绿色无线认知供能通信网络研究

袁丽娜,张 稳,李江山

(铜仁学院 大数据学院,贵州 铜仁 554300)

0 引言

目前,全球都在关注污染物排放和能源消耗的增加。信息和通信技术(Information and Communication Technology,ICT)行业的二氧化碳足迹是2007年全球汽车碳足迹的25%,与整个航空业的碳足迹相当[1]。在ICT行业中,移动网络被认为是最大的能源用户之一。移动网络中以指数级增长的数据流量使这个问题在未来面临更大的挑战。绿色无线电研究是一个庞大而全面的领域,涵盖了高效无线接入网设计的各个层面。人们一直致力于传统的节能方法,如设计超高效的功率放大器,减少馈线损耗,并引入被动冷却。然而,这些努力是孤立的,无法从全球的角度来看待在5年或10年内节能的整体目标。因此,需要基于自上而下的体系结构、跨系统级别和协议栈联合设计的创新解决方案,这不是单打独斗就能实现的。

近年来,在业界和学术界的共同努力下,绿色研究项目在世界各地如雨后春笋般涌现。例如,欧洲框架计划7下的能源感知无线电和网络技术项目[2-3]于2010年初开始开发绿色技术。在英国,绿色无线电是2009年成立的研究中心的核心项目之一。此外,绿色触碰联盟、欧洲电信标准协会、世界无线通信解决方案联盟和第三代合作伙伴项目等标准化组织也在积极讨论能效指标和测量,研究基站级或网络级节能。本文聚焦于绿色无线电研究的基本框架,阐述了绿色设计的4个基本权衡。

1 4个基本权衡

Chen等[4]首次提出用4个基本权衡来构建基本框架,如图1所示。构成绿色研究核心的4个基本权衡如下:

图1 4种基本权衡构成绿色研究的核心

(1)频谱效率-能源效率权衡。在给定可用带宽的情况下,平衡可实现的速率和能源成本。

(2)带宽-功率权衡。在给定目标传输速率的情况下,平衡所使用的带宽和所需的功率。

(3)延迟功率权衡。平衡端到端的平均业务延迟和传输过程中消耗的平均功率。

(4)部署效率-能源效率权衡。在给定网络流量需求的情况下,平衡整个网络的部署成本、吞吐量和能源消耗。

通过这4种权衡,关键的网络性能/成本指标都串在一起。

2 从香农容量公式的角度

香农容量公式[5]为点对点加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道在最大可达传输速率R和接收功率P(r)之间建立了一个桥梁,即

(1)

其中,N0是接收端噪声功率谱密度,W是系统带宽。虽然香农开创性的公式已经为人所知超过半个世纪,但人们主要是从信道容量的角度来看待它。然而,这个公式实际上对无线点对点链路传输中与能源相关的权衡有了基本的解释。下面将正式介绍权衡的定义,并由香农容量公式预测它们的行为。以下是上述公式的等价转换,将用于描述不同的权衡。

(2)

(3)

(4)

在由香农容量公式导出的结果中,只考虑了发射功率(辐射能量)。然而,事实上,对于目前可用的任何基站,辐射到环境中用于信号传输的功率仅占其总功耗的一部分[6]。基站的总功耗与辐射功率之比称为基站效率,与理想值1相差甚远。例如,如果基站效率为10%,那么为了传输100 W的信息,大约需要900 W的额外功率来保持系统正常工作。随着技术的发展,电源效率有了很大的提高,但离理想的水平仍然很遥远(接近于1)。因此,无线网络的节能设计不仅要考虑辐射功率,还要考虑整个系统的输入功率。此外,从全网的角度进行部署效率-能源效率的权衡,正确的网络部署和运行成本模型也必不可少。

3 最新研究进展及未来发展方向

3.1 频谱效率-能源效率权衡

在现有的频谱效率-能源效率权衡关系研究中,大多数技术都集中在上行链路传输的场景,其中终端电池是关键问题。但现阶段关于下行链路传输的绿色技术还很少。此外,在绿色无线电的研究中,还没有考虑到交通类型和统计数据的影响、多用户和多小区环境等影响。下面列出了一些可能的研究问题,但并不完整。

(1)流量统计的作用:对于通信系统设计者来说,流量统计的知识是“盲目的”,因为所有的设计都以网络的最大吞吐量为目标。在未来的无线系统中,系统能力的动态调整是利用流量负载变化时变特性的一个关键特性。因此,如何利用流量统计来改善频谱效率与能源效率的取舍关系尤为重要。

(2)多用户多小区节能方案:在多用户多小区环境中,单维度的频谱效率-能源效率权衡关系不足以描述复杂的系统。干扰特性、用户选择策略和活跃用户分布动态将对频谱效率-能源效率权衡关系产生共同影响。因此,理解多用户和多单元环境下的频谱效率-能源效率权衡对于实际系统的节能设计至关重要。

3.2 带宽-功率权衡

带宽在第二代无线通信系统(如:全球移动通信系统)中得到充分利用,采用固定带宽分配方案。随着最近载波聚合技术(通用移动通信系统、长期演进等)的出现,系统可以更灵活地动态聚合未使用的频谱。理论结果表明[7-8],为了在多用户系统中获得最优能效,在考虑实际假设的情况下,联合优化带宽和功率,引发了在授权多波段系统和非授权认知系统中实际的资源分配算法设计。

带宽-功率的权衡是设计无线系统的关键因素,因为带宽和传输功率是最重要的因素。随着软件定义无线电和载波聚合等无线技术的发展,未来的通信系统将日益成熟,以支持灵活使用带宽-功率。然而,仍有许多悬而未决的问题值得进一步研究。

先进网络架构的部署可能会对带宽-功率的权衡边界产生影响。特别是合作和异构网络的部署在网络中引入了额外的基础设施节点。因此,带宽和功率规划将不同于传统的网络架构。在新的网络架构下,带宽-功率与先进资源管理算法的权衡值得进一步研究。此外,随着载波聚合和认知无线电技术的结合,联合考虑动态带宽捕获和带宽-功率权衡的跨层方法必将在未来的设计中发挥重要作用。

3.3 延迟功率权衡

从纯信息论的角度,已经从香农的容量公式中知道,延长物理层每比特的传输时间(物理层延迟)会降低传输功率。由于无线信道不时发生变化,如果能在信道条件良好时等待传输,则可以降低传输能量。这种想法类似于“注水”,也被称为机会传播。然而,这些方法并没有注意到物理层的积压。随着智能手机的普及,互联网协议电话和视频流等对延迟敏感的应用程序占据了很大一部分的移动数据量。对于延迟敏感的应用,考虑物理层延迟很重要,它受到流量到达和离开的影响。延迟直接关系到用户对服务的体验,所以在用更长的延迟换取更低的功率时,工程师需要非常小心。虽然已经有了上述的理论结果,但距离实际系统的设计还很遥远。为了填补这一空白,可以从以下主题进行研究。

(1)异构延迟需求:在实践中,系统中很可能运行着并行的业务流,每个业务流都有不同的延迟需求。这些服务队列可能属于一个用户,也可能属于多个用户。对于下行链路系统,每个服务队列的出发过程可以通过公共无线电资源调度程序耦合在一起,这使得对延迟功率权衡的描述对多用户场景更加苛刻。

(2)低复杂度控制策略:一般情况下,在流量到达动态、信道变化快的情况下,没有封闭表达式可以显示平均业务延迟与系统功耗之间的直接关系。因此,研究简化但近似的模型对于低复杂度控制策略的实际系统设计具有重要意义。

3.4 部署效率-能源效率权衡

在不久的将来,随着数据流量的急剧增长,如果继续保持传统的宏单元部署,网络在高负载下很可能无法正常工作,以下几个方面值得进一步研究。

3.4.1 回程容量限制和功耗

在现有的许多工作中,认为异构网络和协作网络是未来有前途的网络架构。设备成本低的小型单元可灵活部署,以提高区域吞吐量。此外,在密集部署中,小基站之间的距离越近,就越有利于实现基站协作等网络功能。但由于基站数量较多,回程功耗比传统部署方式要大得多。小基站之间复杂的配合也给回程传输增加了很大的负担。从这方面来看,考虑到小型电池增加了回程传输和电力消耗的成本,应该进行调查,以显示最经济和有效的方式使用小型电池。

3.4.2 按需网络管理

现今,网络是针对峰值流量负载设计的,覆盖提供和容量提供的功能紧密耦合在一起。然而,网络流量具有动态性质,表现为空间和时间的变化。一个直观的解决方案是,当一些基站提供的容量不需要时,关闭它们,再“按需”快速打开更多的基站。该方案的效率在很大程度上取决于网络架构,对于多层异构网络,本质上是高效的。目前,第三代合作伙伴项目正在讨论这个问题,研究认为如何高效地打开正确的小区是最困难的问题。

4 结语

本文对基于4个基本权衡的绿色无线电研究理论框架进行了研究;从香农容量公式的角度可知:无线网络的节能设计不仅要考虑辐射功率,还要考虑整个系统的输入功率;从最新研究进展及未来发展方向可知:在绿色无线电的研究中,还没有考虑到交通类型和统计数据、多用户和多小区环境等影响。未来将进一步思考如何利用权衡关系进行系统性能权衡及如何基于权衡关系共同设计网络架构,期望能解决无线系统未来的能源消耗挑战,为无线网络带来一个绿色的未来。