基于协同通信的无线网络技术

同构的蜂窝网络的广域与局域网络

1.1 异构网络的协同覆盖

为满足不断增长的用户需求，各种无线网络被大量建设。常见的无线网络有蜂窝移动通信网、WLAN、Wi-Fi、无线传感网等，这些网络在给用户带来便利的同时也带来一些问题。如何充分利用这些已经存在的各种异构的无线网络，使终端能够自由接入异构的无线网络以获得服务，实现异构无线通信网络的互联互通，并在保证一定的服务质量(QoS)的同时，节省网络总体的能量消耗，是当前的研究重点。异构无线网络协同技术的研究热点主要包括联合无线资源管理、异构移动性管理、安全性保证、中继节点功率分配等。

联合无线资源管理能保证异构网络中无线资源的高效利用与协调使用，是提高频谱资源利用率和实现协同覆盖的有效手段，目前已成为新一代异构无线网络(如4G/B3G)中的关键技术。联合无线资源管理主要包括垂直切换、速率分配和联合接纳控制等功能。例如，一个多模终端同时支持宽带码分多址 (WCDMA)和Wi-Fi，当从室外进入Wi-Fi信号覆盖较好的室内时通过联合无线资源管理，终端将切换到Wi-Fi网络。这样的网络既补充了宏蜂窝在室内的覆盖，另一方面也分流了宏蜂窝网络的负载。

从移动运营商的角度，异构网协同的方案应该倾向于以现有的蜂窝网为主体，无线个域网、无线局域网、无线传感器网等短距离无线接入网作为补充部分，通过蜂窝网对整个通信系统进行集中的控制和管理，以实现异构无线网络的互联互通。这种方案能够充分保护现有蜂窝无线通信系统的既有投资，有效地提高网络性能，同时简化未来蜂窝移动网络的网络设计，而且不会影响移动运营商当前的市场地位。

1.2 同构广域与局域网络的协同覆盖

无线蜂窝网中，广域和局域覆盖有着不同的功能，共同实现整个目标服务区域的无缝覆盖。局域覆盖的出现是无线网络蓬勃发展的结果。网络早期的铺设，重心在于解决室外覆盖存在的问题。随着多年来网络规划、优化能力的提高，室外覆盖中容易出现的问题都已基本解决，而室内覆盖的问题越来越突出。

当前实现室内覆盖的方法为：由室外宏蜂窝同时提供覆盖区域内的室内覆盖，在话务量集中的地方，设置室内微蜂窝，同时解决覆盖和容量问题。微蜂窝有很多特点，如覆盖半径小、发射功率较小、基站天线置于相对低的地方等，而且微蜂窝信号传播主要沿着视线进行，衰减小，此外微蜂窝组网也比较简单。正是由于微蜂窝有着这些特点，为了满足用户需求，运营商建设了大量的微蜂窝基站，带来了大量的电量消耗，造成大量的温室气体CO2的排放。因此研究广域、局域网络协同覆盖技术，具有重要的价值。

1.3 协同覆盖绿色技术

基于以上介绍可以知道，当前中国通信行业多网共存的局面已经形成。而通信行业的能耗巨大，也已经引起各方面的重视[8]，是当前亟待解决的一个问题。绿色通信是当前研究的一个热点。当前无线通信网重复建设带来的资源浪费、环境污染和电磁环境恶化等问题，都需要绿色通信技术予以解决。

注意到当前各种基站的固定能耗较大(能耗基本占基站满负荷运行时能耗的一半以上)，设计新的绿色节能技术以节省这部分能耗，对无线通信系统的节能有着重要意义。基于此，本文并不研究低层的具体技术以实现网络的协同工作，而是从网络高层进行考虑，研究如何在协同覆盖的前提下，通过一定的策略调配不同网络下的用户，并关掉部分网络的基站以节省固定能耗，使同一区域共同存在的多种无线网络的总体服务能力与该区域中用户的总体服务需求相匹配，在满足 QoS要求的前提下，实现网络整体能耗的降低。核心思想是：在同一覆盖区域，如果某种网络能效高的基站有多余的服务能力为其他网络能效低的基站下的用户服务，可以选择关掉能效低的基站，从而实现整体上的节能，并同时达到保障服务质量的目的。

对区域中S中的所有基站进行搜索，将其服务能力与用户需求进行匹配，在保证用户服务质量的同时，关掉能效较低的基站。根据最终匹配的结果，计算区域S中网络总能耗区域S内无线网络为Wn，其中n=1,2,…,N代表网络标号;无线网络Wn下每个基站的固定能耗相同，均为Jn (焦耳);无线网络Wn对用户进行服务时，给用户交互每比特耗能Mn (焦耳/比特);无线网络Wn下的基站集合为{Bnj}，其中j =1,2,…,N;无线网络Wn下的用户集合为{Unk}，其中k=1,2,…,N;无线网络Wn的第j个用户的需求为D(Unk);同种基站的服务能力完全相同。

2 异构网络协同覆盖的仿真及结果分析

为分析基于协同覆盖的绿色网络技术对网络能效比和对用户的服务能力的提升程度，本节对两异构网络协同覆盖的情况进行仿真。由于同构网络与异构网络只是在基站之间交互信令时有区别，因此本节的仿真结果也同样适用于同构网络。

2.1 仿真条件

在归一化面积为1的正方形区域S中，存在蜂窝网A，以及其他短距离网络B。为简单起见，假定：

(1)A的基站100个，均匀分布于区域S中;B的基站100个存在于随机选定的位置上。

(2)A网络下的所有基站性能指标完全相同，B网络下也如此。A网络中基站所能同时服务的用户数依次为40，B网络下基站同时服务的用户数为10。

技术分类： 通信 | 2010-12-21

中兴通讯技术 张武雄 胡宏林 杨暘

(3)A网络中单个基站在无用户接入时的固定能耗归一化为2，B网络的单个基站固定能耗归一化为1。

(4)A网络中单个基站对每个用户进行服务时的边际能耗(即每增加一个用户后增加的能耗)归一化为0.04，B中单个基站对每个用户进行服务时的边际能耗归一化为0.02。

(5)区域S中，A网络的用户数依次为3 000个，B网络中为1 000个。用户位置均服从正态分布。

作者：张武雄 胡宏林 杨暘 来源：中兴通讯技术