统包括移动通信、城域网、局域网、个域网等，相应体系构架包括蜂窝网络构架和扁平对等网络构架等。纵观发展史，移动通信蜂窝网络构架经历了第一代到第四代的发展。第一代移动通信系统属于模拟系统，用户容量小、通信质量差、业务形式单一，仅提供语音服务，不能传输数据[12]。以20世纪90年代初兴起的GSM和采用码分多址（CDMA）技术的IS-95为代表的第二代移动通信系统全面采用了数字技术，进一步提高了系统的容量和抗干扰性能[13～16]。第三代移动通信（3G）以 CDMA为主要支撑技术[17～21]，已经商用的主流标准包括美国标准cdma2000[22]、欧洲标准WCDMA[23]和中国标准TD-SCDMA[24]。目前，第四代移动通信系统的标准化工作已接近尾声，以OFDM为主要技术的LTE（长期演进计划）相应系统即将开始商用化的进程[25]。城域网、局域网和个域网的标准包括WiMAX （IEEE 802.16系列）[26]、IEEE 802.11 系列[27]、IEEE 802.15 系列[28]等。

与蜂窝网络类似，无线通信体系构架也分为有中心构架和无中心的扁平对等网络构架，这些传统体系构架包括相应的物理构架（系统硬件、网络结构与传输体制）以及相应的逻辑构架（通信协议和软件）[29]。

传统的无线通信系统体系构架主要目标是为有效提高频谱效率并满足系统用户容量。随着用户容量的飞速增长，频谱资源受限，导致无线通信网络功耗不断增大，比如，目前正在稳步推进的3G网络，能耗随着业务量的增加而快速增加[3]。另一方面，传统构架对频谱资源的使用并未在构架层面考虑系统内与系统间的干扰管理和优化，因此在网络内和网络间形成了物理干扰和电磁污染，不仅对干扰管理与抑制造成了沉重的负担，而且影响了频谱效率的进一步提高。

当前的无线通信主流技术研究尚未融入“绿色”因素。比如：采用协作通信技术能够提高链路传输效率，但会增加相应的中继设备；采用微蜂窝技术可以提高频谱效率，但设备总量将会增加；异构网络能够实现不同网络的动态切换与无缝连接，但需要增加异构终端设备；对于更高频谱效率和更快数据传输能力的不懈追求，却在功率效率及能耗方面付出了沉重的代价。

通信行业近年来高速发展，通信技术和通信产品不断更新，设备容量呈阶跃式增长，单位体积实现的业务传输和交换容量增大，传统体系构架导致的功耗、干扰和电磁污染、自然资源占用对节能减排，发展绿色通信大目标的实现带来极大的挑战。

因此，研究绿色无线通信的一个重要方面需要从探索系统体系架构入手，通过有效合理的利用无线通信中的频谱资源、功率资源等，减少功耗、节省能源，降低干扰、排放及环境污染，进而创建新型的绿色无线通信系统体系构架。

3 多域协同是研究绿色无线通信系统体系构架的有效方法

多域协同是指空间、频率、时间、信号、功率、终端、网络等多种资源域，以及业务域和技术域的协同利用[30]。多域协同的主要特征在于：将传统的多个一维优化问题扩展为多约束、多目标、时变、多维复杂、组合优化问题，充分挖掘协同潜力，从根本上提高频谱效率；充分考虑终端、信道和网络构成的特性，通过资源、业务和技术多域协同，有效化解多用户高效共享资源时的难解问题，从根本上提高系统容量。

国家973项目 “多域协同宽带无线通信基础研究”于2007年立项。该项目围绕国家 “新一代宽带无线通信网络”重大专项等发展需求，重点面向密集用户区域和高速移动环境下高效宽带无线通信核心应用[30]。

多域协同的概念正陆续渗透到无线通信的新技术研究中，一些相关技术闪亮登场。空时频编码探索了空间、时间、频率三域协同，取得了有意义的理论成果[31]；MIMO-OFDM融合了多天线和OFDM抗多径能力，成为无线环境下提高频谱效率的有效手段[32]；针对香农信息论在讨论信道容量时只考虑了功率、带宽的关系，且大都只适用于单用户应用环境等局限，多用户网络信息理论成为研究热点，为面向多用户、多业务的资源调度与优化配置指明了方向[33]。

事实上，绿色无线通信体系构架可以整体描述为一个多域协同问题[30]：

其中，G是绿色通信体系构架的绿色效用函数，g是绿色效用度量指标，即绿色无线通信功耗、频谱效率等折中优化的综合指标；约束函数包括系统容量（R），系统服务质量保证（QoS）；函数自变量包括功率（P）、频率（F）、时 间（T）、空间（S）、业务（E）等多个域。通过研究多个域的综合协同方法，可望探索出提高绿色效用度量指标的基础理论。

研究表明，在无线通信系统中融入多域协同的思想，可以在给定资源约束的条件下，有效提高无线通信系统容量以及通信质量[30]。换言之，可以在满足系统对容量的要求以及用户对服务质量要求的前提下，通过合理调配资源，降低能耗，实现绿色无线通信系统“节约能源、频谱等资源，保护环境”的根本目的。下面举两个个实例进行说明。

（1）在基站协同研究中，通过采用多基站载波相位协同调整的方法[34]，使小区边缘用户接收到的来自各基站的干扰信号相互抵消，有效地提高蜂窝小区边缘的容量。基站协同通过调整来自多点的不同频率载波相位，探索了空间、频率、信号、网络等多域协同的方法，在一定的发射功率下，有效地提高了蜂窝小区边缘的容量。在满足一定小区边缘容量要求的前提下，可通过基站协同代替传统的增加基站发射功率的方法，有效节约基站发射功率。

（2）在中继传输研究中，通过在适当的传输距离内使用合适的中继节点对信号进行复制、调整和放大，并进行中继距离与传输时延要求的折中，实现了在一定的功率限制下延伸网络、扩大通信范围的目的。中继传输通过探索功率、时间、网络三域协同，达到了节省传输功耗、提高通信质量的目的。另外，利用协同中继节点可获得协同分集增益，实现空间、时间、业务等多域协同，进而提高系统容量和通信质量。在满足系统容量要求的前提下有效地节约了基站发射功率。

因此，多域协同是支持绿色无线通信系统体系构架的有效方法。

4 基于多域协同的绿色无线通信系统体系构架核心技术

研究基于多域协同的绿色无线通信系统体系构架所面临的难点和问题还有很多，如下：

·绿色效用函数和具体度量指标不清楚；

·绿色无线通信系统多个域的相关与协同方法不清楚；

·面向绿色通信要求优化后的系统物理构架和逻辑构架不清楚；

·绿色无线通信系统体系构架的性能评价指标不清楚。

以上这些难点都将对基于多域协同的绿色无线通信系统体系构架的研究形成阻碍。为了能够对面向绿色通信的多域协同无线通信系统进行功率效率与频谱效率的折中和综合优化，经初步分析，主要涉及以下3个方面的核心技术。

4.1 面向多域协同的绿色效用模型与优化

绿色无线通信首要问题是解决“绿色”的定义和度量，并依据该度量建立相应的绿色效用函数和给出相应的度量指标。依据度量指标，给出绿色无线通信系统的优化方法，即如何在满足系统需求的约束条件下，使无线通信系统的绿色度量指标最优或次优。具体可以围绕密集用户区域和非均匀业务分布的高效宽带无线覆盖展开，面向功率、频率、时间、空间、业务等多个域的综合协同，在满足系统容量和服务质量约束的前提下，提出具有普适性的面向多域协同的绿色效用模型，为建立具体的绿色无线通信体系构架指明优化的目标。

面向多域协同的绿色效用模型与优化重点应针对3类网络。

·面向多域协同的单一类型网络绿色效用模型与优化：单一类型网络指单独的蜂窝网、城域网、局域网、个域网。

·面向多域协同的层叠覆盖网络绿色效用模型与优化：层叠网络是指不同的异构网络覆盖相同的物理空间，比如室内的蜂窝网和局域网的覆盖等。

·融合功能网络的绿色效用模型与优化：融合功能网络是指异构网络为了满足某种业务的需求而将相应功能进行融合而形成的网络，比如通信与广播融合网络。

面向多域协同的绿色效用模型与优化将采用多级非线性组合优化的方法。第一级目标函数定位到绿色通信需侧重功率效率并兼顾功率效率与频谱效率的折中要求，即g=G(p0,b0),p0为功率效率，b0为频谱效率，第二级目标函数定位到系统可以协同和优化的资源（包括功率、频率、时间、空间）以及系统和用户的业务等多个域，即p0=P0(P,F,T,S,E,…)和 b0=B0(P,F,T,S,E,…)。以上两级目标函数均为非线性函数，从第二级到第一级目标函数采用组合优化的方法。针对不同的网络研究相应的数学模型，形成与之对应的多级目标函数 （即绿色效用函数）和绿色效用度量指标（g），为绿色通信系统体系构架研究提供清晰的目标函数。

与此同时，还需要建立绿色无线通信系统体系构架的性能评价指标，包括功耗、频谱效率、服务质量等，为构建绿色无线通信系统体系构架性能评估体系提供支撑。该性能评估体系除了能够考察绿色无线通信系统需同时兼顾功率效率与频谱效率的折中要求外，还能够考察体系构架的服务质量性能，即是否能对不同业务（实时、非实时等）能够提供相应的服务质量保证。基于以上性能综合制定性能评价指标并建立相应的性能评估体系。

4.2 面向绿色无线通信系统体系构架的多域协同与联合优化

绿色通信的体系构架优先考虑功耗，并兼顾功率效率与频谱效率的折中，因此其突出特点就是优化的目标转为功耗等绿色度量指标，系统容量转为约束条件或次优化目标。传统无线系统中可采用多资源域和业务域协同优化的方法，最大限度地提高频谱效率和系统容量。在绿色无线通信体系构架中，引入多域协同优化的方法。首先需要分析具体哪些资源域和业务域是可以联合优化的；其次针对不同的传输、网络和业务，探索相应的联合优化和资源匹配的机理和方法，具体包括以下几种。

·绿色无线传输方法：面向绿色无线通信优化指标，在无线传输层面上明确功率、频率、时间、空间和业务等多个域的协同机理以及多域协同传输的有效方法。

·绿色无线通信网络多域协同与联合优化方法：面向绿色无线通信优化指标，在无线通信系统多点对多点网络层面上，明确功率、频率、时间、空间和业务等多个域的协同机理以及多域协同网络内部组网的有效方法。

·绿色无线通信业务匹配与网络资源调度方法：明确功率、频率、时间、空间和业务等多个域在异构网络资源与业务匹配时的协同机理以及多域协同网间资源调度的有效方法。

面向绿色无线通信系统体系构架的多域协同与联合优化，应针对约束条件，具体分析具有相关性的可协同资源域。采用多域协同的方法，基于绿色函数模型进行多资源域和业务域的协同与联合优化。面向多用户、多业务发展需求，在充分分析现有无线通信系统和技术各种“边界效应”的基础上，针对绿色无线通信的特点，以空间、时间、频率、功率、终端、网络等资源综合优化利用为主线，探索面向绿色无线通信系统体系构架的多域协同无线传输方法、网络联合优化方法以及业务匹配与网络资源调度方法。面向绿色无线通信优化指标，在无线通信系统点对点无线传输、多点对多点网络、异构网络和业务匹配3个层面上，明确功率、时间、空间和业务等多个域的协同机理，探索多域协同的有效方法，从根本上有效解决宽带无线通信发展所面临的快速增长的业务量需求与功耗、干扰污染和自然资源占用等问题，以满足不断增长的业务需求。

4.3 绿色无线通信系统的物理构架和逻辑构架设计与优化

物理构架重点描述系统网络结构及传输体制等，逻辑构架指的是无线通信系统的通信协议等。传统无线通信系统简单的资源分配和不同技术的简单叠加，不利于构建资源协同环境以及面向绿色无线通信的优化目标。深化绿色无线通信的相关关键技术及方法如下。

·物理构架优化与设计：面向绿色无线通信系统的优化目标，从网络和用户两个方面设计相应的实现框架，并针对不同的业务分布，给出面向绿色通信的网络结构，根据不同网络应用进行相应的网络规划，包括硬件、传输体制、组网方式等。

·逻辑构架优化与设计：面向绿色无线通信系统的优化目标，针对不同的业务需求，给出面向绿色通信的网络协议制定原则和方法，根据不同网络应用进行相应的通信协议设计和优化，确定面向绿色通信的业务服务模式。

在面向多域协同的绿色通信效用模型与优化和面向绿色无线通信体系统系构架的多域协同与联合优化的基础上，探索绿色无线通信系统体系构架，具体包括物理构架和逻辑构架两个部分。物理构架将根据不同的网络设计拓扑和网络规划，并对系统中网络和用户的硬件进行功能设计；逻辑构架将根据不同的网络，对系统中网络和用户的协议进行设计和优化，对软件进行功能定义。在构架的设计过程中，参考传统构架的设计方法，首先根据需求定义相应的无线通信系统模型（类似OSI模型），对模型的各个层面进行详细描述。之后根据用户的业务分布和密集覆盖程度进行相应的网络规划，定义系统的硬件功能，包括基站、交换单元、无线接入点、中继、核心网、用户终端等，构成实际的系统拓扑互联。在软件部分，首先定义相应的协议栈结构，根据相应的协议栈完成协议分析和设计，特别是通信系统的控制和管理层面，使得无线通信网络始终处于可控、可管的状态，重点面向绿色无线通信系统设计相应的信令实现模式。之后，根据协议完成网络和用户软件功能的定义和描述。

5 结束语

本文根据无线通信系统中体系构架和多域协同无线通信技术的发展历程，紧跟未来无线通信行业的发展趋势，基于功率效率优先，同时兼顾功率效率及频谱效率的折中要求，对基于多域协同的无线通信系统体系框架进行了探讨，为我国发展具有自主创新、符合未来通信绿色化要求的无线通信系统体系构架理论奠定了基础。

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