綠色通信
——無線中繼接入網

［司徒毅 湯杰］

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綠色通信
——無線中繼接入網

［司徒毅 湯杰］

摘要文章結合通信事業(yè)發(fā)展現狀介紹了綠色通信以及綠色無線中繼接入技術，并分析了兩種無線中繼模型，側重于通過合理配置無線中繼系統(tǒng)中中繼站的數量和接入位置，以使得系統(tǒng)能耗最優(yōu)化。

關鍵詞：綠色通信無線中繼網絡系統(tǒng)優(yōu)化

司徒毅

講師，碩士畢業(yè)于中山大學通信專業(yè)，現任職于廣東輕工職業(yè)技術學院電子系，主要研究方向為無線網絡規(guī)劃、優(yōu)化等，主要成果包括：夏季基站內的溫度分析優(yōu)化、TD-LTE與WLAN共存的干擾分析與組網研究等。

湯杰

中級工程師，碩士畢業(yè)于中山大學無線電物理專業(yè)，現任職于廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司，負責無線網絡規(guī)劃、工程設計等工作。

1　引言

隨著現代無線通信服務的快速發(fā)展，越來越多的用戶通過手持終端設備接入無線通信網絡，對服務內容的要求越來越高，使得無線通信網絡的流量急劇上升。通信服務量的劇增，使得基站、終端能耗也呈急劇上升之勢。盡管通信業(yè)并非國民經濟領域中的高耗能行業(yè)，而且通信業(yè)帶給全社會的能耗節(jié)約量是其自身能源消耗量的5倍以上，但是如果從實際數據看，這卻是一個不容小覷的數值。據統(tǒng)計，僅僅在我國，作為國家基礎設施的通信網絡，從2006開始每年要消耗 200 億千瓦時以上的電能，而且還在不斷增長，2010年光是中國三大運營商用電就超過300億千瓦時（其中中國移動一家就超過120億），耗電總量在各行業(yè)中排名第14位。

然而，在當前的無線接入網絡結構下，固定基礎設施（基站）與移動臺或無線接入點之間的通信存在一些固有問題：小區(qū)邊緣存在著低信噪比，陰影效應引起的覆蓋漏洞，使得小區(qū)部分用戶的通信質量得不到滿足，需要較大的發(fā)射功率。為了滿足流量增長的要求，同時降低系統(tǒng)的能耗，根據香農定理，在網絡帶寬不變的情況下，我們可以通過提高系統(tǒng)的信噪比來改善信道，提高發(fā)送速率。從另外一個角度看，在滿足鏈路相同傳輸速率的基礎上，可以大大減小基站與用戶站的發(fā)射功率，降低基站與用戶站的耗能。

為了減小系統(tǒng)能耗，實現綠色通信，可以通過在固定基站與用戶之間部署無線中繼站，縮小通信系統(tǒng)點與點之間的距離，提高發(fā)射源結點的發(fā)射功率，在達到同樣的數據傳輸速率的條件下，降低系統(tǒng)的能耗。同時，無線中繼的部署，用短距離高速率的數據鏈路替換長距離低速率的鏈路，可以有效地繞開大部分的障礙物，從而實現信號的中繼和放大，延伸無線網絡的覆蓋范圍，通信質量得到極大提高。

2　綠色無線中繼網絡

為滿足日益增長的用戶業(yè)務需求，市區(qū)內需要鋪設大量微小區(qū)基站來實現全城覆蓋，天線中繼網絡系統(tǒng)可以靈活布置中繼站，信息處理中心能夠動態(tài)統(tǒng)一地實現資源分配，這不僅降低了鋪設基站帶來的硬件成本，同時也降低了系統(tǒng)的能量消耗。在綠色無線中繼網絡中，位于基站與用戶站之間的中繼站縮短了通信鏈路的距離，極大地提高了通信質量，降低了發(fā)射結點的發(fā)射功率。系統(tǒng)中新增部署的中繼站雖然需要消耗一部分電能，但中繼消耗的少量電能可以換來基站與終端結點能耗的極大降低，因此，從整個系統(tǒng)的角度來看，中繼站的部署符合綠色通信的要求。

圖1　傳統(tǒng)接入網與無線中繼接入網

如圖1。傳統(tǒng)無線接入網中，基站與用戶站直接進行數據通信，通信鏈路的平均距離較長；而綠色無線接入網中，基站與無線中繼進行數據通信，再由無線中繼將數據轉發(fā)至用戶站，通信鏈路的平均距離較短，在相同發(fā)射功率的情況下信道擁有較高的信噪比。

3　系統(tǒng)模型基礎

如圖2為在一個基站小區(qū)中的三層次無線中繼網絡模型：一個基站（BS，Base Station），分布于小區(qū)周圍眾多的用戶站（SS，Subscriber Station）以及從某些候選點中選取的中繼站（RS，Relay Station）?；镜奈恢糜蛇\營商提前布置好，位置維持不變，用戶站作為人群密集區(qū)手持終端用戶的接入點，負責將其覆蓋的小范圍內用戶接入無線網絡，其位置也保持不變。中繼站直接與用戶站進行通信，中繼站的位置從一些候選點（CP，Candidate Point）中選取，我們的目標就是從眾多的候選點中選取一定數量的點作為中繼站的位置點，使得無線中繼接入系統(tǒng)符合網絡規(guī)劃提出的要求，這些要求可以包括：在滿足系統(tǒng)中各用戶站最低的流量要求的情況下，中繼站數量盡可能少，或者已知需要布置固定數量的中繼站的情況下，如何有效選取中繼位置使系統(tǒng)的容量最大。

圖2　三層次無線中繼網絡

圖3　源、中繼、終端結點

在無線中繼網絡系統(tǒng)中，將小區(qū)的總帶寬B分為若干個信道，分布在小區(qū)中的多個用戶站分別利用分配可使用的信道，通過相對應的中繼站訪問基站。因此，每一條傳輸鏈路上的基站與用戶站，實質上是基本的“基站—中繼站—用戶站”三個結點的中繼模式，對于同一個用戶站來說，“基站—中繼站”、“中繼站—用戶站”以及“基站—用戶站”三條鏈路分配了相同的頻帶。

中繼站采用解碼轉發(fā)（Decode-and-Forward，DF）技術，將接收到的數據包解調解碼，并使用不同的編碼將其轉發(fā)至目標結點，這樣“基站—中繼站”與“中繼站—用戶站”的信道是正交信道，降低干擾的影響。

通過中繼站及中繼轉發(fā)技術，目標結點可獲得的數據速率是：

此處，有

α表示信道衰落指數；

Ps，Pr分別表示源結點、中繼結點的發(fā)送功率；

dsr，dsd，drd分別表示源結點—中繼、源結點—目標結點、中繼—目標結點的距離；

N0表示信道接收結點的噪聲；

θ（0＜ θ＜ 1）表示源結點在源結點—中繼、源結點—目標結點兩個信道上的功率分配比率。

4　兩種無線中繼模型

已知在某小區(qū)中有固定數量N個用戶站，并且其分布位置已知，每個用戶站都有最低的流量要求nρ，所有的用戶站的最低流量需求可以用向量表示成：P=｛ ρ1，ρ2，…，ρN｝。此基站小區(qū)的總帶寬為BW，按需分配給各個用戶站，使得各個用戶站的流量需求可以得到滿足。對于布置在小區(qū)中的中繼站，每個中繼站覆蓋一定的區(qū)域，作為該片區(qū)域中所有用戶站與基站通信的傳輸中介。

若干個候選結點，設數量為M，中繼的位置只能從這M個候選點中產生；

矩陣A=（ amn）M× N表示用戶站與候選點的對應關系，其元素的值為1或者0。1表示該用戶站與相應的中繼進行通信，0表示該用戶站不是通過相應的中繼站進行通信。由于一個中繼站會覆蓋一定的區(qū)域，因此在矩陣中，每列的元素中只有一個值為1，該列其他元素的值為0；

向量W=（ wn）1× N表示帶寬分配向量，wn為用戶站SSn分配的帶寬；

向量Z=（ zm）1× M表示中繼站分布向量，向量元素的值為1或0。其中，1表示該候選點被選作為中繼放置點，0表示未被選為中繼放置點。

模型一：研究在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置最少量的中繼站，使系統(tǒng)能耗降低。

模型二：研究在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置固定數量的中繼站，使系統(tǒng)的容量盡可能大。在該模型中需增加新的約束條件：需要布置的固定的中繼站數量K（ K＜ M）；

此兩種模型，分別采用不同假設條件，采用不同的思路，從系統(tǒng)能耗降低和增加系統(tǒng)容量兩個方向體現了綠色通信的目標。通過這兩種模型的建立，側重于從眾多候選點中選取若干點作為中繼放置點，使得系統(tǒng)達到最優(yōu)。

5　總結

本文結合通信事業(yè)發(fā)展現狀介紹了綠色通信以及綠色無線中繼接入技術，并分析了兩種無線中繼模型，側重于從眾多候選點中選取若干點作為中繼放置點，使得系統(tǒng)最優(yōu)。問題模型一在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置最少量的中繼站，使系統(tǒng)能耗降低；問題模型二在滿足用戶站最低流量需求的條件下，通過布置固定數量的中繼站，既達到綠色通信的目的，又可提供系統(tǒng)容量。該問題的研究為綠色通信提供了方向，具有較好的現實意義。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.013

收稿日期：（2016-04-22）