无线通信系统能效问题及机制分析

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摘要：针对当前无线通信系统能量使用效率低下的问题，从建立合理的能效指标和能耗模型入手，围绕无线资源管理、网络部署策略、物理层技术和网络架构等多个层面，展现一系列能量节省技术，并总结归纳最新的研究成果。在无线资源管理方面，阐述动态功率控制和多无线接入协调等机制；在网络部署方面，探讨异构网络、分布式天线阵列和多跳蜂窝等机制；在物理层技术和网络架构方面，主要说明MIMO（多输入多输出）、OFDM（正交频分复用）和跨层优化机制。此外，指出该研究领域面临的挑战和今后的工作方向。

关键词：无线通信；能量效率；网络架构；资源管理；跨层优化

引言

当前温室效应和节能减排问题日益突出，其中很大一部分能耗源自信息通信技术迅猛发展带来的大量通信设施，特别是移动无线通信的能耗占据了很大一部分比例。巨大的能耗不仅带来了昂贵的资本投入和资源浪费，而且造成了巨大的环境污染，进一步加剧了温室效应。此外，移动通信用户对于手持终端电池的使用时间和待机时间也提出了越来越高的要求。为此，在兼顾通信容量和频谱效率的同时提高无线通信的能量使用效率是一项急需解决的难题。近年来，产业界和学术界针对无线通信的能量效率问题进行了广泛而深入的研究，开展了多个相关研究项目，如GreenRadio（绿色无线电），并在多个研究方向取得卓有成效的研究成果，包括低功耗电路设计、高能效功率放大器和DSP（数字信号处理）、先进的冷却通风系统、能耗指标和模型、微微蜂窝网络部署、中继和协作通信、自适应负载平衡、MIMO（多输入多输出）、OFDM（正交频分复用）和高能效的资源管理机制等。本文在说明衡量无线通信能量效率指标和能效模型的基础上，探讨了提高无线通信能量效率的一系列技术。

1能效指标和模型

制定全面合理的能耗效率指标（简称能效指标）直接关系到网络能耗设计的优化目标和决策行为。当前，最常用的一种能耗效率指标是比特/焦耳，用于衡量单位能耗下系统吞吐量。实验表明，能效指标比特/焦耳随着节点数量的增加而增加，这意味着能效的提高带来网络规模和时延的增加。但是，现有的能耗模型通常只关注传输功率，当考虑收发器自身电路功耗时，优化的能量效率需要折中考虑传输功耗和电路功耗，如图1所示。此外，对于长距离通信而言，传输功耗占据统治地位，此时MFSK（多进制频移键控）的能量效率高于MQAM（多进制正交幅度调制）。反之，电路功耗居首，此时MFSK的能量效率低于MQAM。因此，通过优化传输时间和调制参数，可以大大节省无线通信的能耗。同理，相关文献提出了一种信道编码调制自适应切换机制和动态功率分配方案来提高能量效率。另一方面，建立准确的能耗模型对于评价能量效率也是一个关键的环节。例如，蜂窝网络中的能耗模型可以分为不考虑业务流量的静态能量模型和考虑业务流量的动态能量模型。研究测试表明，动态能量模型更适合于微蜂窝基站，而静态能量模型适用于宏蜂窝基站。此外，数据吞吐量还应该考虑剔除控制开销和无效的数据。由此可见，传统的能耗指标和能耗模型较为片面，急需整体全面的能效指标和能耗模型，综合考虑传输功率、电路功耗和信令开销等。需要说明的是，设计无线通信网络时能量效率固然重要，还要综合考虑频谱效率、部署成本、网络覆盖、QoS需求和用户体验等诸多因素。

2能量高效的无线资源管理

能量高效的无线资源管理是降低无线系统能耗的一种有效方法。当前很多部署的无线网络都是根据峰值负载设计的，能更好改善用户的服务体验，但是在业务负载较低的时候就造成了极大的资源（能量）浪费。针对上述问题，业界提出了动态功率节省、基于业务负载的蜂窝小区呼吸模式以及业务意识的蜂窝激活/休眠切换机制等。但是需要注意的是，上述能耗节省机制会对网络覆盖和服务质量带来不同程度的影响。与此类似，除了基站用户，终端也可采用基于负载变化的能量节省机制，包括动态配置带宽、天线和载波数量。除了考虑业务负载的变化外，无线资源管理机制还应考虑QoS（服务质量）需求的多样性，即服务要求差异性。随着无线通信业务的日益丰富，通过区分业务类型并针对不同业务类型采取适当的资源管理机制无疑可以节省不必要的能耗，如通过适当增加业务时延来节省能耗。举例来说，延迟容忍网络可以采用存储携带中继转发策略来节省时延容忍性业务的能耗。不难看出，现有的方案主要考虑了时域，今后的资源管理解决方案将会综合考虑时域、频域和空域进行联合优化。无线传感网络包括各种传感和通信设备，有些有外供电源，有些靠电池供电，后者必须关注能耗问题。例如，传感器用来监测和收集居家用户的信息，它们需要根据用户行为的变化来调节其操作状态。另外，管理员应该能够根据应用来设置家庭设备的功率控制策略，如不同传感器采集数据的频率和传感器的休眠工作状态以及传感器的工作参数。功率管理采用休眠调度策略在不影响网络覆盖和连通度的情况下减少节点能耗。情景意识的功率管理子系统能够了解用户的行为规律，可以据此动态选择功率管理策略以减少能耗，完成信息感知和传输功能。当然，管理员也可以直接发送指令进行功率管理操作，当用户在房间睡觉或离开房间时，可以关掉温湿度和灯光传感器。情景意识功率管理的优势在于管理员可以根据应用需求来定义适当的情景策略。此外，为了解决功率操作的冲突，需要根据用户行为和应用需求为不同的操作制定不同的优先级。基于情景感知的能量管理系统架构如图2所示，包括传感器驱动程序（控制器）、情景意识能量管理器、昼夜活动节律分析程序、情景管理器和用户接口5个主要功能模块。传感器驱动模块控制传感器的工作模态，包括感知和工作/休眠模式等，并且维护传感器的当前状态和控制命令的相关信息，以便处理控制冲突。情景管理器通过收集传感器的数据来获取用户和环境的当前情景信息，进行分析处理并将其存储在后台数据库中。情景意识能量管理器根据情景信息、能量控制策略、用户行为和应用需求控制传感节点的能量管理操作。用户接口和用户行为分析模块提供用户与网络进行交互的友好界面，并学习和适应用户行为习惯。例如，不同用户有不同的行为方式和习惯特点，基于情景感知的网络能量管理系统可以根据网络实时情景动态适配用户行为特征，并在尽量降低网络整体能耗的同时为用户提

3能量意识的网络部署策略

网络部署策略是蜂窝通信网络中的研究热点之一，之前的工作主要关注网络性能指标，如网络覆盖、频谱效率和网络容量。随着能耗效率越来越重要，面向能效的网络部署策略受到越来越多的关注。例如，综合考虑能耗效率和部署成本来优化蜂窝小区的数量和尺寸。此外，融合宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝和飞蜂窝的异构无线网络架构和协作式中继通信方式也是值得研究的方向。在设计节能意识的网络部署策略时，还应全面考虑传输相关的能耗和传输无关的能耗，目标是在变化的负载条件下通过优化小区的数量、尺寸和小区间的距离，以便在获得所需的频谱效率目标的前提下尽量减少能耗。尽管小尺寸蜂窝小区降低了传输功耗，但是同时增加了信令开销和干扰管理问题，需要权衡考虑。另外，分离基带单元和远程无线单元的多点协调传输技术通过优化无线网络资源和基站位置也可一定程度上减少能耗。与此同时，最小化海量用户终端的辐射也可进一步降低无线网络能耗。值得说明的是，异构无线网络部署必须谨慎考虑干扰管理和网络切换策略。除了调整蜂窝小区的尺寸和规模外，通过使用中继和协作通信技术也是改善能量效率的一种有效方法，具体体现在两个方面：较短的传输范围减少了路径损失，较低的传输功率生成较低干扰。与中继通信不同，协作式通信通过传输多样性提高了资源利用率并节省了能耗。此外，为了优化能量效率，应权衡选择中继节点的数量、物理层功率分配、信道接入和网络编码机制等。需要说明的是，上述机制的增益与网络拓扑、分组丢弃策略和流量模式紧密相关。再有，能量高效的分簇无线传感网综合考虑簇内和簇间传输的功率分配、中继节点数量、分组丢失率约束和簇之间距离等诸多因素，显著提高了能量效率。

4物理层技术和跨层网络设计

MIMO和OFDMA（正交频分多址接入）是移动无线网络采用的极为关键的物理层技术，但是以前的工作主要关注增加网络容量和频谱效率，很少考虑能量消耗。MIMO可以提供多样性增益和空间复用增益，从而有助于增加网络吞吐量和减少能耗。但是，MIMO携带的多个天线会耗费更多的电路功耗，因此有时MIMO并不比SISO（单输入单输出）更节能，特别是在传输距离较短的情况下。在很多实际系统中，用户终端只配有一副天线，为了实现MI-MO，多个用户终端协作构成多用户MIMO，即虚拟MIMO。但是，多用户MIMO不可避免地要引入本地信息交换，进而导致额外的能耗。OFDMA可以自适应地将不同的正交子载波分配给适当的用户（如信道环境更好的用户），从而提高了系统容量。同时，由于其简单性和高频谱效率，成为下一代无线移动网络，如LTE-A（高级长期演进）首选的多址接入技术。显然，OFDMA的多用户多样性不仅可以增加网络容量，而且可用于减少能耗，即根据信道状况为不同的用户分配不同的传输功率。例如，信道状态好的通信用户所需的传输功率可相应减少。但是，OFDMA在追求能量效率最大化的同时会带来资源分配的公平性问题。此外，联合MIMO和OFDMA机制可以获得更高的能量效率。相关研究表明，无线网络的跨层设计是降低能耗的一种有效方法。因为网络协议栈的多个层次之间紧密耦合，通过采用基于跨层设计的自适应传输和资源分配机制无疑能够提高系统整体的能源使用效率。但是，跨层优化设计也会带来较多的信令开销。

5结束语

随着人们对环境保护和能源节省关注的增加，绿色通信网络已成为业界关注的研究热点。本文阐述了能量高效的无线网的技术发展路线图，并介绍了当前的研究工作。然后从能效指标、网络部署策略、网络资源管理、协作通信、物理层技术和跨层设计等方面探讨了改善无线网络能量使用效率的相关技术和方案。

参考文献

1陈志德，许力.无线传感器网络节能、优化与可生存性［M］.北京：电子工业出版社，2013.

作者：王海涛 高晓燕 刘倩 单位：南京审计大学金审学院