趙國(guó)剛 ，趙力強(qiáng) ，楊 鯤

（1.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安710071；（2.埃塞克斯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子工程學(xué)院 科爾切斯特 CO4 3SQ）

1 引言

在剛過(guò)去的幾年中，傳統(tǒng)的桌面計(jì)算以飛快的速度向云端轉(zhuǎn)移。此外，由于無(wú)線通信與移動(dòng)智能終端技術(shù)的快速發(fā)展，下一代無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)的一體化融合將成為可能，隨之產(chǎn)生的“移動(dòng)云計(jì)算”概念也應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)的研究將成為一項(xiàng)迫切的任務(wù)。針對(duì)移動(dòng)云計(jì)算的研究主要針對(duì)以下兩個(gè)方面。首先，解決如何調(diào)整當(dāng)前的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)使之能夠適應(yīng)移動(dòng)云應(yīng)用及其支持平臺(tái)的具體特點(diǎn)。例如，在移動(dòng)終端應(yīng)用程序的云端卸載過(guò)程中，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)必須以更多的帶寬在盡可能低的時(shí)延下，來(lái)滿足云用戶的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量（quality of experience，QoE）。更重要的是通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)云用戶服務(wù)需求。此外，以上云端卸載過(guò)程還可能涉及云應(yīng)用的識(shí)別問(wèn)題，云應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)算法之間的通信問(wèn)題。因此，如何提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息承載能力來(lái)高效地支持云應(yīng)用實(shí)現(xiàn)是一大挑戰(zhàn)。同樣，事物的作用都是相互的。另一方面，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)如何利用云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)提升自身性能？這種策略的實(shí)質(zhì)是：在一個(gè)基于云計(jì)算的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)中，把一些無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中的控制功能轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程云端來(lái)實(shí)現(xiàn)，此部分不在本文討論范圍內(nèi)。移動(dòng)云計(jì)算的宏觀體系架構(gòu)如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和寬帶無(wú)線接入技術(shù)的融合，無(wú)疑將面臨許多新的挑戰(zhàn)。在移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)中，資源約束的移動(dòng)終端必須通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入遠(yuǎn)方的云端資源。然而，無(wú)線傳輸中變化的信道質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率會(huì)大大降低用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。同時(shí)，由于系統(tǒng)頻譜資源和終端功率資源的嚴(yán)重受限，僅僅利用當(dāng)前的同構(gòu)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證移動(dòng)云計(jì)算用戶的體驗(yàn)質(zhì)量幾乎是不可能的。很顯然，需要給出新的移動(dòng)云計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提供令人滿意的移動(dòng)云服務(wù)。換言之，此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該能夠?yàn)樵朴脩籼峁└吒€(wěn)定的傳輸速率和無(wú)縫的室內(nèi)覆蓋，同時(shí)改善終端能量受限的問(wèn)題。需要強(qiáng)調(diào)的是，信息科技和工業(yè)的能源消耗在全球范圍的能源消耗中所占的比例不斷增加，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題。然而，高吞吐量的云計(jì)算無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)必將產(chǎn)生更多的能源消耗，這在經(jīng)濟(jì)上也是不可持續(xù)的。綜上可知，下一代移動(dòng)云計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)必須是高能效的。

無(wú)線通信的高能效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)作為 “綠色無(wú)線通信技術(shù)”的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，已被廣泛關(guān)注，雖然是一個(gè)公開的學(xué)術(shù)問(wèn)題，但是現(xiàn)在研究人員已經(jīng)有了一個(gè)普遍的共識(shí)，即它應(yīng)該是低功耗系統(tǒng)的代名詞。同時(shí)，被廣泛接受的描述無(wú)線通信效率的準(zhǔn)則也是一個(gè)開放的問(wèn)題。因此，本文涉及了多種當(dāng)前的效率指標(biāo)，如頻譜效率（bit/（s·Hz））、能量效率（bit/（s·Hz·W））、功率效率（bit/TENU）[1]和提出的空間傳輸效率（（bit·m）/（s·Hz·W））。

雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)原本是用來(lái)解決室內(nèi)信號(hào)覆蓋問(wèn)題的。值得注意的是，此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)縮短用戶和基站之間的距離大幅降低了能源消耗，同時(shí)大大增加了頻譜資源利用率，從而形成了下一代高能效無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)[2]。眾所周知，宏基站覆蓋范圍大，可以支持高移動(dòng)性的宏蜂窩用戶設(shè)備（MUE），同時(shí)不得不以更高的輻射功率為室內(nèi)用戶設(shè)備（UE）提供服務(wù)。但是無(wú)線信號(hào)在穿透現(xiàn)代辦公建筑的金屬涂層障礙物時(shí)，可能經(jīng)受高達(dá)30 dB的損耗，這可能會(huì)使宏基站（eNB）的能量消耗增加高達(dá)1 000倍！相反，小蜂窩基站不僅實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)無(wú)線覆蓋，而且由于成倍地增加了頻譜的復(fù)用度，因此可以大大提高系統(tǒng)吞吐量和用戶的長(zhǎng)期平均速率。同時(shí)，由于其覆蓋范圍小，小蜂窩基站能夠大幅度降低用戶設(shè)備（FUE）的發(fā)送功率。

遺憾的是，雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑將對(duì)現(xiàn)有的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響，即跨層干擾。同時(shí)相鄰的宏基站和小蜂窩基站之間也會(huì)產(chǎn)生同層和跨層干擾，因此雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)在沒(méi)有使用針對(duì)干擾的管理機(jī)制的情況下將無(wú)法高效工作[3]。針對(duì)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)，本文首先給出了一個(gè)面向移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)的管理框架，為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與云資源的高效信息交換提供了保證。進(jìn)一步，為了提高移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)的能量效率，確保移動(dòng)云用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，擴(kuò)大系統(tǒng)的最大可容用戶量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋，本文針對(duì)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)中的宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了高能效的無(wú)線資源管理算法，并且給出了快速收斂算法達(dá)到了能量效率最優(yōu)解。仿真分析闡明了此資源管理算法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)云計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)的能量效率和吞吐量的高效折中。

2 移動(dòng)云計(jì)算管理體系結(jié)構(gòu)

對(duì)于資源受限的移動(dòng)終端來(lái)說(shuō)，業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程云端接入毋庸置疑是提高數(shù)據(jù)處理能力最有效的方式。一般而言，云端資源主要用于提供極其強(qiáng)大的存儲(chǔ)服務(wù)和數(shù)據(jù)處理服務(wù)。而移動(dòng)云計(jì)算卸載技術(shù)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程云端處理的基本方法，可以將移動(dòng)終端的云業(yè)務(wù)通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)方的云端，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)云應(yīng)用和云資源的結(jié)合，從而可以增強(qiáng)移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)大大降低了移動(dòng)終端的能量消耗。遺憾的是，在未來(lái)的實(shí)際移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)中，時(shí)變的無(wú)線信道和動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在很大程度上會(huì)影響和阻礙移動(dòng)云計(jì)算卸載技術(shù)的高效實(shí)現(xiàn)。因此，必須提出基于LTE-A的宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)云計(jì)算管理體系架構(gòu)，高效地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)終端的服務(wù)。詳細(xì)地說(shuō)，此管理架構(gòu)應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)一步與移動(dòng)終端進(jìn)行協(xié)商，最終決定是否支持特定的云業(yè)務(wù)并且給出資源調(diào)度策略。在以上協(xié)商過(guò)程中，移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)必須要兼顧移動(dòng)用戶的約束和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)開銷這兩方面因素。一方面,移動(dòng)終端的能量消耗約束和業(yè)務(wù)延遲要求是云端卸載最基本的約束條件。前者是指移動(dòng)設(shè)備在卸載過(guò)程中所消耗的全部能量，比如上下行信號(hào)傳輸能耗；后者是指整個(gè)卸載過(guò)程的延遲，其中包括無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)上下行傳輸延遲、移動(dòng)終端接收計(jì)算延遲和信息云端駐留時(shí)間?；谏鲜龅臉I(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量約束參數(shù)，移動(dòng)云計(jì)算管理架構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)剩余無(wú)線資源和當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)通知用戶的服務(wù)基站來(lái)實(shí)現(xiàn)卸載任務(wù)或者拒絕。另一方面，以上協(xié)商過(guò)程會(huì)涉及多樣的系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，即系統(tǒng)效用，如系統(tǒng)吞吐量、系統(tǒng)能量效率或者系統(tǒng)能量消耗等。移動(dòng)云計(jì)算管理架構(gòu)工作原理和流程如圖2所示。

一旦無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)云終端之間的卸載協(xié)議達(dá)成，那么無(wú)線資源分配算法將盡全力保證移動(dòng)云用戶的服務(wù)質(zhì)量。高效的無(wú)線資源分配算法將決定剩余無(wú)線時(shí)頻資源塊和云業(yè)務(wù)終端之間的匹配，同時(shí)決定在每個(gè)被調(diào)度資源塊上的功率分配。在LTE-A系統(tǒng)中，信號(hào)的空間傳輸是通過(guò)一個(gè)個(gè)時(shí)隙的操作實(shí)現(xiàn)的。在每個(gè)時(shí)隙中，無(wú)線資源分配算法會(huì)充分利用時(shí)變的無(wú)線信道狀態(tài)和業(yè)務(wù)延遲狀態(tài)信息來(lái)獲得最高的性能增益。需要說(shuō)明的是，一個(gè)云業(yè)務(wù)卸載過(guò)程的延遲對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的駐留時(shí)間和上下行傳輸時(shí)間；而一個(gè)云端卸載過(guò)程的終端功率消耗對(duì)應(yīng)了所有上下行信息傳輸?shù)墓β氏?。同時(shí)，系統(tǒng)的能量消耗和無(wú)線傳輸延遲在很大程度上是受到無(wú)線資源分配限制的。

3 無(wú)線通信效率評(píng)估準(zhǔn)則

根據(jù)定義，效率是效用和所消耗資源的比率。顯然，效率的概念與效用以及資源的具體定義密切相關(guān)。在無(wú)線通信中，用戶的目標(biāo)是在給定可用資源約束下以及特定服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求下，成功將其數(shù)據(jù)分組發(fā)送到一定距離的接收端。因此，無(wú)線效用指標(biāo)應(yīng)包括成功發(fā)送的數(shù)據(jù)分組量、QoS（如吞吐量（bit/s）、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)以及分組丟失率和傳輸距離）。資源指標(biāo)應(yīng)該包括所有消耗的無(wú)線資源，包括時(shí)域、頻域、空域、碼域、功率域等。

針對(duì)無(wú)線通信效率的定義，當(dāng)今的研究者已經(jīng)做了很多工作，大部分都認(rèn)為頻譜效率和能量效率是主要的效率評(píng)估指標(biāo)[1]。頻譜效率區(qū)別于面積頻譜效率（bit/（s·MHz·km2）），后者考慮了蜂窩網(wǎng)的頻率復(fù)用因子。單鏈路頻譜效率定義為單位帶寬的比特傳輸速率，其對(duì)應(yīng)單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)中的 bit/（s·Hz）。相比之下，對(duì)多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)而言，其應(yīng)該對(duì)應(yīng)每天線bit/（s·Hz），即每根天線能夠提供的頻譜效率。面積頻譜效率（ASE）是指單位面積上蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠提供的頻譜效率。另一方面，許多針對(duì)擴(kuò)頻通信的方法是通過(guò)犧牲頻譜效率（bit/（s·Hz））以獲取更高的能量效率（bit/（s·Hz·W））。此外，參考文獻(xiàn)[1]中的功率效率是單位熱噪聲信號(hào)能量提供的比特?cái)?shù)（bit/TNEU），它可以被看作是一個(gè)增強(qiáng)型的能量效率度量。

國(guó)際無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（3rd generation partnership project）指出，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，不同的通信負(fù)載環(huán)境需要利用合理的系統(tǒng)性能準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的能量效率。在用戶分布密集市區(qū)，運(yùn)營(yíng)商面臨的主要任務(wù)是在一定的系統(tǒng)能量資源約束下接入更多的用戶，從而最大化全局用戶的吞吐量性能，這時(shí)的評(píng)估準(zhǔn)則是joule/bit。但是，針對(duì)用戶分布稀疏的市區(qū)邊緣，運(yùn)營(yíng)商面臨的主要問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮档突驹靸r(jià)和系統(tǒng)能量的條件下盡可能擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，因此評(píng)估準(zhǔn)則是W/m2。綜上可知，無(wú)線通信的目標(biāo)同時(shí)包括網(wǎng)絡(luò)承載的信息量和信息傳輸?shù)木嚯x或者覆蓋面積，并且在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下主要的通信目標(biāo)會(huì)隨之改變。本文首先定義了無(wú)線單鏈路空間傳輸效率（（bit·m）/（s·Hz·W））[4]，即單位功率、帶寬和時(shí)間成功傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)乘以傳輸距離。更進(jìn)一步，無(wú)線單鏈路空間傳輸效率將會(huì)被擴(kuò)展成為能夠反映用戶長(zhǎng)期速率的度量準(zhǔn)則。這一點(diǎn)將成為未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。同時(shí)，未來(lái)大量小蜂窩基站的部署勢(shì)必會(huì)使基站造價(jià)這一因素顯露出來(lái)，并且成為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商部署網(wǎng)絡(luò)的重要考慮因素，因此如何將空間傳輸效率的概念擴(kuò)展到小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，并且作為能夠衡量網(wǎng)絡(luò)承載信息能力的度量準(zhǔn)則也是值得研究的。

需要指出的是，任何一種無(wú)線通信效率度量決不能被歸類為低效率的，因?yàn)樵诤线m的情況下，所有的效率度量都能提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的一方面。然而，在一定的無(wú)線通信環(huán)境下，選擇不同的效率度量來(lái)優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)和適宜的度量準(zhǔn)則。此外，這些效率準(zhǔn)則有不同的數(shù)學(xué)特性，并且這些特性在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)基站部署策略和無(wú)線資源分配優(yōu)化方法中效用函數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

·頻譜效率ηs定義為單位帶寬的吞吐量，單位為bit/（s·Hz）。根據(jù)香農(nóng)信息理論，一個(gè)無(wú)線單鏈路的頻譜效率為 ηs=lb(1+γs)，其中 γs是接收端的平均信噪比。

·能量效率ηe，即頻譜效率在總功耗中的比例，單位為 bit/（s·Hz·W）。在實(shí)際的基站系統(tǒng)中，總功耗包括功率放大器的功耗、信號(hào)處理以及基站散熱扇的功耗等。

·空間傳輸效率 ηg= ηs·d，單位為（bit·m）/（s·Hz·W），其中d為發(fā)送端與接收端之間的距離。

由于信噪比是發(fā)送功率Pt以及傳輸距離的函數(shù)，所有的上述4個(gè)效率都依賴于發(fā)送功率Pt和傳輸距離d。發(fā)射功率越高或者傳輸距離越短，接收機(jī)的信噪比越高，從而頻譜效率越高。能量效率是關(guān)于傳輸距離的單調(diào)減函數(shù)，同時(shí)是關(guān)于傳輸功率的凸函數(shù)，因此存在一個(gè)關(guān)于傳輸功率的極值點(diǎn)。功率效率是一個(gè)單調(diào)函數(shù)，同時(shí)傳輸功率越小傳輸距離越大，對(duì)應(yīng)的功率效率越高。值得注意的是，空間傳輸效率是一個(gè)關(guān)于傳輸距離和發(fā)射功率的二維凸函數(shù)，并且存在唯一的全局極值點(diǎn)。然而，參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[4]對(duì)上述數(shù)學(xué)性質(zhì)并沒(méi)有提供一個(gè)嚴(yán)格的證明。另一方面，在實(shí)際的通信方案中，各種度量性能的限制因素包括信道衰落、干擾以及等待時(shí)間和運(yùn)算復(fù)雜性。實(shí)際可達(dá)到的帶寬、能量、功率以及空間傳輸效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)測(cè)理論值。但是，自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線鏈路接近理論效率是一個(gè)很有價(jià)值的解決方案[4]。然而，參考文獻(xiàn)[4]的作者沒(méi)有考慮如何逼近蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)效率。

4 網(wǎng)絡(luò)干擾

在廣泛采用雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)之前，有幾個(gè)重要的問(wèn)題必須得到有效的解決，如接入方法、時(shí)間同步、物理小區(qū)標(biāo)識(shí)、相鄰小區(qū)列表創(chuàng)建、移動(dòng)性管理等[3]。此外，隨著小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部署，無(wú)疑會(huì)對(duì)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能造成損害。因此，減小干擾是最緊迫的挑戰(zhàn)之一。

在典型的雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)小蜂窩基站與宏基站的時(shí)鐘是同步的，則干擾的分類如下。

·跨層干擾：小蜂窩基站與特定的宏基站用戶之間的干擾，屬于跨層干擾，兩者發(fā)生在不同的網(wǎng)絡(luò)層。在下行鏈路中，每個(gè)宏基站用戶受到附近的小蜂窩基站的強(qiáng)烈干擾，這是宏基站用戶性能提升的主要限制因素。然而，即使在宏小區(qū)基站覆蓋范圍內(nèi)存在大量的家庭基站，宏基站用戶也應(yīng)該具有更高的優(yōu)先權(quán)，而不是家庭基站用戶。

·同層干擾：如小蜂窩基站干擾的相鄰家庭基站用戶，二者屬于相同的網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)小蜂窩用戶隨機(jī)地安裝許多小蜂窩基站時(shí)，這些基站將處在一個(gè)高密集環(huán)境中，同時(shí)許多家庭基站處在同一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，很多小基站的接入點(diǎn)重疊。結(jié)果使密集環(huán)境中的家庭基站相互造成很強(qiáng)的層內(nèi)干擾，這是其性能提升的主要限制因素。

為了克服干擾的影響，提出了干擾消除技術(shù)，其分類如下。

·波束成形技術(shù)：半波長(zhǎng)間隔的天線能夠定向發(fā)射和接收波束，并且可以通過(guò)增加多用戶檢測(cè)的復(fù)雜度來(lái)減少干擾。

·無(wú)線資源管理[5]：功率控制技術(shù)和先進(jìn)的資源調(diào)度策略是蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中減少干擾的常用手段。

5 LTE-A系統(tǒng)可用資源分析

到現(xiàn)在為止，全球許多地方正在推行可提供高QoE保證的LTE/LTE-A系統(tǒng)。然而，由于缺乏雙層宏蜂窩/家庭網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相關(guān)信息，沒(méi)有很好地解決干擾問(wèn)題。

根據(jù)LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)，在下行鏈路中，雙層宏蜂窩/家庭網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用正交頻分多址接入（OFDMA）技術(shù)，上行鏈路（UL）中采用單載波頻分多址（SC-FDMA）技術(shù)。無(wú)線資源調(diào)度器是每個(gè)宏基站的功能性實(shí)體，負(fù)責(zé)為上行鏈路共享信道（UL-SCH）和下行鏈路共享信道（DL-SCH）分配無(wú)線資源，以最大化頻譜效率、能量效率和用戶之間的公平性，同時(shí)確保不同通信服務(wù)的QoS。需要指出的是，每個(gè)基站的無(wú)線資源包括資源塊（RB）、特定的調(diào)制編碼方案（MCS）、功率分配方案以及天線選擇方案，這分別對(duì)應(yīng)資源類別中的時(shí)域、頻域、碼域、空域資源。一個(gè)RB在頻域由12個(gè)連續(xù)的子載波組成，頻帶寬度180 kHz，在時(shí)域上是一個(gè)時(shí)隙，持續(xù)時(shí)間為0.5 ms。一個(gè)資源塊是最小的時(shí)頻資源分配單元。在下行鏈路中，一個(gè)時(shí)隙承載6或7個(gè)正交頻分復(fù)用（OFDM）符號(hào)；在上行鏈路中的一個(gè)時(shí)隙承載6或7個(gè)SC-FDMA符號(hào)。這使得筆者能夠采用類似矩陣的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)描述RB的分配過(guò)程。

此外，該網(wǎng)絡(luò)中還存在一個(gè)額外的無(wú)線資源，它是雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中宏基站和小基站同時(shí)協(xié)作形成的。首先，相鄰宏基站和小基站有能力相互合作，并且交流中繼信息，創(chuàng)建一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，最終基于多點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)空間分集。其基本概念也常常被稱為MIMO網(wǎng)絡(luò)、廣義分布式天線或協(xié)調(diào)多點(diǎn)傳輸/接收（CoMP）方案。其次，能夠通過(guò)適當(dāng)安排宏基站和小基站之間的OFDMA的子信道以減少跨層干擾。有如以下幾個(gè)方法。

·正交信道分配：通過(guò)為宏基站和小基站分配正交信道完全消除跨層干擾。然而，這可能會(huì)導(dǎo)致兩層的帶寬減少，因而降低整個(gè)系統(tǒng)的傳輸容量。

·共道信道分配：宏基站和小基站在同一頻帶中工作，即兩層網(wǎng)絡(luò)都可以接入到全部頻譜。但是，這樣會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的跨層干擾，尤其是在密集分布情況下。因此，雙層宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有可用的資源應(yīng)該有效地協(xié)同分配，從而以較少的干擾來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)整體性能。

·部分頻率復(fù)用分配：適用于小區(qū)邊緣用戶以避免載波間干擾。動(dòng)態(tài)部分頻率復(fù)用能夠根據(jù)特定位置上的瞬時(shí)業(yè)務(wù)量調(diào)整其分配的帶寬。因此，在一些區(qū)域中，會(huì)保留宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)并未使用的特定頻帶，以便其覆蓋范圍內(nèi)的小基站有機(jī)會(huì)使用其空置頻譜來(lái)避免干擾。

因此，宏基站和小基站的協(xié)作是一個(gè)很有效的解決干擾和提升性能的方案。綜上可知，在此網(wǎng)絡(luò)情境下共存在5種無(wú)線資源，包括時(shí)頻資源塊、調(diào)制編碼方案、功率資源、天線和協(xié)作的基站。

6 資源分配數(shù)學(xué)模型

LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有明確地給定無(wú)線資源分配方案，這一點(diǎn)與其他的標(biāo)準(zhǔn)一致。這是因?yàn)椴煌木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商有不同的解決方案。此外，公開的標(biāo)準(zhǔn)體系為設(shè)計(jì)各種算法提供了可能性。表1給出了一部分成熟的算法，比如最大載干比（max C/I）分配算法、輪詢（RR）算法，最大最小（max-min）值算法和比例公平（PF）算法。這些算法能夠最大化系統(tǒng)吞吐量或者公平性。為了最大化系統(tǒng)的效用，大部分有效的無(wú)線資源分配算法都可以建模為凸優(yōu)化問(wèn)題，但是必須滿足以下兩個(gè)約束條件。

·約束條件1（滿足用戶的最小QoE要求）：每個(gè)用戶獲得的數(shù)據(jù)速率應(yīng)該大于用戶要求的最小數(shù)據(jù)速率，同時(shí)延遲、延遲抖動(dòng)（延遲變化）或者分組丟失率都應(yīng)該低于系統(tǒng)的最大可容忍值。

·約束條件2（滿足可用資源的約束條件）：每個(gè)用戶被分配的資源（時(shí)隙、子載波、天線或者傳輸功率）之和應(yīng)當(dāng)小于全部的系統(tǒng)資源總量。

表1 資源分配算法比較

假設(shè)不考慮約束條件，最佳的系統(tǒng)效用可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法得到。但是此最佳結(jié)果在實(shí)際通信系統(tǒng)中是不適用的。比如通過(guò)數(shù)學(xué)求導(dǎo)方法獲得了最佳的系統(tǒng)效用和最佳的傳輸功率[8]?？墒谴俗罴压β手悼赡軙?huì)成為負(fù)值或者大于最大系統(tǒng)約束值。因此，所有的資源分配算法都應(yīng)該遵守以上約束。

以上分析模型面臨兩個(gè)問(wèn)題。

（1）效用函數(shù)設(shè)計(jì)

效用函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)是一個(gè)凸函數(shù)時(shí)，最佳解才會(huì)存在。因此系統(tǒng)效用函數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題。幸運(yùn)的是，博弈論能夠?yàn)橐陨蠁?wèn)題提供很多可能的解決方案。

（2）快速收斂算法

以上的最優(yōu)化問(wèn)題已經(jīng)證實(shí)是NP問(wèn)題，即不能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)找到全局理論最優(yōu)解。因此，很多研究人員針對(duì)實(shí)際通信環(huán)境陸續(xù)提出了高效的達(dá)到次優(yōu)解的算法。

7 高能效的效用函數(shù)

一個(gè)理想的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該考慮到系統(tǒng)的吞吐量、能量效率、用戶間公平性或者以上3種度量權(quán)衡的目標(biāo)組合。比如，以上問(wèn)題可以建模為(Pk-)[8]，其中 Uk是給定用戶 k的效用；rk和用戶的可達(dá)吞吐量和最小吞吐量；Pk和是用戶消耗的發(fā)射功率和最小要求的發(fā)射功率。根據(jù)以上的方法，首先所有的可用資源根據(jù)用戶的最小資源要求進(jìn)行分配。然后，剩下的資源會(huì)以最大化系統(tǒng)能量效率為目標(biāo)進(jìn)行分配。通過(guò)以上方法，可以得到系統(tǒng)能量效率和吞吐量的折中。

根據(jù)博弈論，如果能量效率函數(shù)是一個(gè)凸函數(shù)或者是一個(gè)準(zhǔn)凸函數(shù)，那么它就可以直接被作為效用函數(shù)來(lái)進(jìn)行資源分配最優(yōu)化。否則必須設(shè)計(jì)一個(gè)以能量效率為變量的效用函數(shù)來(lái)替代。

8 多維聯(lián)合資源分配算法

此外，參考文獻(xiàn)[9]提出了多樣的集中式和分布式資源分配算法來(lái)達(dá)到最佳的系統(tǒng)效用。參考文獻(xiàn)[10]提出了基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的低中高空平臺(tái)針對(duì)高功率效率的無(wú)線資源分配方案，該方案只是從資源塊以及功率這兩方面資源進(jìn)行分配。參考文獻(xiàn)[11]基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的低中高空平臺(tái)，針對(duì)免受災(zāi)難這一目標(biāo)，提出了無(wú)線資源分配方案，該方案也是從兩方面進(jìn)行資源分配，使其容量達(dá)到最高。參考文獻(xiàn)[12]在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)綠色無(wú)線電提出了高能效的頻譜分配方案。參考文獻(xiàn)[13]從綠色無(wú)線通信的角度提出了一種高效的自適應(yīng)調(diào)制編碼方案。但是，根據(jù)筆者的調(diào)研，針對(duì)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合時(shí)—頻—功—協(xié)作域無(wú)線資源分配算法還沒(méi)有被涉及，雖然形式很復(fù)雜，但是很可能擁有更好的性能。本方案假設(shè)在一個(gè)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，所有的宏基站用戶相對(duì)于小蜂窩用戶有更高的LTE資源塊接入優(yōu)先權(quán)。這樣，所有的宏蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量可以優(yōu)先得到保證，而小蜂窩網(wǎng)絡(luò)僅僅能夠使用沒(méi)有被宏蜂窩使用的資源塊，層間干擾可以被完全消除，但是嚴(yán)重的小蜂窩間干擾依然存在。一般情況下，大部分網(wǎng)絡(luò)負(fù)載出現(xiàn)在室內(nèi)，也就是說(shuō)此系統(tǒng)模型具有可實(shí)現(xiàn)性。在系統(tǒng)模型中，不僅所有的在同一個(gè)宏基站下的宏蜂窩用戶之間競(jìng)爭(zhēng)LTE時(shí)頻資源塊，而且所有的小蜂窩用戶在每個(gè)小基站下也會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)LTE資源塊。結(jié)合聯(lián)合時(shí)—頻—功率域無(wú)線資源分配方法，協(xié)作無(wú)線資源調(diào)度可以進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特點(diǎn)實(shí)時(shí)地獲得最佳的宏蜂窩/小蜂窩LTE資源塊劃分結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的能量效率最大化。相比于筆者之前的研究成果[8]，本方法針對(duì)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)擬引入自適應(yīng)協(xié)作資源調(diào)度的概念，實(shí)現(xiàn)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率最優(yōu)?？紤]到本文的類型，下面給出主要的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模和分析沒(méi)有給出，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[10～13]。

高能效的問(wèn)題可以數(shù)學(xué)化為以下最優(yōu)問(wèn)題：

其中X和 P表示資源塊和功率分配矩陣；N代表單小區(qū)中用戶的數(shù)量；rn代表第n個(gè)用戶的信干噪比。在資源分配矩陣中，如果第n行k列資源塊被分配給用戶n，那么有=1，同時(shí)分配到的功率是；否則有=0。很明顯知道同時(shí)，所有資源塊上的分配功率之和必須小于基站的總發(fā)射功率。

圖3給出了基于LTE-A的宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合時(shí)—頻—功—協(xié)作域無(wú)線資源聯(lián)合優(yōu)化流程。首先假設(shè)在一個(gè)傳輸時(shí)間間隔內(nèi)無(wú)線信道狀態(tài)和每層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布狀態(tài)不改變。一旦以上因素在下一個(gè)傳輸時(shí)間間隔改變，那么聯(lián)合優(yōu)化算法會(huì)根據(jù)當(dāng)前的信道和負(fù)載分布狀態(tài)，在保證宏基站用戶優(yōu)先級(jí)的前提下最優(yōu)化全局的能量效率。具體地，在給定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，宏蜂窩用戶首先接入LTE時(shí)頻資源塊。然后，各小蜂窩基站會(huì)在剩下的資源塊中進(jìn)行功率分配，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率最大化。需要強(qiáng)調(diào)的是，一旦無(wú)線信道狀態(tài)或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載改變，以上迭代算法會(huì)繼續(xù)迭代循環(huán)，最終在每個(gè)傳輸時(shí)間間隔中總是可以在保證宏蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下得到全網(wǎng)絡(luò)能量效率的最優(yōu)解。綜上，相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜劃分方案，協(xié)作資源調(diào)度使多維資源分配算法具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。同時(shí)，由于迭代過(guò)程會(huì)在每個(gè)傳輸時(shí)間間隔中進(jìn)行，因此完全避免了由負(fù)載變化導(dǎo)致的無(wú)線資源浪費(fèi)，最終大大提高了系統(tǒng)性能。

雖然本文提出了一種高效的宏基站和小基站之間的協(xié)作機(jī)制，同時(shí)結(jié)合無(wú)線資源分配算法，但是針對(duì)宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作域資源概念依然有待深入研究?；局g的協(xié)作涉及的范圍很廣，不單單包括基站之間的頻譜劃分，如多基站干擾協(xié)調(diào)機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO技術(shù)等。如何將協(xié)作機(jī)制與LTE宏蜂窩/小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源分配結(jié)合和實(shí)現(xiàn)同步優(yōu)化，是一個(gè)有價(jià)值的研究方法，相比于相對(duì)孤立的技術(shù)，聯(lián)合協(xié)作域的優(yōu)化方法很可能獲得更高的系統(tǒng)性能增益。

9 性能評(píng)估

仿真采用LTE-Release 8中擴(kuò)展典型城市信道模型（extended typical urban model），詳見 3GPP 協(xié)議 104、141附錄。仿真參數(shù)見表2。傳統(tǒng)的最大載干比（max C/I）分配算法總將資源塊分配給擁有最佳信道質(zhì)量的用戶，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吞吐量的最大化。相比于其他的資源分配算法，它可以形成系統(tǒng)吞吐量的上界值，如圖4所示。遺憾的是，此算法擁有很低的用戶公平性和系統(tǒng)能量效率，如圖5和圖6所示。

表2 仿真參數(shù)

圖4 系統(tǒng)吞吐量

圖5 用戶公平性

圖6 系統(tǒng)能量效率

用戶間公平性被衡量為公平系數(shù) （fairness index），在0～1變化。所以，用戶的公平系數(shù)越高，獲得的性能越高。輪詢（RR）分配算法循環(huán)地將資源塊分配給每個(gè)用戶，因此形成了所有算法的公平性上界。最大最?。╩ax-min）值分配算法為信道質(zhì)量差的用戶分配更多的無(wú)線資源，因而保證了用戶間的公平性，但是系統(tǒng)性能會(huì)很低。比例公平算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吞吐吞吐量和公平性之間的有效折中。高能效的聯(lián)合時(shí)—頻—功—協(xié)作域資源分配算法（energy efficient resource allocation）在大大提高吞吐量的同時(shí)，兼顧較高的系統(tǒng)吞吐量性能，如圖4～圖6所示。

10 結(jié)束語(yǔ)

本文首先給出了一個(gè)移動(dòng)云計(jì)算管理框架，為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與云資源的高效信息交換提供了前提和保證。然后，在深入分析無(wú)線通信目標(biāo)和能量消耗之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，本文定義了無(wú)線單鏈路空間傳輸效率，比較和分析了多種單鏈路效率度量的含義和數(shù)學(xué)性質(zhì)。在分析雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的干擾產(chǎn)生源和可用無(wú)線資源的基礎(chǔ)上，本文給出了基于 LTE-A （long term evolution-advanced）系統(tǒng)的無(wú)線資源分配分析模型，同時(shí)提出了一種高能效的無(wú)線資源管理算法。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)快速收斂的迭代算法獲得了系統(tǒng)能量效率的最優(yōu)解。仿真分析說(shuō)明了此資源管理算法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)能量效率和吞吐量的高效折中。本文在總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀的同時(shí)指出了未來(lái)有價(jià)值的研究方向，其中包括能量效率評(píng)估準(zhǔn)則的多樣性和高效的無(wú)線資源分配方法的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

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