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基于高效能无线接入网的自适应接入技术研究

基于高效能无线接入网的无线通信节能和自适应接入技术研究

作者：

单位：

北京交通大学电子信息工程学院

摘要：

目前，无线通信网络的巨大能耗及其产生的环境问题已经成为通信业乃至全社会关注的焦点。

绿色无线通信旨在提高无线通信网络能源使用效率、显著降低网络能耗，受到学术界及业界的普遍关注，也已成为全球通信行业的研究热点。

本文从无线通信网络能耗出发，分析了无线通信网络的能耗组成，明确了无线接入网是全网能耗的重点优化目标。

进一步，就实现异构网无缝连接、负载均衡和提高无线资源利用率的关键技术——自适应接入技术做出了相关探讨。

关键词：

无线接入；网络能量效率;资源分配；自适应；负载均衡

AdaptiveRadioAccessControlSchemeBasedOnGreening-TrafficengineeringinWirelessNetwork

XXXBeijingJiaotongUniversity

Abstract:

TheenvironmentproblemscausedbyRANhasbecomemoreandmorealarmingnowadays.GreeningWirelessNetworkaimstoboosttheutilizationrateanddecreasetheenergyconsumption,whichcausewidespreadpublicconcerninacademiaandindustry,andalsobecomethehotpotoftheworldwidecommunicationindustry.Inthispaper,weanalysistheenergyconsumptionofWirelessnetworkandfurtherdiscusstheadaptiveaccesstechnology,whichsolvestheproblemofseamlesslyaccessandresourceallocationwell.

functionoftheCCcircuitwell.

Keywords:

resourceallocation;servicearrival;wirelessaccess;RAN

1.前言

如今，移动运营商正面临着激烈的竞争环境，单用户的ARPU值增长缓慢，甚至在慢慢减少，严重地削弱了移动运营商的盈利能力。

与此同时，移动互联网业务的流量迅速上升，用于建设、运营、升级无线接入网的支出不断增加，而收入却增加缓慢。

为了保持持续盈利和长期增长，移动运营商必须寻找低成本地为用户提供无线业务的方法。

图1.1移动带宽数据率/负载增长趋势

随着用户数量激增及网络规模不断扩张，无线通信网络能耗急剧增加，其巨大能耗及温室气体排放造成的环境污染，引起运营商和全社会的广泛关注。

研究表明，信息与通信产业每年能量开销约占全球总能耗的3％，随之产生的C02等温室气体则占全球温室气体年排放量的2％，并且其能耗以15％~20％的年增长率快速增长。

面对无线通信能耗问题的严峻挑战，优化无线通信网络能耗、提高其能源使用效率成为无线通信发展的必然趋势，绿色无线通信的概念也应运而生。

绿色无线通信把“绿色”概念融入无线通信，在无线通信网络演进及其服务能力提高的同时，注重资源使用效率，节约网络运营商所需能耗，降低网络运营成本。

目前，绿色无线通信已经成为学术界研究热点，ICC、Globcom等通信顶级会议均设有绿色通信的讨论专题组，同时，业界对绿色通信的研究也在全球范围内展开。

2.无线通信网络能耗组成及其优化重点

无线接入网主要有各类无线接入节点组成，其中基站是其主要的能耗来源，基站系统的能耗几乎构成了无线接入网的全部能量开销。

传输相关功率是基站为满足一定传输功率所需的功率输入，主要涉及基站信号收发机的射频前端。

他不仅包括射频传输功率本身，还涵盖了由功放、天线等部件工作时所需功率以及馈线电缆等期间的功率损失，通常在基站总功耗中占相当大的比重，可达50%~80%。

信号放大处理在基站总功耗占有很大比重，而基站功放效率通常很不理想，严重影响了基站能量效率。

所以基站功放效率的提高时优化基站能量效率的关键之一。

另外，经过功放的输出信号将通过馈线电缆传输至天线．并最终按照一定天线参数将射频信号发送到无线环境中．在此过程中馈线损耗和天线效率也是影响发射信号强度的重要因素。

偏置功率的特征在于无论是否进行数据传输，只要开启基站以及相应器件/设备就必须付出相应的功耗代价，它主要取决于系统参数、器件规格等因素，主要来自信号处理功耗、供电设备、制冷设备等因素。

其中，信号处理功耗主要包括基带信号处理和中频/射频信号处理电路功耗，主要取决于符号率、载波频率、天线配置等系统参数设置。

综合以上分析，无线通信网能量优化可以着重于以下三个方面：

1，优化功放、天线等主要功耗器件的效率；2，优化满足一定传输性能所需的传输功率；3，优化基站偏执功率。

图2.1典型基站主要能耗器件结构

图2.2基站能耗分析（来自中国移动C-RAN业务白皮书）

下面，主要从网络层的角度，系统分析具有高效能的网络拓扑结构、资源分配策略及信号处理与传输技术等，旨在从全网角度显著优化无线通信的网络能耗。

2.1异构无线通信网络

传统蜂窝网络覆盖广、基站密度低、存在覆盖盲区（如小区边缘等），难以支持局部高速业务需求。

为此，在蜂窝网络中引入了具有很低功耗的微蜂窝（microcel1），微微蜂窝（picocell）及家庭基站（Femtocel1）等各类无线接入站点，构成异构无线通信网络，旨在满足大容量业务需求的同时，提高网络的能量效率。

在异构网络拓扑结构中，具有大容量高速业务需求的热点区域由布设密度较高的微/微微小区服务，家庭基站则负责为室内用户提供高速率宽带无线覆盖，而传统宏蜂窝则主要解决用户的覆盖问题。

并对其服务区内的各种接人节点以及无线资源进行控制和调度。

通过微站点等无线站点的引入，提高了接入节点的密度，明显缩短用户与其接入点的传输距离，有效降低了传统蜂窝网络由宏基站推送高速业务所需的极大传输功耗。

2.2协作通信网络

协作通信技术被认为是下一代无线通信系统的核心技术之一，相应的协作通信网络也成为未来无线网络拓扑结构的有力竞争者，其主要包括分布式天线系统（distributedantennasystem，DAS）、协作中继传输等实现形式，在提高网络能量效率方面，是一种非常有潜力的网络拓扑结构。

DAS可通过小区间的基站协作实现，通过在不同基站间协调发端信号的波束成形，有效控制了基站间同频信号干扰强度，进而有效提高了SINR水平，在保证一定无线链路SINR的前提下，减小基站的发射功率。

2.3无线资源分配

前述异构网络和协作网络，侧重于高能效网络拓扑结构，而最终能否实现网络能量效率的显著提高，则取决于网络各类资源的分配是否合理。

无线信道状态信息（CSI）是决定网络性能的最重要因素，也是进行无线资源分配的主要依据。

无线资源分配的核心在于协调用户对无线接入的竞争，根据各用户CSI合理分配无线信道、传输功率等系统资源，进行无线链路自适应，进而在网络资源约束下提高网络传输容量，或在一定网络服务能力约束下降低功耗。

另一方面，随着业务种类的丰富，用户对各类业务的QoS需求、用户接人公平性等因素。

也成为网络资源分配的重要因素。

2.4多媒体广播/组播与网络融合

下一代无线通信系统支持移动多媒体业务。

而移动互联网的多媒体业务（尤其是视频业务）请求具有明显的规律性，即大量用户的业务请求多集中于少量的传输热点内容。

然而，现有无线通信网络往往忽视用户请求的业务内容，对所有业务均采用单播模式传输．即为所有的业务均分配专有的信道以及功率资源。

因而会造成大量热点业务的重复传输，降低无线资源利用率并导致传输功率浪费。

由电磁波的空间传输特性，对于热点业务可采用广播/多播传输方式，避免单播带来的重复传输。

广播网具有宽带传输、容量高、覆盖广、数据拥塞率低等特点，是一种高可靠性的信息传输系统。

因此，应将通信网与广播网相融合，根据业务传输内容，将热点业务移交广播网络传输，进而有效节省由无线通信网进行无线多媒体业务单播所需的较大的功率开销。

3.实例研究——C-RAN

随着移动互联网、物联网逐渐兴起，无线网络中的数据流量迅速上升。

由于市场竞争加剧，运营商需要新的无线接入网演进方案来提升移动互联网时代自身的竞争力，这种具备4C特色，即Clean（节能减排），Centralized（集中处理），Cooperative（协作式无线电）和Cloud（利用了云计算能力的软硬件平台）的绿色无线接入网被称为C-RAN。

3.1C-RAN网络架构

C-RAN的网络架构基于分布式基站类型，分布式基站由BBU与RRH组成，BBU即放在机房中的机架和处理板等设备，RRH即放于室外或者拉远放置于楼顶天面的设备。

根据在BBU与RRH间基站功能划分的不同，存在两种方案：

方案一从基带处理与射频部分分离，方案二从主控时钟与基带处理部分分离，如图3.1所示。

图3.1分布式基站功能分布图

为保持一致性，方案二中，虽然基带处理被划分在了RRH实现，依然称仅包含主控和时钟的设备为BBU。

第一种架构如图3.2所示，集中化所有基站的数字信号处理单元，包括物理层基带处理、高层协议处理、主控及时钟等，通过高速光纤接口连接分布式的远端射频单元。

RRH仅负责数字-模拟变换后的射频收发功能。

这种架构的优点是，升级与扩容方便，可更好的支持多标准，最大程度的资源共享，更方便的支持多基站间的协作化信号处理，其主要缺点是，二者之间需要传输高速的I/Q信号，带宽要求高。

图3.2构架一：

分布式RRH+集中化L1/L2/L3/O&M

第二种架构的特点是“小集中”，如图3.3所示。

其与第一种结构的区别在于：

为了降低BBU-RRH设备之间的传输带宽，将基站的物理层解调译码等基带信号处理部分，从集中化BBU中分离出来，放到RRH中处理，其它结构一样。

其优点是，BBU-RRH设备之间只需要传输解调后的数据，传输带宽可降低到原来的20～50分之一，对GSM与TD-SCDMA而言，分别与Abis与Iub接口传输带宽相当。

这样，对既有的传输网络资源压力较小。

其缺点是：

由于基带处理集成到RRH中，其升级的灵活性较小，并且不利于多个基站间共享处理资源，不利于无线信号的协作化处理。

图3.3构架二：

分布式RRU/L1+集中化L2/L3/O&M

3.2C-RAN的架构优势

3.2.1降低能耗

C-RAN是一个绿色网络。

首先，通过集中化的方式可以极大减少基站机房数量，减少配套设备特别是空调的能耗；其次，远端无线射频单元到用户的距离由于高密度的射频单元配置而缩小，从而在不影响网络整体覆盖的前提下可以降低网络侧和用户侧的发射功率。

低的发射功率意味着无线接入网络功耗的降低和用户终端电池寿命的延长。

最后，通过所有虚拟基站共享一个基带池，基带池中的处理资源可以动态调度以处理不同的RRH的基带信号，更适应移动通信系统中的潮汐效应，使得基带处理资源得到了最优利用，能耗自然降低。

当深夜移动通信系统负载较轻时，通过关闭基带池中的部分处理单元来可以实现节电，而不影响系统的覆盖和服务质量。

3.2.2节约CAPEX和OPEX的成本

在C-RAN架构中，基带处理单元的站址可以减少一个到两个数量级。

集中式的基带池和相关辅助设备可以集中放置在一些骨干中心机房内进行管理，简化运营管理。

远端无线射频单元的数量在C-RAN中并没有减少，但是由于这些器件功能较少，体积和功耗都很小，使得这些器件可以容易地部署在有限的空间内，并不需要频繁的维护，只需要提供天线的供电系统。

3.2.3提高网络容量

在C-RAN中，虚拟基站可以在基带池中共享所有通信用户的接收和发送信息、业务数据和信道质量等信息。

这使得联合处理和调度得以实现，小区间的干扰也变废为宝，从而可以显著提高频谱使用效率。

例如，目前LTE-A中提出的协作式多点传输技术，就可以在C-RAN网络架构下轻松实现。

3.2.4基于负载的自适应资源分配

C-RAN的一个显著特点在于基站处理资源的灵活调配，这使得网络可以根据各个区域或时段的不均衡负载来调配处理资源。

用户在物理小区间移动的同时，其占用的基站处理资源也是随之移动的。

由于基带池所服务的物理区域要远大于传统彼此独立的基站，这种区域上负载的不均衡将不会对基带池中资源的利用率造成影响。

3.2.5互联网业务的智能减负

通过采用C-RAN的智能减负技术，智能终端和其它移动通信设备产生的大量互联网业务被转移出核心网，从而传输网与核心网的业务负载和相应的成本开销将会降低，而且由于这些业务的路由距离绕过了核心网，从而也为用户带来了更好的服务体验。

3.3C-RAN面临的技术挑战

C-RAN构架在系统费用、容量和灵活性等方面都显示出传统无线接入网所没有的优势。

但是，它同时也带来一些技术上的挑战。

在运营商能够实际部署之前，这些技术挑战需要得以解决：

3.3.1先进的协作发射/接收技术

3.3.2基带池互联技术

3.3.3基站虚拟化技术

3.3.4低于低成本光网络的无线信号传输

4.自适应接入技术研究

在上一部分C-RAN技术的研究中，一个关键的技术点就是通过自适应接入实现更好的负载均衡和资源分配。

对一些较新的自适应接入技术进行了一些相关研究，分析总结如下。

4.1基于终端移动与业务到达的自适应无线接入机制（DLB-basedARAC）

4.1.1应用背景分析

在无线移动通信中，用户移动规律与业务分布的时空变化特征是影响网络整体性能的重要因素。

历史统计数据显示，由于短时间内大量用户移动或者业务到达，会形成某个时段内的局部热点地区（hotspots），无线接入业务负载的激增将导致通信资源的局部紧缺，使得网络通信性能迅速下降，下面4.1、4.2两图体现了这一问题。

多媒体业务的广泛应用更加剧了上述问题造成的影响。

然而，现有的通信资源配置与管理机制却无法有效解决上述问题。

图4.1中国某城市的移动用户空间分布示意图

图4.2区域内移动用户的时间分布图

异构网络之间的协作，将为我们提供解决上述问题的契机。

自适应的无线接入控制机制（ARAC，AdaptiveRadioAccessControl）是实现网络负载均衡的有效途径。

基于用户移动与业务到达认知的ARAC机制使得每个无线接入点的业务量与其通信资源相匹配，从而提高网络的整体性能。

4.1.2网络系统模型、算法核心与优化

该机制基于国家“973”重点基础研究发展规划项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”。

在该架构中，异种网络的无线接入点之间通过接入交换路由器（ASR，AccessSwitchRouter）与核心网络相连接。

下图以3G/WLAN为例，给出该网络架构的示意。

在该系统模型中，3G蜂窝网元的基站与多个WLAN网元的AP重叠覆盖，形成新的网络单元架构，如图4.3所示。

图4.33G/WLAN网络系统模型示意图

当移动节点（MN：

MobileNode）有业务到达时，MN可在多个

（i=0,1,2….,l）中选择最合适的AP建立业务链接。

从优化网络整体性能的角度出发，ASR作为中心控制模块，按照优化准则动态调整

无线接人控制机制的判决门限，使得每个AP的无线接人业务量与其通信资源相互匹配，实现网络单元内的业务负载均衡。

以多媒体业务（记为Service-E）为例，该机制基于DLB（DynamicLoadBlance）策略，将3G/WLAN网络单元的用户分为业务状态用户和潜在用户。

其中，主要潜在用户MUU（MainUnderlyingUsers）的定义如下：

从当前时刻t开始，在下一时段

=

内，如果用户的Service-E业务到达概率大于门限值f（

），则称该用户为MUU，与已有方案不同，DLB策略重点关注MUU，以其数量作为网络性能优化的主要参数。

图4.4DLB策略的参数及其含义

定义网络性能优化函数如下：

（1）

（2）

分析：

在DLB策略中，对于3G/WLAN网络单元内的某个MUU，虽然在T时刻并没有使用Service-E，但是仍然根据MUU所在位置及其移动规律，为它选择一个AP，当MUU有Service-E业务到达时，则通过该AP建立业务链接，这里讲该AP成为MUU的first-AP。

上述三个公式给出了优化变量N（t）和业务阻塞概率

，基于式

（1）给出的有化解表示

作为first-AP的MUU数量最佳值。

首先，基于某蜂窝网的移动用户时空分布变化数据，并且结合用户到达的统计数据分析结果，计算某时段内区域D内的MUU数量

，作为DLB优化算法的输入参数。

以移动速率为判决门限，将MN分为快速移动节点（FMN）和慢速移动节点（SMN），具体

的计算步骤如下：

（3）

其中

分别为FMN/SMN业务数量所占比例，通过计算FMN/SMN的累积分布函数可以得出其取值。

通过下列流程实现ARAC机制

图4.5ARAC机制的实现流程图

4.1.3性能仿真与分析

图4.5

业务负载仿真曲线

图4.6

业务阻塞概率仿真曲线

在使用ARAC机制后，APO作为first—AP为区域DI内的更多MUU提供业务链接，使得APo与AP1之间分担的MUU数量达到平衡比例关系，彼此的业务阻塞概率也基本保持一致。

综上，ARAC机制使得

之间的业务负载与其无线资源更加匹配，很好的解决了网络的负载均衡。

4.2无线网络二级结构自适应公平调度机制（TWFS，two-levelwirelessfairscheduling）

图4.7无线网络二级结构自适应公平调度模型

该模型由流级的具有服务区分的自适应公平调度和分组级具有服务质量保障的与队列平滑服务的分组调度组成。

流级和分组级的补偿都是必须的，流级补偿反映为信道变化时要求重新分配权重，分组级补偿反映为不同的发送时间和队列长度权重分配。

流级补偿使用比例方式和归一化的权重分配机制，它能有效地进行服务区分和自适应信道变化，保障无线网络用户之间的长期公平性。

而分组级补偿采用公平分组调度和队列权重分配机制。

该机制的应用能够保障服务的短期公平性和服务质量，并且有利于保障不同队列服务质量的平滑过渡。

4.2.1流调度

机制中定义两个关于流调度的概念：

●额外带宽：

由于链路故障，基站（调度器）将原报文数据流所占有带宽分配给其他的流。

这部分带宽被分配给那些有报文等待的、以可变比特率传输的无差错状态连接，称之为额外带宽。

●时变带宽：

如果出现带宽的时变性，即动态容量的变化，使得带宽发生变化，使用归一化权重比例分配机制，称为时变带宽

本算法按照各个连接的权重对额外带宽和时变带宽进行公平分配，每个可变比特率无差错状态连接所获得的额外带宽正比于它的权重。

这里以

、

、

、

分别表示服务i、滞后流、超前流和同步流的权重当系统有f个连接时，初始化的权重分配根据服务类型进行比例分配，所以权重的分配即表示了带宽的分配关系，亦即可以反映在不同的发送速率选择上。

（4）

（5）

（6）

（7）

（4）式即所有权重的分配，一般一个流加入其权重的分配，根据其服务类型分配固定比特率连接权重与可变比特率连接权重之和为其总权重。

当k链路发生故障时，其归还权重

。

其他的流对其权重进行公平比例分配。

可变比特率连接权重的更新公式为式（6），当流k恢复传输时，由超前流的可变比特率连接权重进行补偿，而同步流和滞后流前期获得的额外服务并不回吐。

式（7）为恢复传输的流的权重补偿公式，直到补偿成同步流为止。

4.2.2分组调度

TWFS算法的分组级队列调度算法基础采用STFQ和WFQ两种算法相结合的公平调度策略，原理是：

当一个报文到达时，更新其时间标志，每个流均由报文序列组成，流中的报文采用FIFO的顺序。

当一个报文传输完毕后，下一个报文被选择，所使用的策略如下：

1）在所有的起始标识小于等于v（t）+l的流中，选择具有最小结束标识的流。

2）如果没有这样的流，那么选择带有最小起始标识的流来处理。

参考文献

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