分層異構密集無線網絡的能效性能分析*

張珩智，趙中原，楊富棟，李 勇

（北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室 北京100876）

1 引言

2013 年12月4日,工業和信息化部同時向三大電信運營商發放了TD-LTE 4G牌照。2014年3月3日，繼中國移動、中國電信先后啟動4G網絡商用之后，中國聯通也宣布將在3月18日啟動4G的正式商用。這也標志著在3G商用近5年之后，4G在我國正式進入商用階段。目前，已有超過260個國家和地區部署了商業LTE，其中超過200個屬于LTE FDD范疇，28個屬于LTE TDD范疇，還有13個屬于LTE FDD/TDD融合網絡，全球已有120家制造商發布了1 240款LTE終端設備。4G網絡正在進入全面發展階段。

工業和信息化部電信研究院在2014年2月21日召開的“ICT深度觀察大型報告會”上，發布了中國通信產業“2013年十大關鍵詞和2014年十大趨勢”。報告中指出，我國有望躍升4G全球第二大市場，3G用戶數量將突破5億戶。如此龐大的用戶群對于無線網絡的容納能力、覆蓋范圍以及服務質量都提出了更高的要求。按照目前的增長速度，到2020年，無線接入網絡將會發生巨大的變化。業務量將會提升500～1 000倍，同時熱點區域用戶數量和業務量需求也會使得異構節點數量越來越多，可能是宏基站的10倍以上，在這樣的密集部署場景中，更多異構節點的部署，使得無論是干擾環境，還是系統能量消耗都更加復雜。

已有研究表明，分層異構技術可以提升鏈路的質量和頻譜效率，有效解決宏網絡覆蓋空洞的問題[1]。分層異構無線網絡的節點包含宏蜂窩、遠端無線頭（RRH）、微微小區（picocell）、家庭基站（femtocell）、中繼等。分層異構無線網絡的部署可以減輕宏蜂窩負載、提高特定區域的覆蓋質量、改善邊緣用戶性能。此外，采用這樣的部署方式還可以有效降低網絡開銷、減少能量消耗、降低運營商網絡部署成本，是LTE-Advanced系統中的關鍵技術之一[2]。基于分層異構技術在學術界已有的研究成果，在3GPP LTE R10/R11所定義的異構網絡的基礎上，各運營商在3GPP LTE R12中提出了小小區增強（small cell evolution,SCE）技術解決方案，SCE網絡也被稱為分層異構密集無線網絡。

與之前的3GPP R10、R11版本相比，SCE網絡拓撲結構有較大的改變。異構低功率節點部署更密集、部署呈現簇部署特性、業務量時變非均勻是SCE網絡拓撲的主要特性。這種無線組網新方式會帶來一些新的問題。從系統性能和頻譜效率的角度考慮，每個小小區業務量波動較大，小小區之間的干擾情況更加嚴重，用戶的移動和切換問題更加復雜，在3GPP R10和R11版本中所提出的干擾協調和干擾消除技術需要加以改進來適應小小區的要求，同時性能提升和算法復雜度上需要進行折中；從能效的角度考慮，密集部署和簇部署特性使得系統能量消耗更加嚴重，另外這些異構節點的回傳鏈路（主要指連接無效接入網絡和核心網絡的鏈路）容量受限和時延對頻譜效率和能效也會產生影響。

2 系統模型和小小區部署場景

在3GPP TR 36.932中，對小小區增強技術的場景和要求做了詳細的定義和規范[3]。根據協議，小小區場景部署需要考慮宏覆蓋、室內/室外、回傳鏈路的理想性、稀疏/密集、同步、頻譜分配、業務量、后向兼容性等因素。分層異構密集無線網絡結構如圖1所示。

小小區不僅可以部署在宏小區覆蓋范圍內，也可以單獨部署，例如室內場景。而室內與室外場景中一個關鍵的不同點就是移動性：室內用戶一般會保持靜止或者以一個較低的速度移動；室外場景存在高速移動的用戶，這對于小小區部署也是一大挑戰。回傳鏈路在大規模小小區部署場景中是非常重要的一個因素，一些非理想回傳鏈路性能見表1。需根據業務量和業務熱點區域，例如市郊、市內、大型商場超市等，合理地選擇合適的小小區節點部署密度，以平衡部署成本和用戶需求。在考慮宏覆蓋的場景中，小小區節點和宏基站之間可以是同步的，也可以是非同步的；可以是同頻的，也可以是非同頻的，非同頻的情況下，小小區節點使用頻段目前集中在更高的頻段 （如3.5 GHz），在這一頻段下可以使用更寬的帶寬。由于每個小小區節點用戶數較少而且分布不均，因此業務量的波動會很大，上行和下行的業務量并不對稱，在時域和頻域上業務量分布存在非均勻分布的情況。在后向兼容性方面，允許傳統（R12版本之前）的用戶接入小小區節點，同時新的用戶也會引入以適應小小區網絡和技術。

圖1 分層異構密集無線網絡結構

表1 非理想回傳鏈路性能

3 能效指標和模型

在蜂窩無線網絡中，基站端的能量消耗占據了系統總能耗的60%[4]。因此，如何提升基站端的能量效率是系統能效研究的關鍵。與宏基站相比，小小區節點的能耗更小。在R10/R11版本的低密度部署中，基本對異構節點的能效考慮很少。但是，從3GPP R12標準中對小小區增強的分析可以看出，小小區節點部署密度很大，總的異構節點能耗遠遠超過R10/R11版本中的異構節點能耗。因此在這一大密度部署場景中，與傳統異構網絡相比，能效性能和技術需要做改進和優化[5]。

如何提升系統能效也是目前業界研究的重點。在2010年，歐洲啟動了EARTH（Energy Aware Radio and Network Technologies）項目，其中提出了與能耗有關的系統模型，并指出在2012年LTE網絡能耗能削減4倍以上。隨后，在歐洲創新技術學院（EIT）提出的5GREEN項目（即5G系統下的綠色通信）中，GreenTouch聯盟提出，與2010年相比，現有網絡的能耗已經被削減10倍以上。同時，5GREEN項目報告中還提到了極端密集網絡部署下避免能耗的問題（不連續發射/不連續接收）以及由此帶來的回傳鏈路的問題。此外，在Green Radio、OPERA-Net、eWin等項目中，也對無線通信能效模型、結構和提升能效的方法給出了可行的思路。但是，當前大多考慮鏈路級能效模型和技術，對系統級能效模型和能效指標，尤其是小小區增強場景下的能效模型、指標和性能的研究較少。

現有能效指標可以分為兩類，即系統容量（數據量）/能耗指標和能耗/面積指標。其中，系統容量（數據量）/能耗指標又可以根據容量和能耗的定義，分為系統容量/能耗、數據量/能耗、頻譜效率/功耗3種。參考文獻[6]中運用系統容量與功耗之比作為衡量能效的指標，這個指標目前應用廣泛，但是在部分場景中功耗是定值，這時評價能效與評價吞吐量是等價的，只是在量綱和數值上成比例變化。參考文獻[7]中運用數據量與能耗之比作為衡量能效的指標，這個指標目前支持的場景最多，它統計的是一段時間內成功傳輸的數據量以及一段時間內的系統性能。參考文獻[8]中運用頻譜效率與能耗之比作為衡量能效的指標，它可以權衡頻譜效率與能效，能通過仿真比較設計出頻譜效率性能和能效性能均很好的網絡設計方案。但是對于同構網絡，系統帶寬為定值，這時評價頻譜效率與評價能效是等價的，只是在量綱和數值上成比例變化。參考文獻[9]中用的是功耗與區域面積之比作為衡量能效的指標，它適合低業務負載網絡，考慮的是在不規則網絡中，如何最小化功耗，但是覆蓋面積并不適合用于衡量系統效率。其中，各個指標之間可以通過場景部署或者公式推導進行轉換。

4 小小區增強場景仿真

針對3GPP TR 36.932提出的小小區增強技術部署要求，參考文獻[3]提出了用于性能評估的4種典型場景，見表2。

表2 小小區增強場景

本文考慮室外場景，即場景1和場景2a。小小區節點采用pico基站。考慮小小區簇的情況下，簇中小小區數目從2個到16個不等。這樣在熱點區域（簇）中，小小區的密度可以從很小到非常大，最終甚至可以和用戶的數量相比。

場景1如圖2所示，宏小區與小小區使用相同的載波頻率（2GHz），可使用的載波數量都為1，每個載波帶寬為10MHz。宏小區的部署與R10/R11異構網絡相同，采用六邊形蜂窩網格模型，19小區或7小區、三扇區結構。小小區的部署采用簇部署方式，先在宏小區地理區域內均勻隨機部署若干個小小區簇，再在小小區簇中均勻隨機部署若干個小小區。每個宏小區內小小區簇的個數為1、2或4個，每個小小區簇內小小區的個數為2、4、8或16個。每個宏小區地理區域內有60個用戶，其中2/3的用戶均勻隨機地被放置在小小區簇內，1/3的用戶均勻隨機地被放置在整個宏小區地理區域內。

圖2 場景1網絡結構

場景2a如圖3所示，與場景1不同之處在于小小區使用3.5 GHz的載波頻率，與宏小區載波頻率不同。在這一場景下小小區可以使用最多2個載波。宏小區、小小區以及用戶的部署與場景1一致，信道模型也與場景1相同。

圖3 場景2a網絡結構

能耗模型采用發射功率+基礎功耗的方式，能效指標采用頻譜效率/功耗表達式。

在宏基站覆蓋范圍內，小小區節點和宏基站同頻的情況下（場景1），系統能效模型可以表示為：

其中，Cmacro和Cpico分別是宏基站和pico基站的頻譜效率，Pmacro和Ppico分別是宏基站和pico基站的功耗，功耗表達式分別為：

其中，Pmtx和Pptx分別是宏基站和pico基站的發射功率，Pm0和Pp0分別是宏基站和pico基站的基礎功耗。

在宏基站覆蓋范圍內，小小區節點和宏基站異頻的情況（場景2a）下，系統能效模型可以表示為：

5 仿真與分析

5.1 仿真場景設定

仿真選用符合3GPP規范的動態系統級仿真平臺[10]，具體仿真參數配置見表3。

表3 仿真參數

表4是仿真時各功耗參數。

表4 功耗參數

5.2 仿真性能

圖4～圖10中，空閑基站表示無服務用戶的基站基礎功耗為0，所有基站表示所有基站都有基礎功耗。

（1）同頻網絡系統能效

圖4仿真了不同pico數目下的扇區平均頻譜效率。可以看出，隨著pico數目的增加，扇區平均頻譜效率也逐漸增加，但是增加的比例在逐漸減少。更多的pico基站的部署使得系統的頻譜資源復用度增加，同時使得pico用戶的干擾也越來越大。

圖4 不同場景下的系統頻譜效率

pico基站基礎功耗為6.8 W時，扇區平均系統能效如圖5所示。可以看出，系統能效隨著部署基站數量的增加而增加。對于無服務用戶的基站，將其設為睡眠模式或關閉狀態，可以有效提升系統能效，而且pico基站部署越多，這種基站睡眠或關閉策略對系統能效的提升越大。

圖5 P0=6.8 W時不同場景下的系統能效

pico基站基礎功耗為30 W時，扇區平均系統能效如圖6所示。可以看出在這種場景下，能效隨著部署基站數量的增加會先增加后減少，即出現一個最大值點。這主要是由于此時扇區中pico基站的基礎功耗（30 W）可以和宏基站的基礎功耗（130 W）相比擬，功耗的增加與基站數成正比，而頻譜效率由于受到干擾的影響，增長趨勢不如功耗，因此16pico場景的能效反而比8pico的能效要差。

圖6 P0=30 W時不同場景下的系統能效

可以看出不同的參數設置（如圖5和圖6所示，P0分別為6.8 W和30 W）會導致的能效性能趨勢。

（2）異頻網絡系統能效

圖7仿真了不同pico數目下的pico用戶扇區平均頻譜效率。可以看出，隨著pico數目的增加，扇區平均頻譜效率也逐漸增加。

圖7 不同場景下的系統頻譜效率

圖8 和圖9分別仿真了基礎功耗為6.8 W和30 W情況下的pico基站的系統能效。可以看出，無論基礎功耗設置為多少，pico基站的系統能效都隨著部署的pico數的增加而減小。這主要是由pico基站頻譜和功耗的提升比例導致的。圖10仿真了4pico、8pico、16pico場景的頻譜效率和功耗相對于2pico場景提升的比例。隨著pico數的增加，頻譜效率和功耗同時增加，但是功耗的增加是頻譜效率提升的數倍（以16pico為例，功耗提升近6倍，而頻譜效率只提升1.8倍），導致能效降低。造成這種增加不平衡有兩個主要原因：用戶的接入方式和基站間的干擾。用戶按RSRP（reference signal received power，參考信號接收功率）準則進行接入。RSRP準則是使用戶接收信噪比最大準則，按RSRP方式接入有利于提高系統的頻譜效率，但是不一定有利于提升能效。可以通過尋找一種更合適的用戶接入方式，達到頻譜效率和能效之間的一個折中。由于基站部署在一個很小的區域中，所以隨著部署基站數的增加會使得基站間干擾十分嚴重，這樣不光使得功耗增加，還使得頻譜效率的增加并沒有預期的那么大，通過更好的資源分配來控制基站間的干擾，通過提升系統頻譜效率來提高能效。

圖8 P0=6.8 W時不同場景下的系統能效

圖9 P0=30 W時不同場景下的系統能效

6 結束語

圖10 頻譜效率和能效提升比（相對于2pico場景）

本文在分層異構密集無線網絡中引入了能效模型和能效指標，從系統級的角度分析了宏基站和異構節點在同頻和異頻的場景下的能效性能隨異構節點部署數量的變化以及不同基礎能耗對系統能效性能的影響。最后對仿真結果進行了分析，對分層異構密集無線網絡中能效的優化以及以后的研究提供了依據。

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