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1、无线接入课程论文 靳明双 1基于高效能无线接入网的无线通信节能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和自适应接入技术研究作者：靳明双 单位：北京交通大学电子信息工程学院通信 0906 班摘摘 要要：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
2、入技术做出了相关探讨。关键词关键词：无线接入；网络能量效率;资源分配；自适应；负载均衡Adaptive Radio Access Control Scheme Based On Greening-Traffic engineering in Wireless NetworkJin Mingshuang Beijing Jiaotong UniversityAbstract: The environment problems caused by RAN has become more and more alarming nowadays. Greening Wireless Network ai
3、ms to boost the utilization rate and decrease the energy consumption, which cause widespread public concern in academia and industry, and also become the hotpot of the worldwide communication industry. In this paper, we analysis the energy consumption of Wireless network and further discuss the adap
4、tive access technology, which solves the problem of seamlessly access and resource allocation well. function of the CC circuit well.Key words: resource allocation; service arrival; wireless access; RAN1.1. 前言前言如今，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，甚至在慢无线接入课程论文 靳明双 2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
5、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 1520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
6、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。2.2. 无线通信网络能耗组成及其优化重点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
7、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，通常在基无线接入课程论文 靳明双 3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
8、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无线接入课程论文 靳明双 4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。
9、2.12.1 异构无线通信网络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(micro cel1)，微微蜂窝(pico cell)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
10、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。2.22.2 协作通信网络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(distributed antenna system，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
11、保证一定无线链路 SINR 的前提下，减小基站的发射功率。2.32.3 无线资源分配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
12、络资源分配的重要因素。2.42.4 多媒体广播多媒体广播/ /组播与网络融合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(尤其是视频业无线接入课程论文 靳明双 5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
13、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。3.3. 实例研究实例研究C-RANC-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。3.13.1 C-RA
14、NC-RAN 网络架构网络架构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
15、过高速光纤接口连接分布式的远端射频单元。RRH无线接入课程论文 靳明双 6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
16、，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 2050 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。无线接入课程论文 靳明双 7图 3.3 构架二：分布式 RRU/L1 + 集中化 L2/L3/O&M3.23.2 C-RANC-RAN 的架构优势的架构优势3.2.13.2.1降低能耗降低能耗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
