［司徒毅 湯杰］

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綠色通信
——無線中繼接入網(wǎng)

［司徒毅 湯杰］

摘要文章結(jié)合通信事業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹了綠色通信以及綠色無線中繼接入技術(shù)，并分析了兩種無線中繼模型，側(cè)重于通過合理配置無線中繼系統(tǒng)中中繼站的數(shù)量和接入位置，以使得系統(tǒng)能耗最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：綠色通信無線中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化

司徒毅

講師，碩士畢業(yè)于中山大學(xué)通信專業(yè)，現(xiàn)任職于廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化等，主要成果包括：夏季基站內(nèi)的溫度分析優(yōu)化、TD-LTE與WLAN共存的干擾分析與組網(wǎng)研究等。

湯杰

中級工程師，碩士畢業(yè)于中山大學(xué)無線電物理專業(yè)，現(xiàn)任職于廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)等工作。

1　引言

隨著現(xiàn)代無線通信服務(wù)的快速發(fā)展，越來越多的用戶通過手持終端設(shè)備接入無線通信網(wǎng)絡(luò)，對服務(wù)內(nèi)容的要求越來越高，使得無線通信網(wǎng)絡(luò)的流量急劇上升。通信服務(wù)量的劇增，使得基站、終端能耗也呈急劇上升之勢。盡管通信業(yè)并非國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的高耗能行業(yè)，而且通信業(yè)帶給全社會(huì)的能耗節(jié)約量是其自身能源消耗量的5倍以上，但是如果從實(shí)際數(shù)據(jù)看，這卻是一個(gè)不容小覷的數(shù)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅僅在我國，作為國家基礎(chǔ)設(shè)施的通信網(wǎng)絡(luò)，從2006開始每年要消耗 200 億千瓦時(shí)以上的電能，而且還在不斷增長，2010年光是中國三大運(yùn)營商用電就超過300億千瓦時(shí)（其中中國移動(dòng)一家就超過120億），耗電總量在各行業(yè)中排名第14位。

然而，在當(dāng)前的無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，固定基礎(chǔ)設(shè)施（基站）與移動(dòng)臺(tái)或無線接入點(diǎn)之間的通信存在一些固有問題：小區(qū)邊緣存在著低信噪比，陰影效應(yīng)引起的覆蓋漏洞，使得小區(qū)部分用戶的通信質(zhì)量得不到滿足，需要較大的發(fā)射功率。為了滿足流量增長的要求，同時(shí)降低系統(tǒng)的能耗，根據(jù)香農(nóng)定理，在網(wǎng)絡(luò)帶寬不變的情況下，我們可以通過提高系統(tǒng)的信噪比來改善信道，提高發(fā)送速率。從另外一個(gè)角度看，在滿足鏈路相同傳輸速率的基礎(chǔ)上，可以大大減小基站與用戶站的發(fā)射功率，降低基站與用戶站的耗能。

為了減小系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信，可以通過在固定基站與用戶之間部署無線中繼站，縮小通信系統(tǒng)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，提高發(fā)射源結(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在達(dá)到同樣的數(shù)據(jù)傳輸速率的條件下，降低系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，無線中繼的部署，用短距離高速率的數(shù)據(jù)鏈路替換長距離低速率的鏈路，可以有效地繞開大部分的障礙物，從而實(shí)現(xiàn)信號的中繼和放大，延伸無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通信質(zhì)量得到極大提高。

2　綠色無線中繼網(wǎng)絡(luò)

為滿足日益增長的用戶業(yè)務(wù)需求，市區(qū)內(nèi)需要鋪設(shè)大量微小區(qū)基站來實(shí)現(xiàn)全城覆蓋，天線中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以靈活布置中繼站，信息處理中心能夠動(dòng)態(tài)統(tǒng)一地實(shí)現(xiàn)資源分配，這不僅降低了鋪設(shè)基站帶來的硬件成本，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的能量消耗。在綠色無線中繼網(wǎng)絡(luò)中，位于基站與用戶站之間的中繼站縮短了通信鏈路的距離，極大地提高了通信質(zhì)量，降低了發(fā)射結(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。系統(tǒng)中新增部署的中繼站雖然需要消耗一部分電能，但中繼消耗的少量電能可以換來基站與終端結(jié)點(diǎn)能耗的極大降低，因此，從整個(gè)系統(tǒng)的角度來看，中繼站的部署符合綠色通信的要求。

圖1　傳統(tǒng)接入網(wǎng)與無線中繼接入網(wǎng)

如圖1。傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)中，基站與用戶站直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信鏈路的平均距離較長；而綠色無線接入網(wǎng)中，基站與無線中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，再由無線中繼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶站，通信鏈路的平均距離較短，在相同發(fā)射功率的情況下信道擁有較高的信噪比。

3　系統(tǒng)模型基礎(chǔ)

如圖2為在一個(gè)基站小區(qū)中的三層次無線中繼網(wǎng)絡(luò)模型：一個(gè)基站（BS，Base Station），分布于小區(qū)周圍眾多的用戶站（SS，Subscriber Station）以及從某些候選點(diǎn)中選取的中繼站（RS，Relay Station）?；镜奈恢糜蛇\(yùn)營商提前布置好，位置維持不變，用戶站作為人群密集區(qū)手持終端用戶的接入點(diǎn)，負(fù)責(zé)將其覆蓋的小范圍內(nèi)用戶接入無線網(wǎng)絡(luò)，其位置也保持不變。中繼站直接與用戶站進(jìn)行通信，中繼站的位置從一些候選點(diǎn)（CP，Candidate Point）中選取，我們的目標(biāo)就是從眾多的候選點(diǎn)中選取一定數(shù)量的點(diǎn)作為中繼站的位置點(diǎn)，使得無線中繼接入系統(tǒng)符合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提出的要求，這些要求可以包括：在滿足系統(tǒng)中各用戶站最低的流量要求的情況下，中繼站數(shù)量盡可能少，或者已知需要布置固定數(shù)量的中繼站的情況下，如何有效選取中繼位置使系統(tǒng)的容量最大。

圖2　三層次無線中繼網(wǎng)絡(luò)

圖3　源、中繼、終端結(jié)點(diǎn)

在無線中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，將小區(qū)的總帶寬B分為若干個(gè)信道，分布在小區(qū)中的多個(gè)用戶站分別利用分配可使用的信道，通過相對應(yīng)的中繼站訪問基站。因此，每一條傳輸鏈路上的基站與用戶站，實(shí)質(zhì)上是基本的“基站—中繼站—用戶站”三個(gè)結(jié)點(diǎn)的中繼模式，對于同一個(gè)用戶站來說，“基站—中繼站”、“中繼站—用戶站”以及“基站—用戶站”三條鏈路分配了相同的頻帶。

中繼站采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-Forward，DF）技術(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)包解調(diào)解碼，并使用不同的編碼將其轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)結(jié)點(diǎn)，這樣“基站—中繼站”與“中繼站—用戶站”的信道是正交信道，降低干擾的影響。

通過中繼站及中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，目標(biāo)結(jié)點(diǎn)可獲得的數(shù)據(jù)速率是：

此處，有

α表示信道衰落指數(shù)；

Ps，Pr分別表示源結(jié)點(diǎn)、中繼結(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；

dsr，dsd，drd分別表示源結(jié)點(diǎn)—中繼、源結(jié)點(diǎn)—目標(biāo)結(jié)點(diǎn)、中繼—目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的距離；

N0表示信道接收結(jié)點(diǎn)的噪聲；

θ（0＜ θ＜ 1）表示源結(jié)點(diǎn)在源結(jié)點(diǎn)—中繼、源結(jié)點(diǎn)—目標(biāo)結(jié)點(diǎn)兩個(gè)信道上的功率分配比率。

4　兩種無線中繼模型

已知在某小區(qū)中有固定數(shù)量N個(gè)用戶站，并且其分布位置已知，每個(gè)用戶站都有最低的流量要求nρ，所有的用戶站的最低流量需求可以用向量表示成：P=｛ ρ1，ρ2，…，ρN｝。此基站小區(qū)的總帶寬為BW，按需分配給各個(gè)用戶站，使得各個(gè)用戶站的流量需求可以得到滿足。對于布置在小區(qū)中的中繼站，每個(gè)中繼站覆蓋一定的區(qū)域，作為該片區(qū)域中所有用戶站與基站通信的傳輸中介。

若干個(gè)候選結(jié)點(diǎn)，設(shè)數(shù)量為M，中繼的位置只能從這M個(gè)候選點(diǎn)中產(chǎn)生；

矩陣A=（ amn）M× N表示用戶站與候選點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，其元素的值為1或者0。1表示該用戶站與相應(yīng)的中繼進(jìn)行通信，0表示該用戶站不是通過相應(yīng)的中繼站進(jìn)行通信。由于一個(gè)中繼站會(huì)覆蓋一定的區(qū)域，因此在矩陣中，每列的元素中只有一個(gè)值為1，該列其他元素的值為0；

向量W=（ wn）1× N表示帶寬分配向量，wn為用戶站SSn分配的帶寬；

向量Z=（ zm）1× M表示中繼站分布向量，向量元素的值為1或0。其中，1表示該候選點(diǎn)被選作為中繼放置點(diǎn)，0表示未被選為中繼放置點(diǎn)。

模型一：研究在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置最少量的中繼站，使系統(tǒng)能耗降低。

模型二：研究在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置固定數(shù)量的中繼站，使系統(tǒng)的容量盡可能大。在該模型中需增加新的約束條件：需要布置的固定的中繼站數(shù)量K（ K＜ M）；

此兩種模型，分別采用不同假設(shè)條件，采用不同的思路，從系統(tǒng)能耗降低和增加系統(tǒng)容量兩個(gè)方向體現(xiàn)了綠色通信的目標(biāo)。通過這兩種模型的建立，側(cè)重于從眾多候選點(diǎn)中選取若干點(diǎn)作為中繼放置點(diǎn)，使得系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

5　總結(jié)

本文結(jié)合通信事業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹了綠色通信以及綠色無線中繼接入技術(shù)，并分析了兩種無線中繼模型，側(cè)重于從眾多候選點(diǎn)中選取若干點(diǎn)作為中繼放置點(diǎn)，使得系統(tǒng)最優(yōu)。問題模型一在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置最少量的中繼站，使系統(tǒng)能耗降低；問題模型二在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置固定數(shù)量的中繼站，既達(dá)到綠色通信的目的，又可提供系統(tǒng)容量。該問題的研究為綠色通信提供了方向，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.013

收稿日期：（2016-04-22）