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1、项目名称：能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究首席科学家：牛志升 清华大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容2.1 关键科学问题如前所述，如何以受限的频谱与能量大幅度提高网络容量是一个巨大的挑战。为此需要从系统和网络的角度探索频谱与能量的高效利用机理与方法，并解决以下关键科学问题：科学问题1、网络能效成因关系与高能效覆盖机理：经典信息论主要关注有效辐射能量与信道容量之间的关系，但蜂窝网络的整体能耗中基站辐射能量只占一小部分，大部分能量消耗在了基站配套设备（基带处理、功放、空调等）和网络基础覆盖上。为此需要从网络综合能耗的角度探索能效的成因关系以
2、及高能效覆盖的机理； 科学问题2、异构蜂窝网络的高能效资源匹配机理：移动通信有限的频谱和能量资源被独立地分割在了功能各异的多个蜂窝网络中，但各种异构蜂窝网络中业务量的时空分布却呈现出越来越大的动态特性，使得每个网络中的频谱与能量资源都无法得到充分利用。为此需要针对异构蜂窝网络环境建立高能效的弹性资源匹配机理； 科学问题3、多样性需求业务的高能效服务机理：未来移动通信的业务种类和服务质量需求会越来越多样化，但现有网络基本上还是针对某种特定业务优化的，难以同时满足各类不同业务的需求、或是为了满足最苛刻业务的需求而浪费大量的频谱与能量。为此需要针对多样化的业务需求分别建立高能效的服务机理。2.2 主
3、要研究内容为了解决以上关键科学问题，本申请提出了一个超蜂窝网络的体系架构，通过控制信道覆盖与业务信道覆盖适度的分离引入网络的柔性覆盖、资源的弹性匹配、以及业务的适度服务机制，实现能效与资源的联合优化。为此，我们将着重研究控制覆盖与业务覆盖的分离机制与动态设计方法，建立超蜂窝网络的能量效率与各种网络资源之间的理论关系与评价方法，给出逼近其能效极限的资源优化配置方案，并针对多样化业务需求设计差异化适度服务机理。具体地，拟分成以下六个课题展开研究。1） 网络能效理论与超蜂窝体系架构按照能效优先的原则重新审视无线通信与网络的体系架构与运行机理，从网络整体能效的角度研究网络能量效率的成因关系，并在此基础
4、上建立能效与资源优化的移动通信系统体系架构与理论体系。1.1）网络能效建模与成因关系分析：明确网络能效的定义，建立无线通信链路的信息处理和信令开销能耗的理论模型，分析网络能效与网络覆盖能力、频谱效率、用户群体行为、业务特征及其服务质量要求之间的成因关系，探索超蜂窝网络的能效极限，给出网络能效与系统容量的协同优化方法。这里最核心的是要建立网络能效与频谱效率、以及网络能效与业务延迟之间的互换关系。1.2）超蜂窝网络架构及其理论基础：探索超蜂窝网络的架构，建立超蜂窝网络柔性覆盖、弹性匹配、及适度服务的理论基础，给出低能耗控制覆盖及能效与资源联合优化的业务覆盖的设计准则，并提供实验室演示验证系统。2)
5、 超蜂窝网络的柔性覆盖与控制理论针对未来移动通信业务在时域和空域上大范围动态变化、且服务质量要求越来越两极分化的矛盾，深入挖掘网络覆盖的能效潜力，建立兼顾能效与容量的智能柔性覆盖与控制理论，为超蜂窝网络体系架构下的物理层与链路层的能效优化提供理论基础。主要研究内容包括：2.1) 控制覆盖与业务覆盖分离机制及优化研究：通过控制覆盖与业务覆盖在业务级、设备级、协议级的逐级分离，研究两种覆盖的合作机制和演进方法，探索在公共控制覆盖基础上的异构业务覆盖机理和控制方法，以及公共控制覆盖的异构实现方法。进一步探索上下行覆盖分离的机制、能耗理论和相应的控制方法。2.2) 柔性覆盖中控制覆盖的能效优化方法：探
6、讨未来无线接入对控制信道需求的发展趋势，研究系统同步、信道估计、定位、寻呼、随机接入等控制功能在超蜂窝架构下的能效优化机制与方法，给出控制覆盖强度的理论描述。2.3) 柔性覆盖动态小区形成方法研究：研究下行动态功率控制和天线形态调整在动态小区形成中对容量和能耗的影响，以及在不同信道条件下分布式天线协作覆盖虚拟小区成形方法，建立分布式覆盖容量与虚拟小区形态、回程链路能耗、处理能耗、传输能耗之间的折中关系，进一步研究动态小区构建的能效优化准则、优化方法以及规模化实现方法，探索新型天线和新频段在动态小区覆盖形成方面的解决途径。3) 能效优先的传输理论与弹性接入方法研究超蜂窝网络中非协作的传输理论与接
7、入技术，即假定各蜂窝小区基站不交互信息、不使用中继协作或用户协作机制完成无线传输。3.1) 综合链路能效优化的传输机制及与频谱效率的理论关系：针对非协作蜂窝网络，分别考虑不存在小区间干扰时的单小区多用户及存在小区间干扰时的多小区多用户系统，研究多天线、多载波系统能量效率与频谱效率之间的理论关系，分析链路能量效率与功率、带宽、收发天线数等无线资源、以及与干扰、用户数和业务动态变化特性之间的内在联系，建立优化链路能量效率的无线传输理论模型。32）能效与资源联合优化的弹性接入机制：针对具有高频谱效率的MIMO和OFDMA技术，研究高能效无线传输与资源分配的优化准则；提出能充分利用信道/干扰/业务的动
8、态变化特性、满足网络和用户服务质量要求的高能效最优接入方法；分析高能效资源分配与接入机制对系统频谱效率的影响及其与系统参数和信道环境间的关系；研究低复杂度、高能效的最优接入算法。33）高能效传输与弹性接入机制演示验证系统：构建超蜂窝高能效无线传输与资源分配的系统级仿真和测试平台，评估不同无线传输技术的链路能量效率，平台的系统参数将参考下一代移动通信系统标准（不少于8根发送天线、4根接收天线、带宽不小于40MHz）。4) 超蜂窝网络协作机制与资源优化方法针对复杂的干扰环境及动态的业务需求，研究超蜂窝网络的协作机制与资源优化方法，建立同构蜂窝与异构蜂窝的小区之间或小区内多个传输节点之间的高能效协作
9、机制，并在此基础上给出能效与资源联合优化方法。4.1) 高能效异构节点协同传输理论：给出协作开销及相应回程能耗的模型，建立发射能效与协作开销、以及能效与协作基站或天线站数目之间的理论关系，研究不同载荷下的动态协作理论以及降低传输开销和基带复杂度的方法，从而确立在动态协作下能效与系统容量、传输开销、基带处理复杂度之间的理论关系。对于基于小区内天线站的多点协作，建立小区内干扰与系统能效的理论关系。对于基于中继的协作系统，建立能效与中继密度、传输开销及系统载荷的理论关系。4.2)超蜂窝网络能效与资源联合优化方法：研究超蜂窝网络资源的优化配置方法，并通过学习和预测链路层、网络层、以及用户业务的动态特性
10、，实现在能效优先条件下网络资源与用户需求的实时自适应匹配，从而建立基于能效优先的动态资源匹配理论。4.3）网络节点协作算法的演示验证平台：借助课题一中的演示平台构建一个超蜂窝网络协作传输演示系统，验证以上理论与方法对能效提升的作用。5) 用户群体行为建模与高能效服务方法通过对实际运营的移动无线通信系统中常见业务的采集和测量，分析移动网络中多种类型业务在时域和空域分布的动态特征以及内容属性等方面的变化规律，挖掘用户群体的行为模式，建立并针对不同的群体行为特征给出高能效服务方法。5.1）移动无线网络业务采集与分析：研究移动无线网络中业务数据采集和测量方法，研究移动网络多业务在时间、空间和相关性方面
11、的特征分析，给出多种典型业务的流量分布函数以及多类型业务统计模型。5.2）多维度用户群体行为分析与建模：通过业务特征分析，研究用户以群体为单位在活动规律、业务需求、接入频率、用户关联关系、聚类特性等多维度下的行为模式和特征规律，对业务内容上的相关性及用户群体行为的趋同性等进行分析，通过概率统计和数据挖掘等手段对用户群体行为进行认知与数学建模，指导超蜂窝的资源配置。5.3) 面向用户群体行为的高能效服务机理：建立用户群体行为与网络高能效的内在联系，研究面向用户群体行为的高能效服务机理与智能动态适配技术，构建面向用户群体行为的高能效服务体系。6) 业务特征认知与高能效差异化服务方法基于不同业务之间
12、在业务特征与服务质量需求上存在的差异，按照按需适度服务的原则建立差异化的服务体系与评价方法，为高能效移动通信服务系统的设计与优化提供理论基础。6.1) 业务特征感知与业务建模理论与方法：基于业务抽象化的感知方法，从业务的实时/非实时的时间特性、点对点/点对多点/广播的传输特性、以及人与人/人与机器/机器与机器的参与者特性等多个角度对业务进行特征分析、分类与建模，并据此进行网络流量中的业务类型测量，给出不同类型业务的行为模型。6.2) 高能效的业务差异化服务机制与方法：基于用户行为的统计趋同性和业务需求差异性的特点，结合单播、多播与广播等多种传输手段，设计面向不同类别业务的差异化服务机制，实现资
13、源与能效的联合优化。具体包括：具有实时大容量对称特征的业务；具有软实时高速率特征的业务；具有周期性低速率特征的业务等。关键科学问题与研究内容的对应关系见图2-1。图2-1 关键科学问题与研究内容及各课题之间的支撑关系二、预期目标总体目标：面向国家建设资源节约型、环境友好型社会的战略需求，针对无线数据与视频业务的飞速发展及通信业务量的指数增长所带来的频谱和能耗瓶颈，研究并突破可使移动通信系统的能量效率大幅度提高的理论与技术，建立能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统体系架构，并给出典型网络的低能耗设计，满足未来10-20年移动通信对宽带大容量的迫切需求。五年内预期目标： 通过本项目的实施建立一套能效
14、与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础理论体系，包括：1）网络能效理论及超蜂窝体系架构；2）超蜂窝网络的柔性覆盖与控制理论；3）能效优先的非协作传输理论与弹性接入机制；4）超蜂窝网络协作机制与资源优化方法； 5）用户群体行为建模与高能效服务机制; 6）业务需求认知与高能效差异化服务机制。突破一批关键核心技术，使网络能效较现有水平有较大幅度的提高，并给出典型网络的低能耗设计及实验室演示验证系统。拟发表SCI检索论文240篇以上、申请发明专利50项以上、提交标准化建议草案10份以上、组织国际学术会议5次以上、培养优秀中青年骨干人才15人以上、博士生60名以上，并依托清华信息科学与技术国家实验室（筹）建
15、立一个具有国际前沿水平的绿色通信与网络研究基地。三、研究方案4.1 学术思路未来无线通信业务需求的发展趋势是业务总量和用户峰值速率均呈指数增长，且业务类型及业务需求的动态范围不断扩大。一方面，随着智能手机与视频业务的大量出现，用户对峰值速率的需求还在不断上升；另一方面，各种物联网应用的快速普及又会给网络带来海量的中低速率业务，它们每次请求的业务量很小，但却会很频繁。如此两极分化的业务实际上都会消耗大量的基站能量。由经典信息论可知：在高频谱效率的点对点链路中，对于给定的带宽，无线传输容量的提高需要指数倍地提高传输功率，即无线传输的频谱效率与能量效率是一对天然的矛盾。因此，要想在不牺牲频谱效率、甚
16、至还需要提高频谱效率的前提下大幅度地提升能量效率，即能效与资源的联合优化，单靠物理层传输技术的提高是很难实现的。为此，我们需要从系统和网络的角度寻找解决途径。众所周知，现有蜂窝网络提高容量和降低功耗的主要手段就是不断地缩小蜂窝尺寸。但这不仅会增加小区的密度，占用更多的站址资源，提高网络覆盖的成本，而且也会加剧小区间业务量的不平衡，并带来更多的小区间干扰，可见这条路径也很快就会走到尽头的。究其原因，这主要是源于现有基站的多重身份，它不仅要负责无线信号的收发，还要负责收发信号的处理、本小区的资源调度、以及为本小区用户提供同步、唤醒、切换等控制服务，即网络的控制覆盖与业务覆盖是紧密耦合在一起的（以下简称“硬性覆盖”），难以根据业务的动态特性进行柔性的改变。另外，现有蜂窝网络采用以基站为中心的静态设计理念
