基于协同覆盖的绿色无线网络技术

无线网络技术作为信息技术重要的组成部分，孕育着新的重大突破机遇，正加速向多网共存和业务融合方向发展。在传统信息理论指导下，蜂窝移动通信网、广播网、移动互联网、无线局域网和无线传感网等各类无线网络技术迅速发展，形成了多网共存的"通信战国时代"。但这些网络为了追求自身利益最大化，片面强调各自的全面覆盖和独立发展，导致网络重复建设、资源浪费、环境污染和电磁环境恶化，投入产出能效比持续下降。随着多模智能通信终端的日益普及，用户对于多种无线网络、业务类型和服务质量的选择更具自主性、多样性和互动性，这表明以用户需求为核心的"个性化服务时代"的到来。如何在"通信战国时代"实现多网协同覆盖，提高多网下的整体能效比，优化用户跨网服务体验，是需要解决的迫在眉睫的问题。

　　用户的需求和体验是无线网络迅速发展最重要的推动力。从20世纪90年代个人移动通信开始大规模应用开始，国际学术界和工业界都对用户行为和业务体验进行了大量的建模分析。早在2006年，中国移动、沃达丰等七大运营商就发起成立了下一代移动通信网络(NGMN)组织，致力于从用户需求和体验的角度来引导无线通信网络的发展[1]。在网络容量受限的条件下，需要将网络资源与用户需求进行合适的匹配，这推动了多网协同覆盖技术的发展。

　　在20世纪90年代，国内外通信界重点针对单网络下的覆盖问题进行了长期的研究。近年来，国内外通信界开始针对多网情况下的协同覆盖问题开展探索，甚至开展相关的标准化准备工作。3GPP[2]针对未来的异构无线网络下的无线资源管理提出了通用无线资源管理(CRRM)模型，通过增加CRRM服务器对融合WCDMA、GSM/EDGE等多个无线接入网的异构网络进行全面统一的资源管理。这是一种基于紧耦合的异构网络无线资源管理模式。CRRM的功能模块可以分为两个部分：联合管理模块和独立执行模块。其中联合管理模块独立于各种无线接入技术(RAT)，是CRRM的执行重点，主要执行联合接纳控制、联合切换控制、联合资源分配以及联合时间调度。从项目支持上来看，欧盟投资2 100万欧元开展了"针对发起和管理与位置无关的优化个人服务的先进网络接口设计II期"(DAIDALOSII)项目[3]，主要以用户的服务需求为中心，研究在异构网络下如何优化能量分配的问题。在日本的e-Japan计划中，也同样资助了多个类似的项目，如"基于无线接入创新的多媒体整合网络"(MIRAI)[4]等。

　　国际学术界近年来也纷纷撰写论文，阐述进行多网络协同覆盖的重要性并开展相关的建模和分析。例如，麻省理工学院的D.Shah等人从信息论角度分析了网络容量的可扩展性[5]。瑞士洛桑联邦理工学院的E.Telatar等人利用多输入多输出(MIMO)信道容量获得了大型Ad Hoc网络单链路容量的上界，证明随着用户数不断增加，单链路容量上界趋于零[6]。加利福尼亚大学的Franceschetti等人首次提出了无线通信网络容量的物理极限理论[7]。

　　综合以上国际学术界发展动态和趋势可以看出，国际上正在开展各种不同无线接入网络的容量分析，以及针对用户行为和业务分布进行建模研究。另外，国际学术界和工业界都对网络能量与用户服务的匹配问题进行了探索，通过建立一些跨层优化的机制来使尽量多的用户得到满意的服务体验。但它们缺乏对网络本身基础信息理论的研究，对未来无线网络的发展方向没有一个十分清晰的认识。因此，对新一代无线网络自身发展原创性理论的全面系统研究是当前迫切需要解决的问题。

　　文章分别分析了异构的无线网络和同构的广域与局域同覆盖的无线网络场景，研究基于协同覆盖的绿色网络技术。

　　1 协同覆盖

　　协同通信是指根据用户与用户、用户与站点之间的无线信道特性、用户功率限制以及用户服务需求等，借助邻近站点或用户进行中继、协同与分集，实现可靠传输的技术。其原理如图1所示。图1中用户数据X经中继信道和直接信道发送到接收端，接收端收到合成信号Y。

　　略有别于协同通信，协同覆盖是指在同一区域同时存在着的多个网络之间，通过基站(或接入点。本文后续部分将不区分基站与接入点，统一称为基站)之间的相互协同，共同对被覆盖区域内的各种无线用户进行服务。图2显示了异构网络协同覆盖的一种情形：蜂窝移动通信网络的基站与Wi-Fi、无线局域网(WLAN)等具有热点覆盖能力的短距离无线网络的基站之间，通过无线连接的方式进行信令交互，实现网络间的互相协同。图3显示了同构的蜂窝网络的广域与局域网络之间，通过有线连接的方式进行信令交互，实现协同覆盖。两图中的虚线均表示有线连接。

1.1 异