基于多小區通信系統能效優化研究

霍留偉++馮小龍

摘要：隨著移動信息產業的發展，無線通信設備劇增，通信系統能耗也隨之增加。不斷攀升的系統能耗問題制約了移動通信的發展，以基站資源塊和發射功率的最優分配方案來提高無線通信系統能效（EE，Energy Efficiency，能量效率）已經成為當下研究的熱點。文章首先構造了系統能效優化的函數，采用KKT、凸優化的算法，獲得最大的系統能效。然后針對系統能效優化的系統模型進行分析，對不同網絡場景下的能效優化研究現狀進行綜述。最后，對多小區通信系統能效優化的研究進行了總結與分析。

關鍵詞：多小區；能效；優化；系統模型

近年來，4G網絡的大力建設和智能終端設備的普及，刺激了移動互聯網產業的迅猛發展。移動接入網絡帶寬和速率的提升，給用戶帶來了更好的數據體驗，使得用戶數據業務增長和高品質接入的需求增強。然而隨著網絡發射節點覆蓋范圍的縮小和安裝密度的增加，網絡的能量消耗與運營成本的矛盾也日益突出。

據研究發現，通信信息產業能耗己成為全球第5大耗能產業，二氧化碳排放占全世界碳排放的5%。2015年中國移動發布的相關數據顯示，中國移動年耗電量在100億度左右，基站能耗占比在整個企業已超過60%，是通信產業能耗的主要集中部分。工作基站的耗能主要是基礎設施、傳輸和射頻等部分，占基站總能耗的49%～51%。無線通信網絡中的數據接入是動態的，潮汐效應就是一個重要的體現。在空間維度上，人口密集度較大區域，如寫字樓、醫院、車站等地區流量負載較高。人口密集度小的區域，如城市郊區等數據流量負載較低。在時間維度上，工作時間段內辦公區域通信網絡負載重。下班時間段內網絡的負載變輕。在夜間辦公區域甚至會出現零負載的現象。在通信系統負載較低的情況下可以動態地關閉或開啟某些基站，降低通信基站的能耗，實現綠色節能，參考文獻研究了動態調整基站休眠（或關閉狀態）技術降低系統能耗的可行性，對基站休眠的研究概況進行了綜述，文章指出基站休眠技術的節能來源于低利用率基站的固定部分能耗。

在通信系統負載較高的情況下，基站具有較大的用戶接入量，此時系統能耗主要集中在天線發射功放部分。在蜂窩通信網絡中，頻譜資源是支撐用戶與基站間通信的基礎性資源，多個小區共享有限的頻譜資源，直接約束著用戶的接入量。提高小區的系統容量是多小區頻譜效率（SE，SpectrumEfficiency）（單位：bit/s/Hz）優化的一個重要目標，而基站射頻的功率控制是提高頻譜復用效率和降低系統能耗的關鍵。在LTE網絡中，為了提高邊緣小區的系統容量和用戶的QoS，系統引入了OFDM和MIMO等核心技術，最大程度的復用可用頻率，但小區之間的干擾是一個最大的制約問題。干擾協調技術（ICIC，Inter-Cell Interference Coordination）通過協調多小區資源塊的調度和分配，有效地降低了小區之間的干擾。小區基站資源塊分配的目標是使系統的頻譜效率最大化和能量效率最大化。頻譜效率的最大化可以使系統容量達到最大，然而系統容量的提升跟基站的功率控制又是密切相關的。系統能效的最大化是對基站發射功率利用率的最大化，然而系統能效的最大化與頻譜效率的最大化又不一致。因此，兩者之間必須有一個折衷。根據香農公式：

可知隨著基站發射功率增大，系統容量提高的速度將會變得非常緩慢，此時再通過增大發射天線功率來提高系統容量已經沒有意義。而某個小區發射功率的提高將會在同頻段上給相鄰小區帶來更大的干擾，為了能夠高效充分的利用可用頻譜和天線發射功率，對多小區系統能效的研究具有非常大的意義。在5G系統模型的研究中，能量效率（EE，EnergyEfficiency）（單位：bits/Joule）被作為評估網絡效率性能的三大指標之一。

本文主要包括3個部分，首先構造多小區系統能效優化的函數，采用KKT、凸優化等算法，獲得最大的系統能效。然后針對系統能效優化的系統模型進行分析，對不同網絡場景下的能效優化研究現狀進行綜述。最后，對多小區通信系統能效優化進行了總結與分析。

1 能效優化函數的構造

在多小區系統模型能效優化中，通常將系統能效定義為系統的和速率與基站發射總功率的比值，表示為：

其中，η表示系統的能效。i表示小區的編號。R_i表示第i個小區的總速率。P_i表示第i個基站發射有用信號的功率。a_i表示發射信號放大器的轉化效率。P_c，i表示第i個小區在不發射信號時的固定消耗功率。第f個小區的總的發射速率R_i，可以由香農公式計算求得，表示為：

其中n表示在小區i中子信道的編號，小區i中共N條信道。R_n代表子信道n的帶寬。n₀表示高斯白噪聲的功率密度。 在小區中子信道的發射功率，。表示小區受到的來自其他小區的干擾噪聲功率。 在滿足用戶QoS的前提下，結合能效優化的算法，為每個用戶合理的分配系統帶寬和發射功率，得到最大的系統能量效率。求解系統最大能效值常用計算方法有分式規劃、凸優化、max-min、對偶分解[等。

2 能效優化系統模型的相關研究

系統模型是研究系統能效優化的基礎，在多小區系統能效優化的研究中，目前比較常用的系統模型有傳統蜂窩網絡基站模型、異構網絡模型、多小區協同通信網絡和協作中繼網絡等，如圖1所示。

2.1 傳統蜂窩網絡的能效優化系統模型

在傳統蜂窩網絡中，多采用宏基站覆蓋的方式，單個小區的覆蓋面積比較大，頻率復用因子通常為3、7、9等，頻譜復用效率比較低。在4G和5G網絡中，為了滿足用戶高速率通信的需求，在采用OFDM和MIMO等技術的同時，也要為用戶提供更大的通信帶寬，這就要求在單個小區充分的利用頻譜資源，使頻譜復用因子盡可能的接近于1。在LTE通信系統中，最大帶寬可以達到20MHz，小區間的同頻干擾問題非常嚴重，為了解決此問題，3GPP標準提供了兩種干擾協調方式：部分頻率復用（FFR，Fractional Frequency Reuse）和軟頻率復用（SFR，Soft Frequency Reuse） SFR，這兩種方式都對功率控制具有較高的要求。參考文獻對影響SFR和FFR能效的因子進行了研究，通過改變影響SFR和FFR發射功率和系統頻譜效率的因子，對比了兩種系統能效的高低，并提出了影響因子的取值范圍，然而參考文獻中并未對兩種干擾協調技術的能效優化算法進行研究。參考文獻研究了FRR系統中最優的能效功率控制技術，在用戶速率受限的情況下使每個小區內單個比特的發射功率損耗最小。通過采用Dinkelbach理論，將系統能效的分式優化問題轉化成參數規劃問題。利用KKT條件，求解出最優的系統功率分配方案。結果表明，文章提出的功率控制算法可以有效的提高FFR多小區系統的能效。

2.2 異構多小區網絡中的能效優化

用戶群體通信行為具有高密集度、高移動性等特點，小區中部分區域出現用戶過于集中的現象。為了滿足用戶接入需求，同時降低系統能耗，小型蜂窩、飛蜂窩等作為宏蜂窩小區的補充，向用戶提供服務。通過在人口稠密地區或宏蜂窩小區邊緣布置小蜂窩和飛蜂窩，增加局部的用戶接入量和服務質量，提高頻譜效率和能量效率。

參考文獻提出了一種基于云架構的多層異構網絡，系統由無線拉遠頭（RRH，Remote Radio Heads）、室內基帶處理單元（BBU，Base Band Unit）和高功率發射節點（HPN，High Power Node）構成，RRH覆蓋范圍小、能耗低，主要為用戶提供高數據率和高QoS （Quality of Service）的接入服務，由BBU池統一管理。HPN覆蓋范圍廣、能耗高，部署到保證無縫覆蓋和QoS要求較低的用戶服務。HPN的數據處理中心與BBU pool進行通信，協調網絡的覆蓋和頻段的復用。文章結合RRH/HPN架構方案和增強型的SFFR頻譜分配方案，提出了功率分配和頻譜分配的非凸目標函數，并將其轉換成等價可求解的凸函數，通過lagrange對偶方法求解出最優能效的資源塊和發射功率分配方案，并提出資源塊的比例分配是系統能效最優的重要研究方向。參考文獻提出了一種LTE/WIAN混合架構。在LTE的小區邊緣部分設置WLAN接入點，通過判斷用戶接收到來自LTE基站的下行信號門限，向LTE基站發送切換請求，將網絡切換到WLAN網絡中，來提高LTE系統的吞吐量和能量效率。理論分析和仿真結果表明，所提出的新型網絡提升了用戶的系統吞吐量和系統能效。

2.3 多小區協同網絡中的能效優化

位于小區邊緣的用戶可以接收到來自多個小區的信號，因此對接入小區具有較多的選擇，用戶可以同時接入到多個基站，這種技術稱為協作多點通信（CoMP，CoordinatedMultiPoint transmission）。參考文獻提出了一種關聯用戶的多載波聚合資源分配算法，在回程流量、用戶速率需求和基站發射功率等多個限制條件下，最大化具有權重值的能效之和，得到最大化的系統能效。基站之間通過X2空中接口交換用戶的接入信息，邊緣小區用戶可以接入到多個基站進行通信，協同地向用戶提供通信服務。這種系統模型主要考慮的是向邊緣用戶提供服務，通過減小小區間的干擾和降低基站的發射功率，來提高多小區協同的系統能效。

2.4 協作中繼網絡中的能效優化

協作中繼通信作為一種D2D （deviceto device）的通信方式，在未來的通信應用中具有廣闊的前景。遠距離信號傳輸使基站和移動用戶終端消耗大量的能量，如果用戶與基站之間有可選擇中轉的中間節點，用戶通過中繼節點與基站進行通信，這種通信方式可以有效的降低系統的能耗，提高系統的通信容量。參考文獻提出了一種以系統能效最大為目標的單中繼分配算法。首先將一定范圍內的空閑移動終端作為帶選擇的中繼節點，計算用戶與中繼節點通信的能效，然后以此能效作為權值，采用最大權重匹配的方法選擇中繼節點，以譯碼轉發的方式將發送節點的信息借助中繼節點轉發到基站。由于采用最大能效作為權值來選擇繼節點，使系統的局部能效達到了最優，而系統整體能效卻不是最優的。參考文獻主要對協同通信的功率分配問題進行研究，構建了多中繼和多接收天線功率分配的協同通信模型，采用放大轉發模式，并提出了以系統容量最大化為準則的最優功率分配算法，使系統的能效達到最大。

3 未來研究方向分析

在做能效優化的時候，首先應先保證用戶的QoS需求，然后再做能效的優化。另外，由于用戶分布的時空特性，致使系統能效不一定能夠得到一個全局最優的解。在多小區通信系統中利用能效優化來使能量效率達到最大，在綠色通信中具有較大的應用和發展潛力。

大規模MIMO技術作為物理層的一項關鍵技術，具有較高的頻譜利用效率，特別是可以工作在毫米波段，在5G網絡中具有非常廣闊的應用前景。超密集異構網絡是無線通信網絡架構發展的必然結果，由宏蜂窩、微蜂窩及飛蜂窩所構成的多層結構網絡可以提供高彈性和高能效的通信服務，大規模MIMO通過信道增益矩陣可以相對于一些分散的微蜂窩提供更高的能效和接入量，因此結合大規模MIMO技術和異構網絡的特性來分析系統能效問題，是當下研究的熱點。

關于協作中繼網絡的能效優化研究主要圍繞中繼節點的選擇、局部能效優化等方面，而對分簇協作中繼通信的能效優化研究相對較少。在未來可以通過將用戶進行分簇，以簇頭作為中轉節點的方式進行通信，為了減少對簇頭節點的能耗，降低給簇頭帶來的損失，可以引入懲罰因子（如簇頭流量補償、費用補償等方式）來調節用戶間的公平性，提高系統的整體能效。

4 結語

綠色通信是信息產業發展的重要方向和必然趨勢。通信系統的能耗已經成為了運營商降低成本的主要問題。在未來實現綠色通信方案中，綠色能源補償、基站休眠等技術在基站的能源提供和建耗方面具有較大的意義。而對于基站發射信號功放這部分系統能效的優化應該是綠色通信中研究的重點。本文對多小區無線通信能效優化問題研究的緊迫性進行了分析，并介紹和綜述了最近幾年多小區無線通信能效優化模型的研究狀況。在已有研究的成果上，本文認為，功率控制和干擾協調是能效優化研究的重要切入點，通過采用凸優化、動態博弈等優化算法，合理的選擇用戶接入方式、接入基站、資源塊、基站發射功率等是能效優化研究的重點。SFR/FFR、大規模MIMO、協作中繼通信等作為5G網絡模型中潛在關鍵技術，其能效優化的研究具有非常大的意義。