袁麗娜,張 穩(wěn),李江山

(銅仁學院 大數(shù)據(jù)學院,貴州 銅仁 554300)

0 引言

目前,全球都在關注污染物排放和能源消耗的增加。信息和通信技術(Information and Communication Technology,ICT)行業(yè)的二氧化碳足跡是2007年全球汽車碳足跡的25%,與整個航空業(yè)的碳足跡相當[1]。在ICT行業(yè)中,移動網(wǎng)絡被認為是最大的能源用戶之一。移動網(wǎng)絡中以指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)流量使這個問題在未來面臨更大的挑戰(zhàn)。綠色無線電研究是一個龐大而全面的領域,涵蓋了高效無線接入網(wǎng)設計的各個層面。人們一直致力于傳統(tǒng)的節(jié)能方法,如設計超高效的功率放大器,減少饋線損耗,并引入被動冷卻。然而,這些努力是孤立的,無法從全球的角度來看待在5年或10年內節(jié)能的整體目標。因此,需要基于自上而下的體系結構、跨系統(tǒng)級別和協(xié)議棧聯(lián)合設計的創(chuàng)新解決方案,這不是單打獨斗就能實現(xiàn)的。

近年來,在業(yè)界和學術界的共同努力下,綠色研究項目在世界各地如雨后春筍般涌現(xiàn)。例如,歐洲框架計劃7下的能源感知無線電和網(wǎng)絡技術項目[2-3]于2010年初開始開發(fā)綠色技術。在英國,綠色無線電是2009年成立的研究中心的核心項目之一。此外,綠色觸碰聯(lián)盟、歐洲電信標準協(xié)會、世界無線通信解決方案聯(lián)盟和第三代合作伙伴項目等標準化組織也在積極討論能效指標和測量,研究基站級或網(wǎng)絡級節(jié)能。本文聚焦于綠色無線電研究的基本框架,闡述了綠色設計的4個基本權衡。

1 4個基本權衡

Chen等[4]首次提出用4個基本權衡來構建基本框架,如圖1所示。構成綠色研究核心的4個基本權衡如下:

圖1 4種基本權衡構成綠色研究的核心

(1)頻譜效率-能源效率權衡。在給定可用帶寬的情況下,平衡可實現(xiàn)的速率和能源成本。

(2)帶寬-功率權衡。在給定目標傳輸速率的情況下,平衡所使用的帶寬和所需的功率。

(3)延遲功率權衡。平衡端到端的平均業(yè)務延遲和傳輸過程中消耗的平均功率。

(4)部署效率-能源效率權衡。在給定網(wǎng)絡流量需求的情況下,平衡整個網(wǎng)絡的部署成本、吞吐量和能源消耗。

通過這4種權衡,關鍵的網(wǎng)絡性能/成本指標都串在一起。

2 從香農容量公式的角度

香農容量公式[5]為點對點加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道在最大可達傳輸速率R和接收功率P(r)之間建立了一個橋梁,即

(1)

其中,N0是接收端噪聲功率譜密度,W是系統(tǒng)帶寬。雖然香農開創(chuàng)性的公式已經(jīng)為人所知超過半個世紀,但人們主要是從信道容量的角度來看待它。然而,這個公式實際上對無線點對點鏈路傳輸中與能源相關的權衡有了基本的解釋。下面將正式介紹權衡的定義,并由香農容量公式預測它們的行為。以下是上述公式的等價轉換,將用于描述不同的權衡。

(2)

(3)

(4)

在由香農容量公式導出的結果中,只考慮了發(fā)射功率(輻射能量)。然而,事實上,對于目前可用的任何基站,輻射到環(huán)境中用于信號傳輸?shù)墓β蕛H占其總功耗的一部分[6]?；镜目偣呐c輻射功率之比稱為基站效率,與理想值1相差甚遠。例如,如果基站效率為10%,那么為了傳輸100 W的信息,大約需要900 W的額外功率來保持系統(tǒng)正常工作。隨著技術的發(fā)展,電源效率有了很大的提高,但離理想的水平仍然很遙遠(接近于1)。因此,無線網(wǎng)絡的節(jié)能設計不僅要考慮輻射功率,還要考慮整個系統(tǒng)的輸入功率。此外,從全網(wǎng)的角度進行部署效率-能源效率的權衡,正確的網(wǎng)絡部署和運行成本模型也必不可少。

3 最新研究進展及未來發(fā)展方向

3.1 頻譜效率-能源效率權衡

在現(xiàn)有的頻譜效率-能源效率權衡關系研究中,大多數(shù)技術都集中在上行鏈路傳輸?shù)膱鼍?其中終端電池是關鍵問題。但現(xiàn)階段關于下行鏈路傳輸?shù)木G色技術還很少。此外,在綠色無線電的研究中,還沒有考慮到交通類型和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響、多用戶和多小區(qū)環(huán)境等影響。下面列出了一些可能的研究問題,但并不完整。

(1)流量統(tǒng)計的作用:對于通信系統(tǒng)設計者來說,流量統(tǒng)計的知識是“盲目的”,因為所有的設計都以網(wǎng)絡的最大吞吐量為目標。在未來的無線系統(tǒng)中,系統(tǒng)能力的動態(tài)調整是利用流量負載變化時變特性的一個關鍵特性。因此,如何利用流量統(tǒng)計來改善頻譜效率與能源效率的取舍關系尤為重要。

(2)多用戶多小區(qū)節(jié)能方案:在多用戶多小區(qū)環(huán)境中,單維度的頻譜效率-能源效率權衡關系不足以描述復雜的系統(tǒng)。干擾特性、用戶選擇策略和活躍用戶分布動態(tài)將對頻譜效率-能源效率權衡關系產(chǎn)生共同影響。因此,理解多用戶和多單元環(huán)境下的頻譜效率-能源效率權衡對于實際系統(tǒng)的節(jié)能設計至關重要。

3.2 帶寬-功率權衡

帶寬在第二代無線通信系統(tǒng)(如:全球移動通信系統(tǒng))中得到充分利用,采用固定帶寬分配方案。隨著最近載波聚合技術(通用移動通信系統(tǒng)、長期演進等)的出現(xiàn),系統(tǒng)可以更靈活地動態(tài)聚合未使用的頻譜。理論結果表明[7-8],為了在多用戶系統(tǒng)中獲得最優(yōu)能效,在考慮實際假設的情況下,聯(lián)合優(yōu)化帶寬和功率,引發(fā)了在授權多波段系統(tǒng)和非授權認知系統(tǒng)中實際的資源分配算法設計。

帶寬-功率的權衡是設計無線系統(tǒng)的關鍵因素,因為帶寬和傳輸功率是最重要的因素。隨著軟件定義無線電和載波聚合等無線技術的發(fā)展,未來的通信系統(tǒng)將日益成熟,以支持靈活使用帶寬-功率。然而,仍有許多懸而未決的問題值得進一步研究。

先進網(wǎng)絡架構的部署可能會對帶寬-功率的權衡邊界產(chǎn)生影響。特別是合作和異構網(wǎng)絡的部署在網(wǎng)絡中引入了額外的基礎設施節(jié)點。因此,帶寬和功率規(guī)劃將不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構。在新的網(wǎng)絡架構下,帶寬-功率與先進資源管理算法的權衡值得進一步研究。此外,隨著載波聚合和認知無線電技術的結合,聯(lián)合考慮動態(tài)帶寬捕獲和帶寬-功率權衡的跨層方法必將在未來的設計中發(fā)揮重要作用。

3.3 延遲功率權衡

從純信息論的角度,已經(jīng)從香農的容量公式中知道,延長物理層每比特的傳輸時間(物理層延遲)會降低傳輸功率。由于無線信道不時發(fā)生變化,如果能在信道條件良好時等待傳輸,則可以降低傳輸能量。這種想法類似于“注水”,也被稱為機會傳播。然而,這些方法并沒有注意到物理層的積壓。隨著智能手機的普及,互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電話和視頻流等對延遲敏感的應用程序占據(jù)了很大一部分的移動數(shù)據(jù)量。對于延遲敏感的應用,考慮物理層延遲很重要,它受到流量到達和離開的影響。延遲直接關系到用戶對服務的體驗,所以在用更長的延遲換取更低的功率時,工程師需要非常小心。雖然已經(jīng)有了上述的理論結果,但距離實際系統(tǒng)的設計還很遙遠。為了填補這一空白,可以從以下主題進行研究。

(1)異構延遲需求:在實踐中,系統(tǒng)中很可能運行著并行的業(yè)務流,每個業(yè)務流都有不同的延遲需求。這些服務隊列可能屬于一個用戶,也可能屬于多個用戶。對于下行鏈路系統(tǒng),每個服務隊列的出發(fā)過程可以通過公共無線電資源調度程序耦合在一起,這使得對延遲功率權衡的描述對多用戶場景更加苛刻。

(2)低復雜度控制策略:一般情況下,在流量到達動態(tài)、信道變化快的情況下,沒有封閉表達式可以顯示平均業(yè)務延遲與系統(tǒng)功耗之間的直接關系。因此,研究簡化但近似的模型對于低復雜度控制策略的實際系統(tǒng)設計具有重要意義。

3.4 部署效率-能源效率權衡

在不久的將來,隨著數(shù)據(jù)流量的急劇增長,如果繼續(xù)保持傳統(tǒng)的宏單元部署,網(wǎng)絡在高負載下很可能無法正常工作,以下幾個方面值得進一步研究。

3.4.1 回程容量限制和功耗

在現(xiàn)有的許多工作中,認為異構網(wǎng)絡和協(xié)作網(wǎng)絡是未來有前途的網(wǎng)絡架構。設備成本低的小型單元可靈活部署,以提高區(qū)域吞吐量。此外,在密集部署中,小基站之間的距離越近,就越有利于實現(xiàn)基站協(xié)作等網(wǎng)絡功能。但由于基站數(shù)量較多,回程功耗比傳統(tǒng)部署方式要大得多。小基站之間復雜的配合也給回程傳輸增加了很大的負擔。從這方面來看,考慮到小型電池增加了回程傳輸和電力消耗的成本,應該進行調查,以顯示最經(jīng)濟和有效的方式使用小型電池。

3.4.2 按需網(wǎng)絡管理

現(xiàn)今,網(wǎng)絡是針對峰值流量負載設計的,覆蓋提供和容量提供的功能緊密耦合在一起。然而,網(wǎng)絡流量具有動態(tài)性質,表現(xiàn)為空間和時間的變化。一個直觀的解決方案是,當一些基站提供的容量不需要時,關閉它們,再“按需”快速打開更多的基站。該方案的效率在很大程度上取決于網(wǎng)絡架構,對于多層異構網(wǎng)絡,本質上是高效的。目前,第三代合作伙伴項目正在討論這個問題,研究認為如何高效地打開正確的小區(qū)是最困難的問題。

4 結語

本文對基于4個基本權衡的綠色無線電研究理論框架進行了研究;從香農容量公式的角度可知:無線網(wǎng)絡的節(jié)能設計不僅要考慮輻射功率,還要考慮整個系統(tǒng)的輸入功率;從最新研究進展及未來發(fā)展方向可知:在綠色無線電的研究中,還沒有考慮到交通類型和統(tǒng)計數(shù)據(jù)、多用戶和多小區(qū)環(huán)境等影響。未來將進一步思考如何利用權衡關系進行系統(tǒng)性能權衡及如何基于權衡關系共同設計網(wǎng)絡架構,期望能解決無線系統(tǒng)未來的能源消耗挑戰(zhàn),為無線網(wǎng)絡帶來一個綠色的未來。