無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)重要的組成部分，孕育著新的重大突破機(jī)遇，正加速向多網(wǎng)共存和業(yè)務(wù)融合方向發(fā)展。在傳統(tǒng)信息理論指導(dǎo)下，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線傳感網(wǎng)等各類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，形成了多網(wǎng)共存的“通信戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”。但這些網(wǎng)絡(luò)為了追求自身利益最大化，片面強(qiáng)調(diào)各自的全面覆蓋和獨(dú)立發(fā)展，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化，投入產(chǎn)出能效比持續(xù)下降。隨著多模智能通信終端的日益普及，用戶對(duì)于多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)類型和服務(wù)質(zhì)量的選擇更具自主性、多樣性和互動(dòng)性，這表明以用戶需求為核心的“個(gè)性化服務(wù)時(shí)代”的到來(lái)。如何在“通信戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同覆蓋，提高多網(wǎng)下的整體能效比，優(yōu)化用戶跨網(wǎng)服務(wù)體驗(yàn)，是需要解決的迫在眉睫的問(wèn)題。

　　用戶的需求和體驗(yàn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展最重要的推動(dòng)力。從20世紀(jì)90年代個(gè)人移動(dòng)通信開始大規(guī)模應(yīng)用開始，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)體驗(yàn)進(jìn)行了大量的建模分析。早在2006年，中國(guó)移動(dòng)、沃達(dá)豐等七大運(yùn)營(yíng)商就發(fā)起成立了下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（NGMN）組織，致力于從用戶需求和體驗(yàn)的角度來(lái)引導(dǎo)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展［1］。在網(wǎng)絡(luò)容量受限的條件下，需要將網(wǎng)絡(luò)資源與用戶需求進(jìn)行合適的匹配，這推動(dòng)了多網(wǎng)協(xié)同覆蓋技術(shù)的發(fā)展。

　　在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外通信界重點(diǎn)針對(duì)單網(wǎng)絡(luò)下的覆蓋問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外通信界開始針對(duì)多網(wǎng)情況下的協(xié)同覆蓋問(wèn)題開展探索，甚至開展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)備工作。3GPP［2］針對(duì)未來(lái)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的無(wú)線資源管理提出了通用無(wú)線資源管理（CRRM）模型，通過(guò)增加CRRM服務(wù)器對(duì)融合WCDMA、GSM/EDGE等多個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面統(tǒng)一的資源管理。這是一種基于緊耦合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源管理模式。CRRM的功能模塊可以分為兩個(gè)部分：聯(lián)合管理模塊和獨(dú)立執(zhí)行模塊。其中聯(lián)合管理模塊獨(dú)立于各種無(wú)線接入技術(shù)（RAT），是CRRM的執(zhí)行重點(diǎn)，主要執(zhí)行聯(lián)合接納控制、聯(lián)合切換控制、聯(lián)合資源分配以及聯(lián)合時(shí)間調(diào)度。從項(xiàng)目支持上來(lái)看，歐盟投資2 100萬(wàn)歐元開展了“針對(duì)發(fā)起和管理與位置無(wú)關(guān)的優(yōu)化個(gè)人服務(wù)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)II期”（DAIDALOSII）項(xiàng)目［3］，主要以用戶的服務(wù)需求為中心，研究在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下如何優(yōu)化能量分配的問(wèn)題。在日本的e-Japan計(jì)劃中，也同樣資助了多個(gè)類似的項(xiàng)目，如“基于無(wú)線接入創(chuàng)新的多媒體整合網(wǎng)絡(luò)”（MIRAI）［4］等。

　　國(guó)際學(xué)術(shù)界近年來(lái)也紛紛撰寫論文，闡述進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的重要性并開展相關(guān)的建模和分析。例如，麻省理工學(xué)院的D.Shah等人從信息論角度分析了網(wǎng)絡(luò)容量的可擴(kuò)展性［5］。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的E.Telatar等人利用多輸入多輸出（MIMO）信道容量獲得了大型Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)單鏈路容量的上界，證明隨著用戶數(shù)不斷增加，單鏈路容量上界趨于零［6］。加利福尼亞大學(xué)的Franceschetti等人首次提出了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)容量的物理極限理論［7］。

　　綜合以上國(guó)際學(xué)術(shù)界發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)可以看出，國(guó)際上正在開展各種不同無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的容量分析，以及針對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)分布進(jìn)行建模研究。另外，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量與用戶服務(wù)的匹配問(wèn)題進(jìn)行了探索，通過(guò)建立一些跨層優(yōu)化的機(jī)制來(lái)使盡量多的用戶得到滿意的服務(wù)體驗(yàn)。但它們?nèi)狈?duì)網(wǎng)絡(luò)本身基礎(chǔ)信息理論的研究，對(duì)未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向沒(méi)有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展原創(chuàng)性理論的全面系統(tǒng)研究是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

　　文章分別分析了異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和同構(gòu)的廣域與局域同覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，研究基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　1 協(xié)同覆蓋

　　協(xié)同通信是指根據(jù)用戶與用戶、用戶與站點(diǎn)之間的無(wú)線信道特性、用戶功率限制以及用戶服務(wù)需求等，借助鄰近站點(diǎn)或用戶進(jìn)行中繼、協(xié)同與分集，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)募夹g(shù)。其原理如圖1所示。圖1中用戶數(shù)據(jù)X經(jīng)中繼信道和直接信道發(fā)送到接收端，接收端收到合成信號(hào)Y。

　　略有別于協(xié)同通信，協(xié)同覆蓋是指在同一區(qū)域同時(shí)存在著的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，通過(guò)基站（或接入點(diǎn)。本文后續(xù)部分將不區(qū)分基站與接入點(diǎn)，統(tǒng)一稱為基站）之間的相互協(xié)同，共同對(duì)被覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種無(wú)線用戶進(jìn)行服務(wù)。圖2顯示了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的一種情形：蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站與Wi-Fi、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等具有熱點(diǎn)覆蓋能力的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基站之間，通過(guò)無(wú)線連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互相協(xié)同。圖3顯示了同構(gòu)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣域與局域網(wǎng)絡(luò)之間，通過(guò)有線連接的方式進(jìn)行信令交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋。兩圖中的虛線均表示有線連接。

　　1.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

　　為滿足不斷增長(zhǎng)的用戶需求，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被大量建設(shè)。常見的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、WLAN、Wi-Fi、無(wú)線傳感網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)在給用戶帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題。如何充分利用這些已經(jīng)存在的各種異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使終端能夠自由接入異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以獲得服務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，并在保證一定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）的同時(shí)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)總體的能量消耗，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要包括聯(lián)合無(wú)線資源管理、異構(gòu)移動(dòng)性管理、安全性保證、中繼節(jié)點(diǎn)功率分配等。

　　聯(lián)合無(wú)線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線資源的高效利用與協(xié)調(diào)使用，是提高頻譜資源利用率和實(shí)現(xiàn)協(xié)同覆蓋的有效手段，目前已成為新一代異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如4G/B3G）中的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合無(wú)線資源管理主要包括垂直切換、速率分配和聯(lián)合接納控制等功能。例如，一個(gè)多模終端同時(shí)支持寬帶碼分多址（WCDMA）和Wi-Fi，當(dāng)從室外進(jìn)入Wi-Fi信號(hào)覆蓋較好的室內(nèi)時(shí)通過(guò)聯(lián)合無(wú)線資源管理，終端將切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)既補(bǔ)充了宏蜂窩在室內(nèi)的覆蓋，另一方面也分流了宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

　　從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的角度，異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同的方案應(yīng)該傾向于以現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)為主體，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)等短距離無(wú)線接入網(wǎng)作為補(bǔ)充部分，通過(guò)蜂窩網(wǎng)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行集中的控制和管理，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。這種方案能夠充分保護(hù)現(xiàn)有蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)的既有投資，有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)簡(jiǎn)化未來(lái)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而且不會(huì)影響移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前的市場(chǎng)地位。

　　1.2 同構(gòu)廣域與局域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同覆蓋

　　無(wú)線蜂窩網(wǎng)中，廣域和局域覆蓋有著不同的功能，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)目標(biāo)服務(wù)區(qū)域的無(wú)縫覆蓋。局域覆蓋的出現(xiàn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)早期的鋪設(shè)，重心在于解決室外覆蓋存在的問(wèn)題。隨著多年來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化能力的提高，室外覆蓋中容易出現(xiàn)的問(wèn)題都已基本解決，而室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題越來(lái)越突出。

　　當(dāng)前實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的方法為：由室外宏蜂窩同時(shí)提供覆蓋區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)覆蓋，在話務(wù)量集中的地方，設(shè)置室內(nèi)微蜂窩，同時(shí)解決覆蓋和容量問(wèn)題。微蜂窩有很多特點(diǎn)，如覆蓋半徑小、發(fā)射功率較小、基站天線置于相對(duì)低的地方等，而且微蜂窩信號(hào)傳播主要沿著視線進(jìn)行，衰減小，此外微蜂窩組網(wǎng)也比較簡(jiǎn)單。正是由于微蜂窩有著這些特點(diǎn)，為了滿足用戶需求，運(yùn)營(yíng)商建設(shè)了大量的微蜂窩基站，帶來(lái)了大量的電量消耗，造成大量的溫室氣體CO2的排放。因此研究廣域、局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋技術(shù)，具有重要的價(jià)值。

　　1.3 協(xié)同覆蓋綠色技術(shù)

　　基于以上介紹可以知道，當(dāng)前中國(guó)通信行業(yè)多網(wǎng)共存的局面已經(jīng)形成。而通信行業(yè)的能耗巨大，也已經(jīng)引起各方面的重視［8］，是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。綠色通信是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)重復(fù)建設(shè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和電磁環(huán)境惡化等問(wèn)題，都需要綠色通信技術(shù)予以解決。

　　注意到當(dāng)前各種基站的固定能耗較大（能耗基本占基站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗的一半以上），設(shè)計(jì)新的綠色節(jié)能技術(shù)以節(jié)省這部分能耗，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義?；诖?，本文并不研究低層的具體技術(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，而是從網(wǎng)絡(luò)高層進(jìn)行考慮，研究如何在協(xié)同覆蓋的前提下，通過(guò)一定的策略調(diào)配不同網(wǎng)絡(luò)下的用戶，并關(guān)掉部分網(wǎng)絡(luò)的基站以節(jié)省固定能耗，使同一區(qū)域共同存在的多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體服務(wù)能力與該區(qū)域中用戶的總體服務(wù)需求相匹配，在滿足QoS要求的前提下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體能耗的降低。核心思想是：在同一覆蓋區(qū)域，如果某種網(wǎng)絡(luò)能效高的基站有多余的服務(wù)能力為其他網(wǎng)絡(luò)能效低的基站下的用戶服務(wù)，可以選擇關(guān)掉能效低的基站，從而實(shí)現(xiàn)整體上的節(jié)能，并同時(shí)達(dá)到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。

　　對(duì)區(qū)域中S中的所有基站進(jìn)行搜索，將其服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，關(guān)掉能效較低的基站。根據(jù)最終匹配的結(jié)果，計(jì)算區(qū)域S中網(wǎng)絡(luò)總能耗為：

　　公式中，區(qū)域S內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為Wn，其中n=1，2，…，N代表網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下每個(gè)基站的固定能耗相同，均為Jn （焦耳）；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn對(duì)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)，給用戶交互每比特耗能Mn （焦耳/比特）；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的基站集合為{Bnj}，其中j =1，2，…，N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn下的用戶集合為{Unk}，其中k=1，2，…，N；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wn的第j個(gè)用戶的需求為D（Unk）；同種基站的服務(wù)能力完全相同。

　　2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的仿真及結(jié)果分析

　　為分析基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效比和對(duì)用戶的服務(wù)能力的提升程度，本節(jié)對(duì)兩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的情況進(jìn)行仿真。由于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)只是在基站之間交互信令時(shí)有區(qū)別，因此本節(jié)的仿真結(jié)果也同樣適用于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

　　2.1 仿真條件

　　在歸一化面積為1的正方形區(qū)域S中，存在蜂窩網(wǎng)A，以及其他短距離網(wǎng)絡(luò)B。為簡(jiǎn)單起見，假定：

　?。?）A的基站100個(gè)，均勻分布于區(qū)域S中；B的基站100個(gè)存在于隨機(jī)選定的位置上。

　?。?）A網(wǎng)絡(luò)下的所有基站性能指標(biāo)完全相同，B網(wǎng)絡(luò)下也如此。A網(wǎng)絡(luò)中基站所能同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)依次為40，B網(wǎng)絡(luò)下基站同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)為10。

　　。

　?。?）A網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站在無(wú)用戶接入時(shí)的固定能耗歸一化為2，B網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)基站固定能耗歸一化為1。

　?。?）A網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗（即每增加一個(gè)用戶后增加的能耗）歸一化為0.04，B中單個(gè)基站對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)時(shí)的邊際能耗歸一化為0.02。

　?。?）區(qū)域S中，A網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)依次為3 000個(gè)，B網(wǎng)絡(luò)中為1 000個(gè)。用戶位置均服從正態(tài)分布。

　　2.2 仿真結(jié)果及分析

　　圖4所示為區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)A、B的基站以及用戶的分布情況。方框代表網(wǎng)絡(luò)A的基站，均勻分布在區(qū)域中；*號(hào)代表B中的基站，位置隨機(jī)分布在區(qū)域中；方點(diǎn)代表區(qū)域中的用戶位置。根據(jù)圖4的分布圖，對(duì)所有基站的服務(wù)能力與其所覆蓋區(qū)域的用戶需求進(jìn)行匹配。兩網(wǎng)協(xié)同后的仿真結(jié)果簡(jiǎn)單示意如圖5、圖6所示。

　　圖5顯示了區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系，其中的能量進(jìn)行了歸一化。由圖5可以看出，有協(xié)同時(shí)的能量消耗，比無(wú)協(xié)同時(shí)的能量消耗降低了8%。說(shuō)明該協(xié)同覆蓋技術(shù)具有明顯的綠色節(jié)能能力。圖6顯示了網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)能力與是否進(jìn)行協(xié)同之間的關(guān)系。由圖中可以看出，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同后，區(qū)域S 中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)能力有很大提升。無(wú)線用戶接入率由原先的95%左右，提升到當(dāng)前的100%。網(wǎng)絡(luò)資源得到了充分的利用。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究了基于協(xié)同覆蓋的綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種根據(jù)基站服務(wù)能力與用戶需求進(jìn)行匹配的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同策略。該策略以節(jié)能為目的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同以及小區(qū)間的協(xié)同，在滿足用戶需求的前提下，讓能效性能高的基站在自身服務(wù)能力有剩余的情況下，為能效性能低的基站下的用戶提供服務(wù)，從而關(guān)掉部分能效低的基站，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的基于協(xié)同覆蓋的綠色無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)能效比以及用戶接入成功率方面均有較明顯的增益。