基于多域協同的綠色無線通信系統體系構架*

陶曉明，肖 瀟，陸建華

（清華大學電子工程系 北京 100084）

1 綠色無線通信

綠色通信是指在通信中融入綠色概念，“綠色”是一個涉及多領域的廣泛概念，包括生態與環境的保護，功能與使用的耐用性，資源的有效利用與再生，環境的健康、安全、舒適等，其中以可持續性發展為中心內容。綠色通信狹義上說就是以人為本，通信過程中的通信輻射不對人體和環境造成污染；廣義上是指節約能源、頻譜等資源，保護環境[1]。

無線通信系統包括中心站（基站）、終端設備、傳輸線路等。隨著網絡規模的不斷擴大，通信網絡的核心設備、動力系統以及機房、基站等成倍增加，耗能巨大。據美國著名咨詢機構Gartner的調查顯示，對比其他行業，通信業能耗相對較高[2]。我國移動運營商每年消耗電能200億度以上，耗電總量在各行業中排名第14位；另外，用戶手機充電也是耗電的一個重要方面，據稱，我國手機用戶如果在充電后不能及時拔掉插銷，每年額外耗電將超過20億度[3]。按照1 kg標準煤發出3度電計算，200億度電相當于675萬噸標準煤的消耗，接近350萬輛轎車行駛1年的二氧化碳排放量[4]，對環境產生較嚴重的影響。美國一研究數據分析了移動電話通信1000 h和從伯克利到芝加哥往返飛行會面分別對環境產生的影響，結果是為會面而旅行所產生的碳及溫室氣體與前者相當[5]。這個數字顯而易見地解釋了無線通信對于環境的影響。

目前，綠色通信相關研究已在世界范圍內展開。2009年11月18日，GSM協會推出了該協會與國際氣候組織（The Climate Group）合作制定的移動通信行業綠色宣言（Green Manifesto）。宣言提出，到2020年，實現該行業產生的全球溫室氣體排放總量較2009年減少40%。這個預測涵蓋了由移動運營商控制下的所有能源消耗的排放，包括無線網絡的能源消耗、建筑物能源消耗以及運輸過程中的能源消耗和排放[6]。美國希望利用綠色通信建立節能環保的綠色智能交通系統[7]。韓國則計劃在2012年前投入7230億韓元用于發展綠色通信技術，包括發展低功耗通信設備、部署環保型基站、循環使用某些通信設備、促進現有網絡向綠色網絡轉變以及創建綠色生態的通信系統[8]。除此之外，愛立信公司與韓國政府于2009年7月14日簽署合作協議，雙方將利用包括4G移動寬帶在內的未來通信技術共同創建綠色生態的通信系統[9]。2010年初，由領先的通信業界參與者、研究機構和非政府組織成立的GreenTouch聯盟，旨在確定挑戰、發現和開發綠色通信解決方案，目標是在今后5年內為使通信系統與網絡每比特能耗較現有水平降低1000倍所需的主要部件提供構架、規范、路線圖和示范。目前，GreenTouch聯盟的成員數增至包括貝爾實驗室、AT&T、中國移動、華為等在內的16個成員[10]。

我國對無線通信綠色化的問題也非常重視，“十二五”期間，中國將繼續大力支持節能減排和低碳技術研究，推動中國經濟可持續發展[11]。中國移動運營商已制定節能減排目標，稱在2012年底前實現單位業務耗電量較2008年下降20%[4]。

綜上所述，通信行業的高能耗和環境污染問題越來越引起關注，特別是在全球能源和環境壓力越來越大的形勢下，節能減排、發展綠色無線通信勢在必行。

2 發展新型無線通信系統體系構架是實現綠色通信的重要基礎

通信系統體系構架涉及網絡結構、傳輸體制及通信協議等，決定系統對功率資源、頻率資源等分配使用模式，因而是研究綠色通信的關鍵。無線通信系統包括移動通信、城域網、局域網、個域網等，相應體系構架包括蜂窩網絡構架和扁平對等網絡構架等。縱觀發展史，移動通信蜂窩網絡構架經歷了第一代到第四代的發展。第一代移動通信系統屬于模擬系統，用戶容量小、通信質量差、業務形式單一，僅提供語音服務，不能傳輸數據[12]。以20世紀90年代初興起的GSM和采用碼分多址（CDMA）技術的IS-95為代表的第二代移動通信系統全面采用了數字技術，進一步提高了系統的容量和抗干擾性能[13～16]。第三代移動通信（3G）以 CDMA為主要支撐技術[17～21]，已經商用的主流標準包括美國標準cdma2000[22]、歐洲標準WCDMA[23]和中國標準TD-SCDMA[24]。目前，第四代移動通信系統的標準化工作已接近尾聲，以OFDM為主要技術的LTE（長期演進計劃）相應系統即將開始商用化的進程[25]。城域網、局域網和個域網的標準包括WiMAX （IEEE 802.16系列）[26]、IEEE 802.11 系列[27]、IEEE 802.15 系列[28]等。

與蜂窩網絡類似，無線通信體系構架也分為有中心構架和無中心的扁平對等網絡構架，這些傳統體系構架包括相應的物理構架（系統硬件、網絡結構與傳輸體制）以及相應的邏輯構架（通信協議和軟件）[29]。

傳統的無線通信系統體系構架主要目標是為有效提高頻譜效率并滿足系統用戶容量。隨著用戶容量的飛速增長，頻譜資源受限，導致無線通信網絡功耗不斷增大，比如，目前正在穩步推進的3G網絡，能耗隨著業務量的增加而快速增加[3]。另一方面，傳統構架對頻譜資源的使用并未在構架層面考慮系統內與系統間的干擾管理和優化，因此在網絡內和網絡間形成了物理干擾和電磁污染，不僅對干擾管理與抑制造成了沉重的負擔，而且影響了頻譜效率的進一步提高。

當前的無線通信主流技術研究尚未融入“綠色”因素。比如：采用協作通信技術能夠提高鏈路傳輸效率，但會增加相應的中繼設備；采用微蜂窩技術可以提高頻譜效率，但設備總量將會增加；異構網絡能夠實現不同網絡的動態切換與無縫連接，但需要增加異構終端設備；對于更高頻譜效率和更快數據傳輸能力的不懈追求，卻在功率效率及能耗方面付出了沉重的代價。

通信行業近年來高速發展，通信技術和通信產品不斷更新，設備容量呈階躍式增長，單位體積實現的業務傳輸和交換容量增大，傳統體系構架導致的功耗、干擾和電磁污染、自然資源占用對節能減排，發展綠色通信大目標的實現帶來極大的挑戰。

因此，研究綠色無線通信的一個重要方面需要從探索系統體系架構入手，通過有效合理的利用無線通信中的頻譜資源、功率資源等，減少功耗、節省能源，降低干擾、排放及環境污染，進而創建新型的綠色無線通信系統體系構架。

3 多域協同是研究綠色無線通信系統體系構架的有效方法

多域協同是指空間、頻率、時間、信號、功率、終端、網絡等多種資源域，以及業務域和技術域的協同利用[30]。多域協同的主要特征在于：將傳統的多個一維優化問題擴展為多約束、多目標、時變、多維復雜、組合優化問題，充分挖掘協同潛力，從根本上提高頻譜效率；充分考慮終端、信道和網絡構成的特性，通過資源、業務和技術多域協同，有效化解多用戶高效共享資源時的難解問題，從根本上提高系統容量。

國家973項目 “多域協同寬帶無線通信基礎研究”于2007年立項。該項目圍繞國家 “新一代寬帶無線通信網絡”重大專項等發展需求，重點面向密集用戶區域和高速移動環境下高效寬帶無線通信核心應用[30]。

多域協同的概念正陸續滲透到無線通信的新技術研究中，一些相關技術閃亮登場。空時頻編碼探索了空間、時間、頻率三域協同，取得了有意義的理論成果[31]；MIMO-OFDM融合了多天線和OFDM抗多徑能力，成為無線環境下提高頻譜效率的有效手段[32]；針對香農信息論在討論信道容量時只考慮了功率、帶寬的關系，且大都只適用于單用戶應用環境等局限，多用戶網絡信息理論成為研究熱點，為面向多用戶、多業務的資源調度與優化配置指明了方向[33]。

事實上，綠色無線通信體系構架可以整體描述為一個多域協同問題[30]：

其中，G是綠色通信體系構架的綠色效用函數，g是綠色效用度量指標，即綠色無線通信功耗、頻譜效率等折中優化的綜合指標；約束函數包括系統容量（R），系統服務質量保證（QoS）；函數自變量包括功率（P）、頻率（F）、時 間（T）、空間（S）、業務（E）等多個域。通過研究多個域的綜合協同方法，可望探索出提高綠色效用度量指標的基礎理論。

研究表明，在無線通信系統中融入多域協同的思想，可以在給定資源約束的條件下，有效提高無線通信系統容量以及通信質量[30]。換言之，可以在滿足系統對容量的要求以及用戶對服務質量要求的前提下，通過合理調配資源，降低能耗，實現綠色無線通信系統“節約能源、頻譜等資源，保護環境”的根本目的。下面舉兩個個實例進行說明。

（1）在基站協同研究中，通過采用多基站載波相位協同調整的方法[34]，使小區邊緣用戶接收到的來自各基站的干擾信號相互抵消，有效地提高蜂窩小區邊緣的容量。基站協同通過調整來自多點的不同頻率載波相位，探索了空間、頻率、信號、網絡等多域協同的方法，在一定的發射功率下，有效地提高了蜂窩小區邊緣的容量。在滿足一定小區邊緣容量要求的前提下，可通過基站協同代替傳統的增加基站發射功率的方法，有效節約基站發射功率。

（2）在中繼傳輸研究中，通過在適當的傳輸距離內使用合適的中繼節點對信號進行復制、調整和放大，并進行中繼距離與傳輸時延要求的折中，實現了在一定的功率限制下延伸網絡、擴大通信范圍的目的。中繼傳輸通過探索功率、時間、網絡三域協同，達到了節省傳輸功耗、提高通信質量的目的。另外，利用協同中繼節點可獲得協同分集增益，實現空間、時間、業務等多域協同，進而提高系統容量和通信質量。在滿足系統容量要求的前提下有效地節約了基站發射功率。

因此，多域協同是支持綠色無線通信系統體系構架的有效方法。

4 基于多域協同的綠色無線通信系統體系構架核心技術

研究基于多域協同的綠色無線通信系統體系構架所面臨的難點和問題還有很多，如下：

·綠色效用函數和具體度量指標不清楚；

·綠色無線通信系統多個域的相關與協同方法不清楚；

·面向綠色通信要求優化后的系統物理構架和邏輯構架不清楚；

·綠色無線通信系統體系構架的性能評價指標不清楚。

以上這些難點都將對基于多域協同的綠色無線通信系統體系構架的研究形成阻礙。為了能夠對面向綠色通信的多域協同無線通信系統進行功率效率與頻譜效率的折中和綜合優化，經初步分析，主要涉及以下3個方面的核心技術。

4.1 面向多域協同的綠色效用模型與優化

綠色無線通信首要問題是解決“綠色”的定義和度量，并依據該度量建立相應的綠色效用函數和給出相應的度量指標。依據度量指標，給出綠色無線通信系統的優化方法，即如何在滿足系統需求的約束條件下，使無線通信系統的綠色度量指標最優或次優。具體可以圍繞密集用戶區域和非均勻業務分布的高效寬帶無線覆蓋展開，面向功率、頻率、時間、空間、業務等多個域的綜合協同，在滿足系統容量和服務質量約束的前提下，提出具有普適性的面向多域協同的綠色效用模型，為建立具體的綠色無線通信體系構架指明優化的目標。

面向多域協同的綠色效用模型與優化重點應針對3類網絡。

·面向多域協同的單一類型網絡綠色效用模型與優化：單一類型網絡指單獨的蜂窩網、城域網、局域網、個域網。

·面向多域協同的層疊覆蓋網絡綠色效用模型與優化：層疊網絡是指不同的異構網絡覆蓋相同的物理空間，比如室內的蜂窩網和局域網的覆蓋等。

·融合功能網絡的綠色效用模型與優化：融合功能網絡是指異構網絡為了滿足某種業務的需求而將相應功能進行融合而形成的網絡，比如通信與廣播融合網絡。

面向多域協同的綠色效用模型與優化將采用多級非線性組合優化的方法。第一級目標函數定位到綠色通信需側重功率效率并兼顧功率效率與頻譜效率的折中要求，即g=G(p0,b0),p0為功率效率，b0為頻譜效率，第二級目標函數定位到系統可以協同和優化的資源（包括功率、頻率、時間、空間）以及系統和用戶的業務等多個域，即p0=P0(P,F,T,S,E,…)和 b0=B0(P,F,T,S,E,…)。以上兩級目標函數均為非線性函數，從第二級到第一級目標函數采用組合優化的方法。針對不同的網絡研究相應的數學模型，形成與之對應的多級目標函數 （即綠色效用函數）和綠色效用度量指標（g），為綠色通信系統體系構架研究提供清晰的目標函數。

與此同時，還需要建立綠色無線通信系統體系構架的性能評價指標，包括功耗、頻譜效率、服務質量等，為構建綠色無線通信系統體系構架性能評估體系提供支撐。該性能評估體系除了能夠考察綠色無線通信系統需同時兼顧功率效率與頻譜效率的折中要求外，還能夠考察體系構架的服務質量性能，即是否能對不同業務（實時、非實時等）能夠提供相應的服務質量保證。基于以上性能綜合制定性能評價指標并建立相應的性能評估體系。

4.2 面向綠色無線通信系統體系構架的多域協同與聯合優化

綠色通信的體系構架優先考慮功耗，并兼顧功率效率與頻譜效率的折中，因此其突出特點就是優化的目標轉為功耗等綠色度量指標，系統容量轉為約束條件或次優化目標。傳統無線系統中可采用多資源域和業務域協同優化的方法，最大限度地提高頻譜效率和系統容量。在綠色無線通信體系構架中，引入多域協同優化的方法。首先需要分析具體哪些資源域和業務域是可以聯合優化的；其次針對不同的傳輸、網絡和業務，探索相應的聯合優化和資源匹配的機理和方法，具體包括以下幾種。

·綠色無線傳輸方法：面向綠色無線通信優化指標，在無線傳輸層面上明確功率、頻率、時間、空間和業務等多個域的協同機理以及多域協同傳輸的有效方法。

·綠色無線通信網絡多域協同與聯合優化方法：面向綠色無線通信優化指標，在無線通信系統多點對多點網絡層面上，明確功率、頻率、時間、空間和業務等多個域的協同機理以及多域協同網絡內部組網的有效方法。

·綠色無線通信業務匹配與網絡資源調度方法：明確功率、頻率、時間、空間和業務等多個域在異構網絡資源與業務匹配時的協同機理以及多域協同網間資源調度的有效方法。

面向綠色無線通信系統體系構架的多域協同與聯合優化，應針對約束條件，具體分析具有相關性的可協同資源域。采用多域協同的方法，基于綠色函數模型進行多資源域和業務域的協同與聯合優化。面向多用戶、多業務發展需求，在充分分析現有無線通信系統和技術各種“邊界效應”的基礎上，針對綠色無線通信的特點，以空間、時間、頻率、功率、終端、網絡等資源綜合優化利用為主線，探索面向綠色無線通信系統體系構架的多域協同無線傳輸方法、網絡聯合優化方法以及業務匹配與網絡資源調度方法。面向綠色無線通信優化指標，在無線通信系統點對點無線傳輸、多點對多點網絡、異構網絡和業務匹配3個層面上，明確功率、時間、空間和業務等多個域的協同機理，探索多域協同的有效方法，從根本上有效解決寬帶無線通信發展所面臨的快速增長的業務量需求與功耗、干擾污染和自然資源占用等問題，以滿足不斷增長的業務需求。

4.3 綠色無線通信系統的物理構架和邏輯構架設計與優化

物理構架重點描述系統網絡結構及傳輸體制等，邏輯構架指的是無線通信系統的通信協議等。傳統無線通信系統簡單的資源分配和不同技術的簡單疊加，不利于構建資源協同環境以及面向綠色無線通信的優化目標。深化綠色無線通信的相關關鍵技術及方法如下。

·物理構架優化與設計：面向綠色無線通信系統的優化目標，從網絡和用戶兩個方面設計相應的實現框架，并針對不同的業務分布，給出面向綠色通信的網絡結構，根據不同網絡應用進行相應的網絡規劃，包括硬件、傳輸體制、組網方式等。

·邏輯構架優化與設計：面向綠色無線通信系統的優化目標，針對不同的業務需求，給出面向綠色通信的網絡協議制定原則和方法，根據不同網絡應用進行相應的通信協議設計和優化，確定面向綠色通信的業務服務模式。

在面向多域協同的綠色通信效用模型與優化和面向綠色無線通信體系統系構架的多域協同與聯合優化的基礎上，探索綠色無線通信系統體系構架，具體包括物理構架和邏輯構架兩個部分。物理構架將根據不同的網絡設計拓撲和網絡規劃，并對系統中網絡和用戶的硬件進行功能設計；邏輯構架將根據不同的網絡，對系統中網絡和用戶的協議進行設計和優化，對軟件進行功能定義。在構架的設計過程中，參考傳統構架的設計方法，首先根據需求定義相應的無線通信系統模型（類似OSI模型），對模型的各個層面進行詳細描述。之后根據用戶的業務分布和密集覆蓋程度進行相應的網絡規劃，定義系統的硬件功能，包括基站、交換單元、無線接入點、中繼、核心網、用戶終端等，構成實際的系統拓撲互聯。在軟件部分，首先定義相應的協議棧結構，根據相應的協議棧完成協議分析和設計，特別是通信系統的控制和管理層面，使得無線通信網絡始終處于可控、可管的狀態，重點面向綠色無線通信系統設計相應的信令實現模式。之后，根據協議完成網絡和用戶軟件功能的定義和描述。

5 結束語

本文根據無線通信系統中體系構架和多域協同無線通信技術的發展歷程，緊跟未來無線通信行業的發展趨勢，基于功率效率優先，同時兼顧功率效率及頻譜效率的折中要求，對基于多域協同的無線通信系統體系框架進行了探討，為我國發展具有自主創新、符合未來通信綠色化要求的無線通信系統體系構架理論奠定了基礎。

1 許潁浩，范鵬飛.淺議綠色通信，http://www.cqvip.com，2008

2 陳鴻偉.3G時代綠色通信惠及民生，http://www.cww.net.cn/news/html/2009/5/31/20095311453279633.htm，2009

3 佘小勇.綠色通信：引發通信業的新變革，http://www.cqvip.com，2008

4 中國移動.綠色行動計劃，2008

5 張曉曉.火通信致力于打造綠色通信網絡，烽火技術

6 日堯.SM協會推移動通信行業綠色宣言，騰訊科技，2009(11)

7 美國聯邦交通咨詢小組.展望2050：一體化的國家交通運輸系統，2009

8 韓國信產部.數字時代的人本主義：IT839戰略，2005

9 韓國政府與愛立信合作構建4G綠色生態系統，http://www.cctime.com/html/2009-7-14/2009714223567892.htm，2009

10 GreenTouch聯盟，http://www.greentouch.org

11 中國科技部，http://www.most.gov.cn

12 Wong T， Prabhu V. Multi-mode/multi-carrier resource management in CDMA/AMPS deployment. In：Vehicular Technology Conference，Houston，Texas，USA，May 1999

13 Arslan H，Cheng J，Balachandran K.Physical layer evolution for GSM/EDGE.In：Global Telecommunications Conference，San Antonio，U S A，November 2001

14 Agustina J， Zhang P，Kantola R.Performance evaluation of GSM handover traffic in a GPRS/GSM network.In：Proceedings of the Eighth IEEE Symposium on Computers and Communications(ISCC 2003)，Kiris-Kemer，Turkey，30 June-3 July 2003

15 Viterbi A M，Viterbi A J.Erlang capacity of a power controlled CDMA system.Selected Areas in Communications，IEEE Journal on，1993，11(6)：892～900

16 Soliman S，Wheatley C.Frequency coordination between CDMA and non-CDMA systems.Technologies for Wireless Applications Digest，Vancouver，Bc，Canada，February 1995

17 Hahlman E.UMTS/IMT-2000 based on wideband CDMA.IEEE Communications Magazine，1998，36(9)：5～81

18 Chaudhury P， Mohr W， Onoe S.The 3GPP proposal for IMT-2000.IEEE Communications Magazine，1999，37(12)：72～81

19 Zhang J，Liang XJ.3G in China:environment and prospect.Management of Engineering and Technology，Portland International Center for，2007

20 Hoikkanen A.A techno-economic analysis of 3G long-term evolution for broadband access.Telecommunication Techno-Economics，2007

21 Edwards C.China goes solo[3G mobile radio].IEE Review，2003

22 Becker G，Rudrapatna R，Sowlay S，et al.Integrated network and element management system for the 3rd generation cdma2000 wireless network. Network Operations and Management Symposium，2000

23 Honkasalo H，Pehkonen K，Niemi M，et al.WCDMA and WLAN for 3G and beyond.IEEE Wireless Communications，2002，9(12)：14～18

24 Xiao Y，Lu L，Habermann J.Communication capacity of TDSCDMA systems.In：International Conference on Communication Technology：ICCT2003，Beijing，China，April 2003

25 McQueen D.The momentum behindLTE adoption.IEEE Communications Magazine，2009，47(2)：44～45

26 IEEE 802.16 task group，http://www.ieee802.org/16

27 IEEE 802.11 task group，http://www.ieee802.org/11

28 IEEE 802.15 task group，http://www.ieee802.org/15

29 西蒙·赫金（加）.現代無線通信.北京：電子工業出版社，2006

30 科技部基礎司.多域協同寬帶無線通信基礎研究（973項目）中期進展報告，2009年1月

31 Alamouti S M.A simple transmitter diversity scheme for wireless communications. IEEE Journal on Selected areas in communications，1998

32 Stuber G L，Barry J R，Mclaughlin S W，et al.Broadband MIMOOFDM wireless communications.Proceedings of the IEEE，2004

33 Xie LL，Kumar PR.A network information theory for wireless communication：scaling laws and optimal operation. IEEE Transactions on Information Theory，2004

34 唐珣.直擴系統中多基站協同多址干擾抑制方法.移動通信，2008，32(24)

35 Gerhard K，Michael G，Piyush G.Cooperative strategies and capacity theorems for relay networks.IEEE Transactions on Information Theory，2005，51(9)