绿色通信——无线中继接入网

［司徒毅 汤杰］



绿色通信
——无线中继接入网

［司徒毅 汤杰］

摘要文章结合通信事业发展现状介绍了绿色通信以及绿色无线中继接入技术，并分析了两种无线中继模型，侧重于通过合理配置无线中继系统中中继站的数量和接入位置，以使得系统能耗最优化。

关键词：绿色通信无线中继网络系统优化

司徒毅

讲师，硕士毕业于中山大学通信专业，现任职于广东轻工职业技术学院电子系，主要研究方向为无线网络规划、优化等，主要成果包括：夏季基站内的温度分析优化、TD-LTE与WLAN共存的干扰分析与组网研究等。

汤杰

中级工程师，硕士毕业于中山大学无线电物理专业，现任职于广东省电信规划设计院有限公司，负责无线网络规划、工程设计等工作。

1　引言

随着现代无线通信服务的快速发展，越来越多的用户通过手持终端设备接入无线通信网络，对服务内容的要求越来越高，使得无线通信网络的流量急剧上升。通信服务量的剧增，使得基站、终端能耗也呈急剧上升之势。尽管通信业并非国民经济领域中的高耗能行业，而且通信业带给全社会的能耗节约量是其自身能源消耗量的5倍以上，但是如果从实际数据看，这却是一个不容小觑的数值。据统计，仅仅在我国，作为国家基础设施的通信网络，从2006开始每年要消耗 200 亿千瓦时以上的电能，而且还在不断增长，2010年光是中国三大运营商用电就超过300亿千瓦时（其中中国移动一家就超过120亿），耗电总量在各行业中排名第14位。

然而，在当前的无线接入网络结构下，固定基础设施（基站）与移动台或无线接入点之间的通信存在一些固有问题：小区边缘存在着低信噪比，阴影效应引起的覆盖漏洞，使得小区部分用户的通信质量得不到满足，需要较大的发射功率。为了满足流量增长的要求，同时降低系统的能耗，根据香农定理，在网络带宽不变的情况下，我们可以通过提高系统的信噪比来改善信道，提高发送速率。从另外一个角度看，在满足链路相同传输速率的基础上，可以大大减小基站与用户站的发射功率，降低基站与用户站的耗能。

为了减小系统能耗，实现绿色通信，可以通过在固定基站与用户之间部署无线中继站，缩小通信系统点与点之间的距离，提高发射源结点的发射功率，在达到同样的数据传输速率的条件下，降低系统的能耗。同时，无线中继的部署，用短距离高速率的数据链路替换长距离低速率的链路，可以有效地绕开大部分的障碍物，从而实现信号的中继和放大，延伸无线网络的覆盖范围，通信质量得到极大提高。

2　绿色无线中继网络

为满足日益增长的用户业务需求，市区内需要铺设大量微小区基站来实现全城覆盖，天线中继网络系统可以灵活布置中继站，信息处理中心能够动态统一地实现资源分配，这不仅降低了铺设基站带来的硬件成本，同时也降低了系统的能量消耗。在绿色无线中继网络中，位于基站与用户站之间的中继站缩短了通信链路的距离，极大地提高了通信质量，降低了发射结点的发射功率。系统中新增部署的中继站虽然需要消耗一部分电能，但中继消耗的少量电能可以换来基站与终端结点能耗的极大降低，因此，从整个系统的角度来看，中继站的部署符合绿色通信的要求。

图1　传统接入网与无线中继接入网

如图1。传统无线接入网中，基站与用户站直接进行数据通信，通信链路的平均距离较长；而绿色无线接入网中，基站与无线中继进行数据通信，再由无线中继将数据转发至用户站，通信链路的平均距离较短，在相同发射功率的情况下信道拥有较高的信噪比。

3　系统模型基础

如图2为在一个基站小区中的三层次无线中继网络模型：一个基站（BS，Base Station），分布于小区周围众多的用户站（SS，Subscriber Station）以及从某些候选点中选取的中继站（RS，Relay Station）。基站的位置由运营商提前布置好，位置维持不变，用户站作为人群密集区手持终端用户的接入点，负责将其覆盖的小范围内用户接入无线网络，其位置也保持不变。中继站直接与用户站进行通信，中继站的位置从一些候选点（CP，Candidate Point）中选取，我们的目标就是从众多的候选点中选取一定数量的点作为中继站的位置点，使得无线中继接入系统符合网络规划提出的要求，这些要求可以包括：在满足系统中各用户站最低的流量要求的情况下，中继站数量尽可能少，或者已知需要布置固定数量的中继站的情况下，如何有效选取中继位置使系统的容量最大。

图2　三层次无线中继网络

图3　源、中继、终端结点

在无线中继网络系统中，将小区的总带宽B分为若干个信道，分布在小区中的多个用户站分别利用分配可使用的信道，通过相对应的中继站访问基站。因此，每一条传输链路上的基站与用户站，实质上是基本的“基站—中继站—用户站”三个结点的中继模式，对于同一个用户站来说，“基站—中继站”、“中继站—用户站”以及“基站—用户站”三条链路分配了相同的频带。

中继站采用解码转发（Decode-and-Forward，DF）技术，将接收到的数据包解调解码，并使用不同的编码将其转发至目标结点，这样“基站—中继站”与“中继站—用户站”的信道是正交信道，降低干扰的影响。

通过中继站及中继转发技术，目标结点可获得的数据速率是：

此处，有

α表示信道衰落指数；

Ps，Pr分别表示源结点、中继结点的发送功率；

dsr，dsd，drd分别表示源结点—中继、源结点—目标结点、中继—目标结点的距离；

N0表示信道接收结点的噪声；

θ（0＜ θ＜ 1）表示源结点在源结点—中继、源结点—目标结点两个信道上的功率分配比率。

4　两种无线中继模型

已知在某小区中有固定数量N个用户站，并且其分布位置已知，每个用户站都有最低的流量要求nρ，所有的用户站的最低流量需求可以用向量表示成：P=｛ ρ1，ρ2，…，ρN｝。此基站小区的总带宽为BW，按需分配给各个用户站，使得各个用户站的流量需求可以得到满足。对于布置在小区中的中继站，每个中继站覆盖一定的区域，作为该片区域中所有用户站与基站通信的传输中介。

若干个候选结点，设数量为M，中继的位置只能从这M个候选点中产生；

矩阵A=（ amn）M× N表示用户站与候选点的对应关系，其元素的值为1或者0。1表示该用户站与相应的中继进行通信，0表示该用户站不是通过相应的中继站进行通信。由于一个中继站会覆盖一定的区域，因此在矩阵中，每列的元素中只有一个值为1，该列其他元素的值为0；

向量W=（ wn）1× N表示带宽分配向量，wn为用户站SSn分配的带宽；

向量Z=（ zm）1× M表示中继站分布向量，向量元素的值为1或0。其中，1表示该候选点被选作为中继放置点，0表示未被选为中继放置点。

模型一：研究在满足用户站最低流量需求的条件下，通过布置最少量的中继站，使系统能耗降低。

模型二：研究在满足用户站最低流量需求的条件下，通过布置固定数量的中继站，使系统的容量尽可能大。在该模型中需增加新的约束条件：需要布置的固定的中继站数量K（ K＜ M）；

此两种模型，分别采用不同假设条件，采用不同的思路，从系统能耗降低和增加系统容量两个方向体现了绿色通信的目标。通过这两种模型的建立，侧重于从众多候选点中选取若干点作为中继放置点，使得系统达到最优。

5　总结

本文结合通信事业发展现状介绍了绿色通信以及绿色无线中继接入技术，并分析了两种无线中继模型，侧重于从众多候选点中选取若干点作为中继放置点，使得系统最优。问题模型一在满足用户站最低流量需求的条件下，通过布置最少量的中继站，使系统能耗降低；问题模型二在满足用户站最低流量需求的条件下，通过布置固定数量的中继站，既达到绿色通信的目的，又可提供系统容量。该问题的研究为绿色通信提供了方向，具有较好的现实意义。

参考文献

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4BinLin，Pin-HanHo，Liang-Liang XieXuemin Shen，Tapolcai J.Optimal relay station placement in broadband wireless access networks，Mobile Computing，IEEE Transactions on ，2010，9（2）: 259-269

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.013

收稿日期：（2016-04-22）