基于多小区通信系统能效优化研究
霍留伟++冯小龙
摘要：随着移动信息产业的发展，无线通信设备剧增，通信系统能耗也随之增加。不断攀升的系统能耗问题制约了移动通信的发展，以基站资源块和发射功率的最优分配方案来提高无线通信系统能效（EE，Energy Efficiency，能量效率）已经成为当下研究的热点。文章首先构造了系统能效优化的函数，采用KKT、凸优化的算法，获得最大的系统能效。然后针对系统能效优化的系统模型进行分析，对不同网络场景下的能效优化研究现状进行综述。最后，对多小区通信系统能效优化的研究进行了总结与分析。
关键词：多小区；能效；优化；系统模型
近年来，4G网络的大力建设和智能终端设备的普及，刺激了移动互联网产业的迅猛发展。移动接入网络带宽和速率的提升，给用户带来了更好的数据体验，使得用户数据业务增长和高品质接入的需求增强。然而随着网络发射节点覆盖范围的缩小和安装密度的增加，网络的能量消耗与运营成本的矛盾也日益突出。
据研究发现，通信信息产业能耗己成为全球第5大耗能产业，二氧化碳排放占全世界碳排放的5%。2015年中国移动发布的相关数据显示，中国移动年耗电量在100亿度左右，基站能耗占比在整个企业已超过60%，是通信产业能耗的主要集中部分。工作基站的耗能主要是基础设施、传输和射频等部分，占基站总能耗的49%～51%。无线通信网络中的数据接入是动态的，潮汐效应就是一个重要的体现。在空间维度上，人口密集度较大区域，如写字楼、医院、车站等地区流量负载较高。人口密集度小的区域，如城市郊区等数据流量负载较低。在时间维度上，工作时间段内办公区域通信网络负载重。下班时间段内网络的负载变轻。在夜间办公区域甚至会出现零负载的现象。在通信系统负载较低的情况下可以动态地关闭或开启某些基站，降低通信基站的能耗，实现绿色节能，参考文献研究了动态调整基站休眠（或关闭状态）技术降低系统能耗的可行性，对基站休眠的研究概况进行了综述，文章指出基站休眠技术的节能来源于低利用率基站的固定部分能耗。
在通信系统负载较高的情况下，基站具有较大的用户接入量，此时系统能耗主要集中在天线发射功放部分。在蜂窝通信网络中，频谱资源是支撑用户与基站间通信的基础性资源，多个小区共享有限的频谱资源，直接约束着用户的接入量。提高小区的系统容量是多小区频谱效率（SE，SpectrumEfficiency）（单位：bit/s/Hz）优化的一个重要目标，而基站射频的功率控制是提高频谱复用效率和降低系统能耗的关键。在LTE网络中，为了提高边缘小区的系统容量和用户的QoS，系统引入了OFDM和MIMO等核心技术，最大程度的复用可用频率，但小区之间的干扰是一个最大的制约问题。干扰协调技术（ICIC，Inter-Cell Interference Coordination）通过协调多小区资源块的调度和分配，有效地降低了小区之间的干扰。小区基站资源块分配的目标是使系统的频谱效率最大化和能量效率最大化。频谱效率的最大化可以使系统容量达到最大，然而系统容量的提升跟基站的功率控制又是密切相关的。系统能效的最大化是对基站发射功率利用率的最大化，然而系统能效的最大化与频谱效率的最大化又不一致。因此，两者之间必须有一个折衷。根据香农公式：
可知随着基站发射功率增大，系统容量提高的速度将会变得非常缓慢，此时再通过增大发射天线功率来提高系统容量已经没有意义。而某个小区发射功率的提高将会在同频段上给相邻小区带来更大的干扰，为了能够高效充分的利用可用频谱和天线发射功率，对多小区系统能效的研究具有非常大的意义。在5G系统模型的研究中，能量效率（EE，EnergyEfficiency）（单位：bits/Joule）被作为评估网络效率性能的三大指标之一。
本文主要包括3个部分，首先构造多小区系统能效优化的函数，采用KKT、凸优化等算法，获得最大的系统能效。然后针对系统能效优化的系统模型进行分析，对不同网络场景下的能效优化研究现状进行综述。最后，对多小区通信系统能效优化进行了总结与分析。
1 能效优化函数的构造
在多小区系统模型能效优化中，通常将系统能效定义为系统的和速率与基站发射总功率的比值，表示为：
其中，η表示系统的能效。i表示小区的编号。Ri表示第i个小区的总速率。Pi表示第i个基站发射有用信号的功率。ai表示发射信号放大器的转化效率。Pc，i表示第i个小区在不发射信号时的固定消耗功率。第f个小区的总的发射速率Ri，可以由香农公式计算求得，表示为：
其中n表示在小区i中子信道的编号，小区i中共N条信道。Rn代表子信道n的带宽。n0表示高斯白噪声的功率密度。 在小区中子信道的发射功率，。表示小区受到的来自其他小区的干扰噪声功率。 在满足用户QoS的前提下，结合能效优化的算法，为每个用户合理的分配系统带宽和发射功率，得到最大的系统能量效率。求解系统最大能效值常用计算方法有分式规划、凸优化、max-min、对偶分解[等。
2 能效优化系统模型的相关研究
系统模型是研究系统能效优化的基础，在多小区系统能效优化的研究中，目前比较常用的系统模型有传统蜂窝网络基站模型、异构网络模型、多小区协同通信网络和协作中继网络等，如图1所示。
2.1 传统蜂窝网络的能效优化系统模型
在传统蜂窝网络中，多采用宏基站覆盖的方式，单个小区的覆盖面积比较大，频率复用因子通常为3、7、9等，频谱复用效率比较低。在4G和5G网络中，为了满足用户高速率通信的需求，在采用OFDM和MIMO等技术的同时，也要为用户提供更大的通信带宽，这就要求在单个小区充分的利用频谱资源，使频谱复用因子尽可能的接近于1。在LTE通信系统中，最大带宽可以达到20MHz，小区间的同频干扰问题非常严重，为了解决此问题，3GPP标准提供了两种干扰协调方式：部分频率复用（FFR，Fractional Frequency Reuse）和软频率复用（SFR，Soft Frequency Reuse） SFR，这两种方式都对功率控制具有较高的要求。参考文献对影响SFR和FFR能效的因子进行了研究，通过改变影响SFR和FFR发射功率和系统频谱效率的因子，对比了两种系统能效的高低，并提出了影响因子的取值范围，然而参考文献中并未对两种干扰协调技术的能效优化算法进行研究。参考文献研究了FRR系统中最优的能效功率控制技术，在用户速率受限的情况下使每个小区内单个比特的发射功率损耗最小。通过采用Dinkelbach理论，将系统能效的分式优化问题转化成参数规划问题。利用KKT条件，求解出最优的系统功率分配方案。结果表明，文章提出的功率控制算法可以有效的提高FFR多小区系统的能效。
2.2 异构多小区网络中的能效优化
用户群体通信行为具有高密集度、高移动性等特点，小区中部分区域出现用户过于集中的现象。为了满足用户接入需求，同时降低系统能耗，小型蜂窝、飞蜂窝等作为宏蜂窝小区的补充，向用户提供服务。通过在人口稠密地区或宏蜂窝小区边缘布置小蜂窝和飞蜂窝，增加局部的用户接入量和服务质量，提高频谱效率和能量效率。
参考文献提出了一种基于云架构的多层异构网络，系统由无线拉远头（RRH，Remote Radio Heads）、室内基带处理单元（BBU，Base Band Unit）和高功率发射节点（HPN，High Power Node）构成，RRH覆盖范围小、能耗低，主要为用户提供高数据率和高QoS （Quality of Service）的接入服务，由BBU池统一管理。HPN覆盖范围广、能耗高，部署到保证无缝覆盖和QoS要求较低的用户服务。HPN的数据处理中心与BBU pool进行通信，协调网络的覆盖和频段的复用。文章结合RRH/HPN架构方案和增强型的SFFR频谱分配方案，提出了功率分配和频谱分配的非凸目标函数，并将其转换成等价可求解的凸函数，通过lagrange对偶方法求解出最优能效的资源块和发射功率分配方案，并提出资源块的比例分配是系统能效最优的重要研究方向。参考文献提出了一种LTE/WIAN混合架构。在LTE的小区边缘部分设置WLAN接入点，通过判断用户接收到来自LTE基站的下行信号门限，向LTE基站发送切换请求，将网络切换到WLAN网络中，来提高LTE系统的吞吐量和能量效率。理论分析和仿真结果表明，所提出的新型网络提升了用户的系统吞吐量和系统能效。
2.3 多小区协同网络中的能效优化
位于小区边缘的用户可以接收到来自多个小区的信号，因此对接入小区具有较多的选择，用户可以同时接入到多个基站，这种技术称为协作多点通信（CoMP，CoordinatedMultiPoint transmission）。参考文献提出了一种关联用户的多载波聚合资源分配算法，在回程流量、用户速率需求和基站发射功率等多个限制条件下，最大化具有权重值的能效之和，得到最大化的系统能效。基站之间通过X2空中接口交换用户的接入信息，边缘小区用户可以接入到多个基站进行通信，协同地向用户提供通信服务。这种系统模型主要考虑的是向边缘用户提供服务，通过减小小区间的干扰和降低基站的发射功率，来提高多小区协同的系统能效。
2.4 协作中继网络中的能效优化
协作中继通信作为一种D2D （deviceto device）的通信方式，在未来的通信应用中具有广阔的前景。远距离信号传输使基站和移动用户终端消耗大量的能量，如果用户与基站之间有可选择中转的中间节点，用户通过中继节点与基站进行通信，这种通信方式可以有效的降低系统的能耗，提高系统的通信容量。参考文献提出了一种以系统能效最大为目标的单中继分配算法。首先将一定范围内的空闲移动终端作为带选择的中继节点，计算用户与中继节点通信的能效，然后以此能效作为权值，采用最大权重匹配的方法选择中继节点，以译码转发的方式将发送节点的信息借助中继节点转发到基站。由于采用最大能效作为权值来选择继节点，使系统的局部能效达到了最优，而系统整体能效却不是最优的。参考文献主要对协同通信的功率分配问题进行研究，构建了多中继和多接收天线功率分配的协同通信模型，采用放大转发模式，并提出了以系统容量最大化为准则的最优功率分配算法，使系统的能效达到最大。
3 未来研究方向分析
在做能效优化的时候，首先应先保证用户的QoS需求，然后再做能效的优化。另外，由于用户分布的时空特性，致使系统能效不一定能够得到一个全局最优的解。在多小区通信系统中利用能效优化来使能量效率达到最大，在绿色通信中具有较大的应用和发展潜力。
大规模MIMO技术作为物理层的一项关键技术，具有较高的频谱利用效率，特别是可以工作在毫米波段，在5G网络中具有非常广阔的应用前景。超密集异构网络是无线通信网络架构发展的必然结果，由宏蜂窝、微蜂窝及飞蜂窝所构成的多层结构网络可以提供高弹性和高能效的通信服务，大规模MIMO通过信道增益矩阵可以相对于一些分散的微蜂窝提供更高的能效和接入量，因此结合大规模MIMO技术和异构网络的特性来分析系统能效问题，是当下研究的热点。
关于协作中继网络的能效优化研究主要围绕中继节点的选择、局部能效优化等方面，而对分簇协作中继通信的能效优化研究相对较少。在未来可以通过将用户进行分簇，以簇头作为中转节点的方式进行通信，为了减少对簇头节点的能耗，降低给簇头带来的损失，可以引入惩罚因子（如簇头流量补偿、费用补偿等方式）来调节用户间的公平性，提高系统的整体能效。
4 结语
绿色通信是信息产业发展的重要方向和必然趋势。通信系统的能耗已经成为了运营商降低成本的主要问题。在未来实现绿色通信方案中，绿色能源补偿、基站休眠等技术在基站的能源提供和建耗方面具有较大的意义。而对于基站发射信号功放这部分系统能效的优化应该是绿色通信中研究的重点。本文对多小区无线通信能效优化问题研究的紧迫性进行了分析，并介绍和综述了最近几年多小区无线通信能效优化模型的研究状况。在已有研究的成果上，本文认为，功率控制和干扰协调是能效优化研究的重要切入点，通过采用凸优化、动态博弈等优化算法，合理的选择用户接入方式、接入基站、资源块、基站发射功率等是能效优化研究的重点。SFR/FFR、大规模MIMO、协作中继通信等作为5G网络模型中潜在关键技术，其能效优化的研究具有非常大的意义。
