能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱：能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：牛志升 清華大學(xué)起止年限：2012.1-2016.8依托部門：教育部一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究?jī)?nèi)容2.1 關(guān)鍵科學(xué)問題如前所述，如何以受限的頻譜與能量大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為此需要從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的角度探索頻譜與能量的高效利用機(jī)理與方法，并解決以下關(guān)鍵科學(xué)問題：科學(xué)問題1、網(wǎng)絡(luò)能效成因關(guān)系與高能效覆蓋機(jī)理：經(jīng)典信息論主要關(guān)注有效輻射能量與信道容量之間的關(guān)系，但蜂窩網(wǎng)絡(luò)的整體能耗中基站輻射能量只占一小部分，大部分能量消耗在了基站配套設(shè)備（基帶處理、功放、空調(diào)等）和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)覆蓋上。為此需要從網(wǎng)絡(luò)綜合能耗的角度探索能效的成因關(guān)系以及高能效覆蓋的機(jī)理； 科學(xué)問題2、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高能效資源匹配機(jī)理：移動(dòng)通信有限的頻譜和能量資源被獨(dú)立地分割在了功能各異的多個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，但各種異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量的時(shí)空分布卻呈現(xiàn)出越來越大的動(dòng)態(tài)特性，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜與能量資源都無法得到充分利用。為此需要針對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建立高能效的彈性資源匹配機(jī)理； 科學(xué)問題3、多樣性需求業(yè)務(wù)的高能效服務(wù)機(jī)理：未來移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)種類和服務(wù)質(zhì)量需求會(huì)越來越多樣化，但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基本上還是針對(duì)某種特定業(yè)務(wù)優(yōu)化的，難以同時(shí)滿足各類不同業(yè)務(wù)的需求、或是為了滿足最苛刻業(yè)務(wù)的需求而浪費(fèi)大量的頻譜與能量。為此需要針對(duì)多樣化的業(yè)務(wù)需求分別建立高能效的服務(wù)機(jī)理。2.2 主要研究?jī)?nèi)容為了解決以上關(guān)鍵科學(xué)問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘粋€(gè)超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，通過控制信道覆蓋與業(yè)務(wù)信道覆蓋適度的分離引入網(wǎng)絡(luò)的柔性覆蓋、資源的彈性匹配、以及業(yè)務(wù)的適度服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能效與資源的聯(lián)合優(yōu)化。為此，我們將著重研究控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋的分離機(jī)制與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，建立超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率與各種網(wǎng)絡(luò)資源之間的理論關(guān)系與評(píng)價(jià)方法，給出逼近其能效極限的資源優(yōu)化配置方案，并針對(duì)多樣化業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)差異化適度服務(wù)機(jī)理。具體地，擬分成以下六個(gè)課題展開研究。1） 網(wǎng)絡(luò)能效理論與超蜂窩體系架構(gòu)按照能效優(yōu)先的原則重新審視無線通信與網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理，從網(wǎng)絡(luò)整體能效的角度研究網(wǎng)絡(luò)能量效率的成因關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立能效與資源優(yōu)化的移動(dòng)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)與理論體系。1.1）網(wǎng)絡(luò)能效建模與成因關(guān)系分析：明確網(wǎng)絡(luò)能效的定義，建立無線通信鏈路的信息處理和信令開銷能耗的理論模型，分析網(wǎng)絡(luò)能效與網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、頻譜效率、用戶群體行為、業(yè)務(wù)特征及其服務(wù)質(zhì)量要求之間的成因關(guān)系，探索超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能效極限，給出網(wǎng)絡(luò)能效與系統(tǒng)容量的協(xié)同優(yōu)化方法。這里最核心的是要建立網(wǎng)絡(luò)能效與頻譜效率、以及網(wǎng)絡(luò)能效與業(yè)務(wù)延遲之間的互換關(guān)系。1.2）超蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其理論基礎(chǔ)：探索超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，建立超蜂窩網(wǎng)絡(luò)柔性覆蓋、彈性匹配、及適度服務(wù)的理論基礎(chǔ)，給出低能耗控制覆蓋及能效與資源聯(lián)合優(yōu)化的業(yè)務(wù)覆蓋的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并提供實(shí)驗(yàn)室演示驗(yàn)證系統(tǒng)。2) 超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的柔性覆蓋與控制理論針對(duì)未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)在時(shí)域和空域上大范圍動(dòng)態(tài)變化、且服務(wù)質(zhì)量要求越來越兩極分化的矛盾，深入挖掘網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能效潛力，建立兼顧能效與容量的智能柔性覆蓋與控制理論，為超蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下的物理層與鏈路層的能效優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容包括：2.1) 控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋分離機(jī)制及優(yōu)化研究：通過控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋在業(yè)務(wù)級(jí)、設(shè)備級(jí)、協(xié)議級(jí)的逐級(jí)分離，研究?jī)煞N覆蓋的合作機(jī)制和演進(jìn)方法，探索在公共控制覆蓋基礎(chǔ)上的異構(gòu)業(yè)務(wù)覆蓋機(jī)理和控制方法，以及公共控制覆蓋的異構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)一步探索上下行覆蓋分離的機(jī)制、能耗理論和相應(yīng)的控制方法。2.2) 柔性覆蓋中控制覆蓋的能效優(yōu)化方法：探討未來無線接入對(duì)控制信道需求的發(fā)展趨勢(shì)，研究系統(tǒng)同步、信道估計(jì)、定位、尋呼、隨機(jī)接入等控制功能在超蜂窩架構(gòu)下的能效優(yōu)化機(jī)制與方法，給出控制覆蓋強(qiáng)度的理論描述。2.3) 柔性覆蓋動(dòng)態(tài)小區(qū)形成方法研究：研究下行動(dòng)態(tài)功率控制和天線形態(tài)調(diào)整在動(dòng)態(tài)小區(qū)形成中對(duì)容量和能耗的影響，以及在不同信道條件下分布式天線協(xié)作覆蓋虛擬小區(qū)成形方法，建立分布式覆蓋容量與虛擬小區(qū)形態(tài)、回程鏈路能耗、處理能耗、傳輸能耗之間的折中關(guān)系，進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)小區(qū)構(gòu)建的能效優(yōu)化準(zhǔn)則、優(yōu)化方法以及規(guī)模化實(shí)現(xiàn)方法，探索新型天線和新頻段在動(dòng)態(tài)小區(qū)覆蓋形成方面的解決途徑。3) 能效優(yōu)先的傳輸理論與彈性接入方法研究超蜂窩網(wǎng)絡(luò)中非協(xié)作的傳輸理論與接入技術(shù)，即假定各蜂窩小區(qū)基站不交互信息、不使用中繼協(xié)作或用戶協(xié)作機(jī)制完成無線傳輸。3.1) 綜合鏈路能效優(yōu)化的傳輸機(jī)制及與頻譜效率的理論關(guān)系：針對(duì)非協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)，分別考慮不存在小區(qū)間干擾時(shí)的單小區(qū)多用戶及存在小區(qū)間干擾時(shí)的多小區(qū)多用戶系統(tǒng)，研究多天線、多載波系統(tǒng)能量效率與頻譜效率之間的理論關(guān)系，分析鏈路能量效率與功率、帶寬、收發(fā)天線數(shù)等無線資源、以及與干擾、用戶數(shù)和業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)變化特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立優(yōu)化鏈路能量效率的無線傳輸理論模型。32）能效與資源聯(lián)合優(yōu)化的彈性接入機(jī)制：針對(duì)具有高頻譜效率的MIMO和OFDMA技術(shù)，研究高能效無線傳輸與資源分配的優(yōu)化準(zhǔn)則；提出能充分利用信道/干擾/業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)變化特性、滿足網(wǎng)絡(luò)和用戶服務(wù)質(zhì)量要求的高能效最優(yōu)接入方法；分析高能效資源分配與接入機(jī)制對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的影響及其與系統(tǒng)參數(shù)和信道環(huán)境間的關(guān)系；研究低復(fù)雜度、高能效的最優(yōu)接入算法。33）高能效傳輸與彈性接入機(jī)制演示驗(yàn)證系統(tǒng)：構(gòu)建超蜂窩高能效無線傳輸與資源分配的系統(tǒng)級(jí)仿真和測(cè)試平臺(tái)，評(píng)估不同無線傳輸技術(shù)的鏈路能量效率，平臺(tái)的系統(tǒng)參數(shù)將參考下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（不少于8根發(fā)送天線、4根接收天線、帶寬不小于40MHz）。4) 超蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制與資源優(yōu)化方法針對(duì)復(fù)雜的干擾環(huán)境及動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)需求，研究超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作機(jī)制與資源優(yōu)化方法，建立同構(gòu)蜂窩與異構(gòu)蜂窩的小區(qū)之間或小區(qū)內(nèi)多個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的高能效協(xié)作機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上給出能效與資源聯(lián)合優(yōu)化方法。4.1) 高能效異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸理論：給出協(xié)作開銷及相應(yīng)回程能耗的模型，建立發(fā)射能效與協(xié)作開銷、以及能效與協(xié)作基站或天線站數(shù)目之間的理論關(guān)系，研究不同載荷下的動(dòng)態(tài)協(xié)作理論以及降低傳輸開銷和基帶復(fù)雜度的方法，從而確立在動(dòng)態(tài)協(xié)作下能效與系統(tǒng)容量、傳輸開銷、基帶處理復(fù)雜度之間的理論關(guān)系。對(duì)于基于小區(qū)內(nèi)天線站的多點(diǎn)協(xié)作，建立小區(qū)內(nèi)干擾與系統(tǒng)能效的理論關(guān)系。對(duì)于基于中繼的協(xié)作系統(tǒng)，建立能效與中繼密度、傳輸開銷及系統(tǒng)載荷的理論關(guān)系。4.2)超蜂窩網(wǎng)絡(luò)能效與資源聯(lián)合優(yōu)化方法：研究超蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置方法，并通過學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、以及用戶業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)在能效優(yōu)先條件下網(wǎng)絡(luò)資源與用戶需求的實(shí)時(shí)自適應(yīng)匹配，從而建立基于能效優(yōu)先的動(dòng)態(tài)資源匹配理論。4.3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作算法的演示驗(yàn)證平臺(tái)：借助課題一中的演示平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)超蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸演示系統(tǒng)，驗(yàn)證以上理論與方法對(duì)能效提升的作用。5) 用戶群體行為建模與高能效服務(wù)方法通過對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的移動(dòng)無線通信系統(tǒng)中常見業(yè)務(wù)的采集和測(cè)量，分析移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中多種類型業(yè)務(wù)在時(shí)域和空域分布的動(dòng)態(tài)特征以及內(nèi)容屬性等方面的變化規(guī)律，挖掘用戶群體的行為模式，建立并針對(duì)不同的群體行為特征給出高能效服務(wù)方法。5.1）移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)采集與分析：研究移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量方法，研究移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)在時(shí)間、空間和相關(guān)性方面的特征分析，給出多種典型業(yè)務(wù)的流量分布函數(shù)以及多類型業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)模型。5.2）多維度用戶群體行為分析與建模：通過業(yè)務(wù)特征分析，研究用戶以群體為單位在活動(dòng)規(guī)律、業(yè)務(wù)需求、接入頻率、用戶關(guān)聯(lián)關(guān)系、聚類特性等多維度下的行為模式和特征規(guī)律，對(duì)業(yè)務(wù)內(nèi)容上的相關(guān)性及用戶群體行為的趨同性等進(jìn)行分析，通過概率統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘等手段對(duì)用戶群體行為進(jìn)行認(rèn)知與數(shù)學(xué)建模，指導(dǎo)超蜂窩的資源配置。5.3) 面向用戶群體行為的高能效服務(wù)機(jī)理：建立用戶群體行為與網(wǎng)絡(luò)高能效的內(nèi)在聯(lián)系，研究面向用戶群體行為的高能效服務(wù)機(jī)理與智能動(dòng)態(tài)適配技術(shù)，構(gòu)建面向用戶群體行為的高能效服務(wù)體系。6) 業(yè)務(wù)特征認(rèn)知與高能效差異化服務(wù)方法基于不同業(yè)務(wù)之間在業(yè)務(wù)特征與服務(wù)質(zhì)量需求上存在的差異，按照按需適度服務(wù)的原則建立差異化的服務(wù)體系與評(píng)價(jià)方法，為高能效移動(dòng)通信服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。6.1) 業(yè)務(wù)特征感知與業(yè)務(wù)建模理論與方法：基于業(yè)務(wù)抽象化的感知方法，從業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)的時(shí)間特性、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)/點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)/廣播的傳輸特性、以及人與人/人與機(jī)器/機(jī)器與機(jī)器的參與者特性等多個(gè)角度對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行特征分析、分類與建模，并據(jù)此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量中的業(yè)務(wù)類型測(cè)量，給出不同類型業(yè)務(wù)的行為模型。6.2) 高能效的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)機(jī)制與方法：基于用戶行為的統(tǒng)計(jì)趨同性和業(yè)務(wù)需求差異性的特點(diǎn)，結(jié)合單播、多播與廣播等多種傳輸手段，設(shè)計(jì)面向不同類別業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源與能效的聯(lián)合優(yōu)化。具體包括：具有實(shí)時(shí)大容量對(duì)稱特征的業(yè)務(wù)；具有軟實(shí)時(shí)高速率特征的業(yè)務(wù)；具有周期性低速率特征的業(yè)務(wù)等。關(guān)鍵科學(xué)問題與研究?jī)?nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2-1。圖2-1 關(guān)鍵科學(xué)問題與研究?jī)?nèi)容及各課題之間的支撐關(guān)系二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：面向國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略需求，針對(duì)無線數(shù)據(jù)與視頻業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展及通信業(yè)務(wù)量的指數(shù)增長(zhǎng)所帶來的頻譜和能耗瓶頸，研究并突破可使移動(dòng)通信系統(tǒng)的能量效率大幅度提高的理論與技術(shù)，建立能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)，并給出典型網(wǎng)絡(luò)的低能耗設(shè)計(jì)，滿足未來10-20年移動(dòng)通信對(duì)寬帶大容量的迫切需求。五年內(nèi)預(yù)期目標(biāo)： 通過本項(xiàng)目的實(shí)施建立一套能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)理論體系，包括：1）網(wǎng)絡(luò)能效理論及超蜂窩體系架構(gòu)；2）超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的柔性覆蓋與控制理論；3）能效優(yōu)先的非協(xié)作傳輸理論與彈性接入機(jī)制；4）超蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制與資源優(yōu)化方法； 5）用戶群體行為建模與高能效服務(wù)機(jī)制; 6）業(yè)務(wù)需求認(rèn)知與高能效差異化服務(wù)機(jī)制。突破一批關(guān)鍵核心技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)能效較現(xiàn)有水平有較大幅度的提高，并給出典型網(wǎng)絡(luò)的低能耗設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室演示驗(yàn)證系統(tǒng)。擬發(fā)表SCI檢索論文240篇以上、申請(qǐng)發(fā)明專利50項(xiàng)以上、提交標(biāo)準(zhǔn)化建議草案10份以上、組織國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議5次以上、培養(yǎng)優(yōu)秀中青年骨干人才15人以上、博士生60名以上，并依托清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）建立一個(gè)具有國(guó)際前沿水平的綠色通信與網(wǎng)絡(luò)研究基地。三、研究方案4.1 學(xué)術(shù)思路未來無線通信業(yè)務(wù)需求的發(fā)展趨勢(shì)是業(yè)務(wù)總量和用戶峰值速率均呈指數(shù)增長(zhǎng)，且業(yè)務(wù)類型及業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)范圍不斷擴(kuò)大。一方面，隨著智能手機(jī)與視頻業(yè)務(wù)的大量出現(xiàn)，用戶對(duì)峰值速率的需求還在不斷上升；另一方面，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速普及又會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來海量的中低速率業(yè)務(wù)，它們每次請(qǐng)求的業(yè)務(wù)量很小，但卻會(huì)很頻繁。如此兩極分化的業(yè)務(wù)實(shí)際上都會(huì)消耗大量的基站能量。由經(jīng)典信息論可知：在高頻譜效率的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中，對(duì)于給定的帶寬，無線傳輸容量的提高需要指數(shù)倍地提高傳輸功率，即無線傳輸?shù)念l譜效率與能量效率是一對(duì)天然的矛盾。因此，要想在不犧牲頻譜效率、甚至還需要提高頻譜效率的前提下大幅度地提升能量效率，即能效與資源的聯(lián)合優(yōu)化，單靠物理層傳輸技術(shù)的提高是很難實(shí)現(xiàn)的。為此，我們需要從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的角度尋找解決途徑。眾所周知，現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)提高容量和降低功耗的主要手段就是不斷地縮小蜂窩尺寸。但這不僅會(huì)增加小區(qū)的密度，占用更多的站址資源，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的成本，而且也會(huì)加劇小區(qū)間業(yè)務(wù)量的不平衡，并帶來更多的小區(qū)間干擾，可見這條路徑也很快就會(huì)走到盡頭的。究其原因，這主要是源于現(xiàn)有基站的多重身份，它不僅要負(fù)責(zé)無線信號(hào)的收發(fā)，還要負(fù)責(zé)收發(fā)信號(hào)的處理、本小區(qū)的資源調(diào)度、以及為本小區(qū)用戶提供同步、喚醒、切換等控制服務(wù)，即網(wǎng)絡(luò)的控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋是緊密耦合在一起的（以下簡(jiǎn)稱“硬性覆蓋”），難以根據(jù)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行柔性的改變。另外，現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用以基站為中心的靜態(tài)設(shè)計(jì)理念，通常根據(jù)業(yè)務(wù)的峰值流量和網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋需求配備基站資源，以保證用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)都可以獲得滿意的服務(wù)。這對(duì)于以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言是可以接受的，因?yàn)橐话銇碇v每小區(qū)用戶數(shù)足夠多、且小區(qū)業(yè)務(wù)量在空間和時(shí)間上的起伏（動(dòng)態(tài)性）不大，完全可以通過靜態(tài)的基站規(guī)劃使每個(gè)基站接近滿負(fù)荷工作，基站的能耗損失不大。但隨著各種非話業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)、視頻等）的大量涌現(xiàn)以及蜂窩尺寸的不斷縮小，使得每小區(qū)業(yè)務(wù)量在空間和時(shí)間上的起伏急劇加大，如果仍然延續(xù)傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，將會(huì)導(dǎo)致許多基站在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)大量的基站能量。還有，現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模式基本上是固定的，針對(duì)不同種類的業(yè)務(wù)組建不同的網(wǎng)絡(luò)（如GSM主要針對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)、LTE主要針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)與優(yōu)化），因此當(dāng)不同種類的業(yè)務(wù)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)勢(shì)必會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源和能量的浪費(fèi)。舉例來講，如果數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要在語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)脑挘捎谄渫话l(fā)性較大，必然會(huì)導(dǎo)致其阻塞率的上升。由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)無法忍受任何延遲，因此語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)解決這個(gè)問題的唯一手段就是不斷地提高傳輸容量，這必然會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。但實(shí)際上，一般來講數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是可以容忍一定的延遲的，因此網(wǎng)絡(luò)完全可以通過緩沖的方式令其避開網(wǎng)絡(luò)的繁忙期和信道的衰落期、或是等到用戶移動(dòng)到離基站較近區(qū)域時(shí)再開始通信的方式降低阻塞率，這樣就可以在不增加網(wǎng)絡(luò)資源和能量的情況下獲得滿意的服務(wù)。由此可見，我們需要轉(zhuǎn)變一味地追求小區(qū)內(nèi)無線信道容量的思路，而是著眼于通信系統(tǒng)所服務(wù)的對(duì)象（即“用戶”）和通信系統(tǒng)所傳遞的對(duì)象（即“信息”）本身，主動(dòng)利用用戶分布的動(dòng)態(tài)性、業(yè)務(wù)特征的差異性、以及信息內(nèi)容需求的群體趨同性等特征，通過多小區(qū)協(xié)作和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合等手段，從網(wǎng)絡(luò)的角度創(chuàng)建一套根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)量與不同業(yè)務(wù)需求提供柔性覆蓋和適度服務(wù)的能效優(yōu)先設(shè)計(jì)理念和理論體系，即在滿足用戶需求的前提下通過減少資源和能量的浪費(fèi)來實(shí)現(xiàn)能效與資源聯(lián)合優(yōu)化。排隊(duì)論的知識(shí)告訴我們：業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性和差異性越大，傳統(tǒng)固定服務(wù)方式的浪費(fèi)就越大，我們所能得到的能效增益也就越大（圖1-3）。為了實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變，首先需要將現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中緊密耦合在一起的控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋進(jìn)行適度的分離，否則的話兩者相互制約，無法靈活地應(yīng)對(duì)環(huán)境與需求的變化。然后在此基礎(chǔ)上引入網(wǎng)絡(luò)的柔性覆蓋、資源的彈性匹配、以及業(yè)務(wù)的適度服務(wù)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)能效與資源的聯(lián)合優(yōu)化。這就是本申請(qǐng)?zhí)岢龅某涓C網(wǎng)絡(luò)的核心思想，其主要特征可歸納為以下三點(diǎn)：1）基于控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋適度分離的柔性覆蓋思路通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的控制信號(hào)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分別提供覆蓋服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)只需以較低的能量維持控制信號(hào)的覆蓋以保證用戶的可連通性即可（“覆蓋優(yōu)先”），而在網(wǎng)絡(luò)覆蓋得到了保障的基礎(chǔ)上，業(yè)務(wù)覆蓋則可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求柔性地進(jìn)行布置（“能效優(yōu)先”），并隨時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況及業(yè)務(wù)需求的變化調(diào)整其覆蓋模式（2G/3G/4G？）、覆蓋范圍（微蜂窩/皮蜂窩/微微蜂窩？）和服務(wù)方式（單播/組播/廣播？）。圖4-1給出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋隨業(yè)務(wù)量分布而動(dòng)態(tài)改變的示意圖，圖4-2則給出了超蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖。傳統(tǒng)以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)，由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)本身的速率也較低，將兩者分離的必要性不大。但未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)大量的高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)，使得這種分離變得越來越必要。a)白天的覆蓋 b) 夜晚的覆蓋圖4-1 根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)地調(diào)整覆蓋模式與范圍的柔性覆蓋示意圖（其中綠色表示控制覆蓋區(qū)域，黃色和紅色分別表示低速率和高速率業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域，且蜂窩的大小隨業(yè)務(wù)速率要求動(dòng)態(tài)調(diào)整）圖4-2超蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖2） 基于基站和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的彈性資源匹配思路在超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)下，由于同一業(yè)務(wù)覆蓋的相鄰小區(qū)之間以及不同業(yè)務(wù)覆蓋的異構(gòu)小區(qū)之間往往是密集和重疊覆蓋的，因此完全可以通過鄰小區(qū)基站之間或是異構(gòu)小區(qū)之間的協(xié)同傳輸來應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量分布的時(shí)空起伏，不必為每個(gè)小區(qū)都過度地匹配資源。也就是說，多個(gè)相鄰小區(qū)或是異構(gòu)小區(qū)之間可以形成一個(gè)簇，通過協(xié)同的方式為用戶提供服務(wù)。反過來，用戶則可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求以及不同小區(qū)的負(fù)載狀況等從某個(gè)簇中動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)合適的小區(qū)進(jìn)行接入（即“彈性接入“），從而避免了網(wǎng)絡(luò)資源和能量的浪費(fèi)。當(dāng)然，小區(qū)簇的形成也應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的。3) 基于差異化服務(wù)的按需適度服務(wù)思路如前所述，無線數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)無論是在業(yè)務(wù)特征（不同類別的用戶對(duì)數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的需求存在較大差異，用戶啟用數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的隨機(jī)性和突發(fā)性也非常大）、還是在業(yè)務(wù)需求（數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以忍受一定的延時(shí)，視頻業(yè)務(wù)則對(duì)延時(shí)抖動(dòng)非常敏感）上都與語(yǔ)音業(yè)務(wù)存在很大的差異，如果此時(shí)仍然采用傳統(tǒng)的歸一化服務(wù)方式，則勢(shì)必會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源和能量的極大浪費(fèi)。另一方面，無線數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)還會(huì)出現(xiàn)一定的群體性，即很多用戶在相同的空間范圍和時(shí)間范圍內(nèi)可能會(huì)對(duì)網(wǎng)上的同一個(gè)數(shù)據(jù)或視頻內(nèi)容感興趣，而且越是熱點(diǎn)的內(nèi)容其群體趨同性越明顯。因此如果仍然沿用像語(yǔ)音那樣的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)模式，同樣的數(shù)據(jù)和視頻內(nèi)容會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中被多次重復(fù)傳輸，浪費(fèi)了大量的網(wǎng)絡(luò)資源和能量。特別是一般來講數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量都是非常大的，因此其所造成的浪費(fèi)也是巨大的。為了節(jié)省能量，我們實(shí)際上可以主動(dòng)利用業(yè)務(wù)內(nèi)容的差異性和趨同性，通過引入差異化服務(wù)機(jī)理來為不同的業(yè)務(wù)提供按需適度服務(wù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源和能量的利用率。舉例來講，如果業(yè)務(wù)可以容忍一定延遲的話（非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)），完全可以通過主動(dòng)改變調(diào)制方式（如從64QAM降到QPSK）等手段，以一定的延時(shí)來?yè)Q取能量效率。實(shí)際上，運(yùn)用排隊(duì)論的知識(shí)可知：將非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按照實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的方式進(jìn)行服務(wù)的話，在相同阻塞率的情況下需要大幅度地增加網(wǎng)絡(luò)資源和能量。反之，針對(duì)趨同性的業(yè)務(wù)需求則可以通過引入多播或廣播通道，或是將廣播網(wǎng)絡(luò)融合到通信網(wǎng)絡(luò)中，將很多用戶在一定時(shí)間內(nèi)共同感興趣的信息以廣播或多播的方式分發(fā)下去，從而減少同一信息在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸次數(shù)，在減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)大幅度地提高能量效率。綜上所述，能量效率優(yōu)先的無線通信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是一個(gè)全新的研究方向，幾乎沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，必須闖出一條嶄新的學(xué)術(shù)思路來才有可能取得突破。本申請(qǐng)的三個(gè)主要研究思路均具有很大的創(chuàng)新性，且會(huì)大幅度提高能量效率。4.2技術(shù)途徑課題一、網(wǎng)絡(luò)能效理論及超蜂窩體系架構(gòu)1.網(wǎng)絡(luò)能效建模及其成因關(guān)系分析為了全面反映網(wǎng)絡(luò)各部分的能耗，首先給出一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)能效”的定義，并分析其成因關(guān)系。對(duì)于給定的頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、用戶分布、業(yè)務(wù)模型及服務(wù)質(zhì)量要求，網(wǎng)絡(luò)能效定義為：網(wǎng)絡(luò)承載的用戶業(yè)務(wù)總量與所消耗的總能量之比，即單位能量平均所承載的用戶業(yè)務(wù)量(bits/J)，或是用頻譜和覆蓋區(qū)域歸一化后的單位面積和單位帶寬的能量效率(bits/J/Hz/area)。很顯然，與經(jīng)典信息論中的比特能量效率相比，它有以下幾個(gè)特征： （1） 它是從網(wǎng)絡(luò)整體（一定的覆蓋區(qū)域）的角度來定義的，不只是單條鏈路或是單個(gè)小區(qū)的能效。因此在覆蓋區(qū)域內(nèi)通過更高效的頻率復(fù)用、基站協(xié)作或是負(fù)載均衡等手段都有可能大幅度提高網(wǎng)絡(luò)能效。與此同時(shí)，它關(guān)注網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備的整體能耗，包括協(xié)議與信號(hào)處理設(shè)備能耗、外圍輔助設(shè)備能耗等，而非僅僅是無線傳輸能耗；（2） 它是針對(duì)實(shí)際承載的用戶端業(yè)務(wù)吞吐量定義的（bits或是erl），而非網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各鏈路上的信息傳輸總量同一信息在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的多次重復(fù)傳輸將不會(huì)帶來相應(yīng)的吞吐量，更非各鏈路上的總?cè)萘浚╞its/s）容量表述的只是一種傳輸能力(capacity)，并非業(yè)務(wù)的實(shí)際傳輸量。因此不僅可以通過減少同一信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸次數(shù)或是將不同用戶的信息融合為一路信息發(fā)送等手段來降低能耗，還可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求的變化自適應(yīng)地匹配資源和能量（即彈性接入和按需適度服務(wù)）的方式提高網(wǎng)絡(luò)能效。由此可見，網(wǎng)絡(luò)能效是一個(gè)新的概念，它可以有效地反映各種不同特性（實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)；單播、多播等）的業(yè)務(wù)以及業(yè)務(wù)實(shí)際需求的不均勻性和動(dòng)態(tài)特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效的影響，為研究大幅度提高能效的機(jī)理與方法指明了方向。為此，需要研究網(wǎng)絡(luò)能效與網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、頻譜效率、用戶分布、業(yè)務(wù)特性等的理論關(guān)系，即在給定頻譜資源和業(yè)務(wù)覆蓋需求下的最小能量理論（以下簡(jiǎn)稱“網(wǎng)絡(luò)能效理論”），包括：如何以最小的能量實(shí)現(xiàn)所需的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及業(yè)務(wù)服務(wù)需求？網(wǎng)絡(luò)能效與頻譜效率之間存在什么樣的理論關(guān)系？業(yè)務(wù)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)特性究竟會(huì)如何影響網(wǎng)絡(luò)能效？具體地，本課題擬重點(diǎn)研究以下兩個(gè)基礎(chǔ)理論問題：1) 網(wǎng)絡(luò)能效與頻譜效率的理論關(guān)系。如果只考慮單鏈路的發(fā)射功率，則經(jīng)典信息論告訴我們：鏈路能效與頻譜效率之間存在單調(diào)的折中關(guān)系。但如果額外考慮信息處理等能耗，則這種折中關(guān)系就會(huì)變得非常復(fù)雜，至少不再單調(diào)1。進(jìn)一步地，如果將鏈路頻譜效率也改成“網(wǎng)絡(luò)頻譜效率”，即以給定的帶寬在一定覆蓋范圍內(nèi)所能傳送的業(yè)務(wù)量，則兩者的關(guān)系會(huì)變得更加復(fù)雜，至少不再是簡(jiǎn)單的折中關(guān)系，因?yàn)槲覀兺耆梢酝ㄟ^頻率復(fù)用、基站協(xié)作或是負(fù)載均衡等手段，在不犧牲頻譜效率的前提下提高能量效率。為此，我們擬將信息論與動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論相結(jié)合，以動(dòng)態(tài)優(yōu)化的思想并從系統(tǒng)的角度分析能量效率與頻譜效率的關(guān)系，借助馬爾可夫決策過程的理論與方法給出該動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題的數(shù)值解。2) 網(wǎng)絡(luò)能效與業(yè)務(wù)延時(shí)的理論關(guān)系。如前所述，為了提高網(wǎng)絡(luò)能效，無論是引入柔性覆蓋、彈性接入、還是適度服務(wù)的機(jī)制都可能會(huì)給用戶帶來額外的延時(shí)。但究竟多大的延時(shí)能夠換來多少的能量節(jié)省還是一個(gè)急需解決的基礎(chǔ)理論問題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能是度量服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的重要指標(biāo)，而且額外的延時(shí)還會(huì)帶來額外的處理能耗。經(jīng)典信息論一般只考慮某條鏈路上發(fā)射功率與傳輸延時(shí)之間的折中關(guān)系，未針對(duì)全網(wǎng)的總能耗與端對(duì)端延時(shí)（包括排隊(duì)延時(shí)、處理延時(shí)等）來考慮。而且，已有的結(jié)果大都只關(guān)注平均延時(shí)，未能將延時(shí)抖動(dòng)考慮進(jìn)來。實(shí)際上，對(duì)于大部分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言，延時(shí)的抖動(dòng)是更重要的性能指標(biāo)。為此，我們擬將信息論與排隊(duì)論相結(jié)合，以隨機(jī)服務(wù)的思想并從業(yè)務(wù)端對(duì)端性能的角度分析能量效率與業(yè)務(wù)延時(shí)及其抖動(dòng)的理論關(guān)系，借助矩陣幾何解析的理論與方法給出網(wǎng)絡(luò)能效與可容忍延時(shí)之間的定量關(guān)系（圖4-3、圖4-4）。 圖4-3網(wǎng)絡(luò)能效理論框架與研究方案圖4-4網(wǎng)絡(luò)總能耗與端對(duì)端延時(shí)的關(guān)系一個(gè)簡(jiǎn)單的例子如下： 例1 假設(shè)某個(gè)用戶以速率為的泊松過程對(duì)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)地產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求，并要求服務(wù)請(qǐng)求的阻塞率不超過PB。網(wǎng)絡(luò)則為其分配相應(yīng)的資源和能量提供服務(wù)，并假設(shè)用戶占用該資源的時(shí)間也是隨機(jī)的，服從負(fù)指數(shù)分布。- 如果該服務(wù)要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性，則網(wǎng)絡(luò)只能通過不斷增加網(wǎng)絡(luò)資源（即提高服務(wù)速率1）來保證指定的PB，則該服務(wù)系統(tǒng)可以等效為一個(gè)M/M/1(0)排隊(duì)模型，根據(jù)排隊(duì)論中的愛爾蘭公式可以求得PB(1)=1/(1+1)，其中1=/1。- 但如果該服務(wù)可以容忍一定的延時(shí)（假設(shè)緩沖區(qū)容量為k），則該服務(wù)系統(tǒng)可以等效為M/M/1(k)排隊(duì)模型。根據(jù)排隊(duì)論可以求得PB(2)=2k+1(1-2)/(1-2k+2)，平均等待時(shí)間W=(1+2+2k-k2k+2)/(1-2k+2), 其中2=/2。- 令PB(1)=PB(2)，1=s2, 則可以求得s=(1-2k+1)/(1-2)2k ，它相當(dāng)于如果將該非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按照實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來服務(wù)時(shí)所需要增加的服務(wù)能力。- 例如，如果k=2、2=0.5，則s=7，W2=1.72-1，即實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)率（能力）需要增加到原來的7倍才能保證同等的阻塞率，或者說通過1.7倍于平均服務(wù)時(shí)間的延時(shí)近似換取了7倍的服務(wù)能力！- 進(jìn)一步地，如果將k擴(kuò)大到8，2=0.5保持不變，則s=511，W2=1.92-1，即僅僅通過1.9倍于平均服務(wù)時(shí)間的延時(shí)近似換取了511倍的服務(wù)能力！根據(jù)信息論的知識(shí)可知：對(duì)于給定的帶寬，服務(wù)能力的提高需要通過提高信噪比來實(shí)現(xiàn)，即7倍服務(wù)能力的提高需要近似提高27倍發(fā)射功率才能換取。由此可見，以較小的延時(shí)可以換來較大幅度的功率效率。當(dāng)然，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的定性說明例子，具體多少延時(shí)能夠換來多大的能效需要進(jìn)一步研究，也是本課題的主要研究方向之一。2.超蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其工作原理本申請(qǐng)?zhí)岢隽顺涓C的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即為控制信號(hào)提供服務(wù)的控制覆蓋和為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)的業(yè)務(wù)覆蓋需要分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，但具體如何進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化還缺乏相應(yīng)基礎(chǔ)理論的支撐，包括：為了保證給定覆蓋區(qū)域內(nèi)所有用戶的可連通性（基本控制信號(hào)的可達(dá)性）至少需要多少能量？它與哪些因素有關(guān)？如何逼近該能效極限？如果有業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生時(shí)，如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和具體的業(yè)務(wù)需求為其設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)覆蓋？各種業(yè)務(wù)覆蓋之間存在哪些制約關(guān)系？在業(yè)務(wù)服務(wù)終了之后何時(shí)令其轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)為最佳？休眠時(shí)間又該如何設(shè)計(jì)？為了回答這些問題，迫切需要建立超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論體系，并在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。具體地說，超蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可能存在不同用戶共享無線信道、多小區(qū)之間相互干擾與協(xié)作（圖4-5）、多跳傳輸之間相互影響等（圖4-6），不同隊(duì)列之間相互影響，形成交互式隊(duì)列（interactive queue），使得隊(duì)列的延時(shí)性能變得異常復(fù)雜。而信道的時(shí)變以及用戶的隨機(jī)到達(dá)特性還會(huì)使得問題變得更加復(fù)雜。為此，可能需要主動(dòng)利用隊(duì)列長(zhǎng)度、信道狀態(tài)以及排隊(duì)延時(shí)等實(shí)時(shí)信息，研究信息如何在超蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進(jìn)行交互，從而設(shè)計(jì)出高效的控制算法，實(shí)現(xiàn)延時(shí)和能量的聯(lián)合優(yōu)化。圖4-5小區(qū)間相互干擾與協(xié)作分析模型圖4-6多跳傳輸之間相互干擾分析模型3. 基于能量效率優(yōu)先的典型綠色無線網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證系統(tǒng)基于能量效率優(yōu)先的典型綠色無線網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證系統(tǒng)將以校園局部區(qū)域?yàn)榈湫蛨?chǎng)景，建立分布式天線前端或節(jié)點(diǎn)與蜂窩廣播相結(jié)合的演示環(huán)境。演示環(huán)境采用以大區(qū)廣播覆蓋、蜂窩無縫覆蓋、分布式覆蓋構(gòu)成的三層覆蓋形式，如圖4-7所示。圖4-7 超蜂窩網(wǎng)絡(luò)原理演示驗(yàn)證平臺(tái)示意圖大區(qū)廣播覆蓋可基于數(shù)字電視地面廣播設(shè)備建設(shè)，蜂窩小區(qū)覆蓋可基于3G網(wǎng)絡(luò)或較大功率的WiFi設(shè)備（模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）實(shí)現(xiàn)無縫小區(qū)覆蓋，分布式前端采用專用分布式天線或者小功率WiFi設(shè)備實(shí)現(xiàn)島狀覆蓋。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有軟實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)器提供軟實(shí)時(shí)信息傳輸服務(wù)管理功能，以及能耗管理服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)能耗的管理與測(cè)量。課題一將形成演示驗(yàn)證系統(tǒng)的框架和相應(yīng)平臺(tái)，其他課題均可在該平臺(tái)上增加所需的演示驗(yàn)證分系統(tǒng)或模塊。針對(duì)課題二至課題六核心研究思想進(jìn)行演示驗(yàn)證。研究將依托承研單位的有利條件，以校園局部區(qū)域?yàn)榈湫蛨?chǎng)景，建立相應(yīng)的演示驗(yàn)證系統(tǒng)。課題二、超蜂窩網(wǎng)絡(luò)的柔性覆蓋與控制理論在柔性覆蓋中，應(yīng)盡可能多地體現(xiàn)以用戶為中心的理念，根據(jù)業(yè)務(wù)需求智能地提供所需的覆蓋和能量，從而實(shí)現(xiàn)干擾的抑制和能效的提升。1. 柔性覆蓋與控制體系結(jié)構(gòu)研究結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及電路和處理能耗的發(fā)展趨勢(shì)，充分考慮無線接入中各種可能的能耗（功放、信息處理、回傳鏈路、待機(jī)、檢測(cè)、中繼鏈路等），并考慮到未來各種小區(qū)形態(tài)和信道傳播特性，深入研究網(wǎng)絡(luò)傳輸中的能效機(jī)理，包括：覆蓋能力和能效之間的關(guān)系、能效與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系等，并在此基礎(chǔ)上給出最優(yōu)的覆蓋方式和相應(yīng)的控制方法。2. 柔性覆蓋的實(shí)現(xiàn)框架及優(yōu)化研究通過控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋在業(yè)務(wù)級(jí)、設(shè)備級(jí)、協(xié)議級(jí)的逐級(jí)分離，研究?jī)煞N覆蓋的合作機(jī)制和演進(jìn)方法，探索在公共控制覆蓋基礎(chǔ)上的異構(gòu)業(yè)務(wù)覆蓋機(jī)理和控制方法，以及公共控制覆蓋的異構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)一步探索上下行覆蓋分離的機(jī)制、能耗理論和相應(yīng)的控制方法。（1） 控制覆蓋與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)覆蓋分離與解耦控制與業(yè)務(wù)覆蓋分離是一種面向未來服務(wù)的架構(gòu)理念，從根本上是對(duì)現(xiàn)有蜂窩架構(gòu)的突破，但并不排除相應(yīng)的逐步演進(jìn)的可能性。例如，在現(xiàn)有蜂窩架構(gòu)下，其實(shí)已經(jīng)有了控制面和業(yè)務(wù)面的分離，盡管這只是在邏輯上的，而不是物理上的。進(jìn)一步，在不改變現(xiàn)有通信體制的前提下，可以開展一定程度上的物理分離，如控制信道和業(yè)務(wù)信道可以在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)使用不同的功放，這樣可以讓兩個(gè)功放都工作在最佳效率。再進(jìn)一步，就可以考慮控制和業(yè)務(wù)在空間上的分離和優(yōu)化。圖4-8 控制覆蓋與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)覆蓋分離解耦（2） 天線/射頻前端與信號(hào)/信息處理分離或解耦為了減少網(wǎng)絡(luò)空載時(shí)的處理能耗，節(jié)省和共享處理資源，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的聯(lián)合覆蓋，在柔性覆蓋架構(gòu)下，應(yīng)盡可能地將天線/射頻前端與信號(hào)/信息處理功能分離或解耦。也就是說，不再像傳統(tǒng)基站那樣在同一地點(diǎn)完成無線信號(hào)收發(fā)和處理功能，而是將多個(gè)分布式天線上的無線信號(hào)的信號(hào)與信息處理功能集中在一些處理節(jié)點(diǎn)完成；當(dāng)處理任務(wù)量很大時(shí)還可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作和分布式處理。這樣，信號(hào)和信息處理能力就不再綁定到某個(gè)具體區(qū)域，從而可以實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋內(nèi)處理資源的統(tǒng)一調(diào)配和統(tǒng)計(jì)復(fù)用，不再需要每個(gè)基站都針對(duì)峰值流量配備資源，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大幅度節(jié)省和處理能耗的大幅度降低。（3） 上行覆蓋與下行覆蓋分離解耦傳輸蜂窩覆蓋中基站不僅是數(shù)據(jù)與控制共址，同時(shí)上下行覆蓋也是共址的，即基站所處小區(qū)的上行覆蓋和下行覆蓋是完全對(duì)稱的。然而如前所述，未來無線數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的一個(gè)突出特征就是上下行流量及所需服務(wù)模式的不對(duì)稱性，因此上下行業(yè)務(wù)的最優(yōu)覆蓋形態(tài)也應(yīng)該是不對(duì)稱的。例如，當(dāng)一個(gè)區(qū)域以下載、瀏覽業(yè)務(wù)為主時(shí)，其下行業(yè)務(wù)會(huì)比較密集，需要密集分布的小區(qū)覆蓋；而由于此時(shí)上行業(yè)務(wù)量較低，基站接收設(shè)備的使用率就會(huì)很低，從而造成較大的能量浪費(fèi)（即使在DWCS或C-RAN等處理設(shè)備集中的場(chǎng)景中，接收天線/射頻/回程鏈路的功耗也是需要考慮的）。反之，在一些區(qū)域（如體育場(chǎng)、展覽會(huì)等）的某些時(shí)段，上傳業(yè)務(wù)較多，下行業(yè)務(wù)較低，如果按最密集的上行業(yè)務(wù)進(jìn)行下行覆蓋，又會(huì)導(dǎo)致下行設(shè)備運(yùn)行的能量浪費(fèi)(特別是此時(shí)功放效率很低)。為此在本課題所提出的柔性覆蓋中，將盡可能地將上下行覆蓋分離，即允許同一個(gè)用戶從不同的基站/天線實(shí)現(xiàn)上行和下行的接入。這樣上行業(yè)務(wù)覆蓋和下行業(yè)務(wù)覆蓋就可以分別進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化，從而能在確保覆蓋服務(wù)的前提下實(shí)現(xiàn)最大限度的能量節(jié)省。圖4-9 上行覆蓋與下行覆蓋分離解耦當(dāng)然，這種上下行分離也是一個(gè)未來的理念，需要分步驟逐步演進(jìn)。在當(dāng)前的蜂窩體制中，可以通過在業(yè)務(wù)層面的代理，將一些明顯的上下行可分離的業(yè)務(wù)（如網(wǎng)頁(yè)瀏覽等）分解成單向業(yè)務(wù)，然后在不改變現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的前提下予以逐步實(shí)現(xiàn)。3. 柔性覆蓋動(dòng)態(tài)小區(qū)形成方法研究研究在不同信道條件下分布式天線協(xié)作覆蓋虛擬小區(qū)成形方法，建立分布式覆蓋容量與虛擬小區(qū)形態(tài)、回傳鏈路能耗、處理能耗、傳輸能耗之間的折中關(guān)系，給出動(dòng)態(tài)小區(qū)構(gòu)建的能效優(yōu)先準(zhǔn)則及資源優(yōu)化方法，分析下行動(dòng)態(tài)功率控制和天線形態(tài)調(diào)整在動(dòng)態(tài)小區(qū)形成中對(duì)容量和能耗的影響，探索新型天線和新頻段在動(dòng)態(tài)小區(qū)覆蓋形成中的應(yīng)用前景。（1） 基站/天線選擇性啟用和關(guān)閉傳統(tǒng)基站在低負(fù)荷時(shí)的能效非常低，因?yàn)榧词箻I(yè)務(wù)量很小甚至沒有任何業(yè)務(wù)量，基站為了提供必要的覆蓋都必須維持一整套信號(hào)和信令處理電路的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)為了其覆蓋范圍內(nèi)隨時(shí)有可能發(fā)生的用戶隨時(shí)接入，還必須維持一整套控制信號(hào)的發(fā)送和接收設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，如導(dǎo)頻、系統(tǒng)同步信號(hào)、小區(qū)識(shí)別信號(hào)、公共控制信道、尋呼信道、隨機(jī)接入信道等等。在現(xiàn)有體制中，這些控制信道是與業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)中也是與業(yè)務(wù)信號(hào)一起發(fā)送的，這樣當(dāng)該基站的實(shí)際業(yè)務(wù)量很低甚至沒有的時(shí)候，消耗的能量與其提供的服務(wù)相比就太浪費(fèi)了。為此，可以考慮將輕負(fù)載基站中的少量業(yè)務(wù)（通過基站協(xié)作等方式）轉(zhuǎn)移到其它小區(qū)中，進(jìn)而將該基站關(guān)閉或是轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，以此換取能效的提高。這與傳統(tǒng)以性能為優(yōu)先的負(fù)載均衡概念正好相反，它是通過負(fù)載聚合與基站協(xié)作換取的能量效率。如圖4-10所示，當(dāng)在較大區(qū)域內(nèi)總的業(yè)務(wù)量比較小的情況下，可以采用較大的小區(qū)覆蓋；而當(dāng)用戶數(shù)不變，每用戶業(yè)務(wù)量增加到一定程度時(shí)，需要將原來的大蜂窩分裂成若干個(gè)小的蜂窩；而如果這些業(yè)務(wù)量聚集到某個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域或是某個(gè)超級(jí)用戶身上時(shí)，就需要一個(gè)大容量的微蜂窩以提供盡可能小的接入距離。圖4-10 動(dòng)態(tài)小區(qū)分裂示意（2） 基站/天線動(dòng)態(tài)形成智能扇區(qū)和智能虛擬小區(qū)在用戶密度和業(yè)務(wù)強(qiáng)度都很大的情況下，單天線覆蓋難以滿足覆蓋需求。而且由于小區(qū)尺寸已經(jīng)很小，相互間的干擾很大，需要多個(gè)天線或多個(gè)基站聯(lián)合發(fā)送與接收，形成虛擬小區(qū)（圖4-11），以減少覆蓋區(qū)的干擾。顯然，這種虛擬小區(qū)的構(gòu)成與形狀應(yīng)該根據(jù)用戶數(shù)、位置分布、業(yè)務(wù)量等動(dòng)態(tài)地確定。圖4-11虛擬小區(qū)示意（3） 下行功率控制為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸小區(qū)的覆蓋，下行功率控制至關(guān)重要。當(dāng)某小區(qū)業(yè)務(wù)量較小使得基站處理能耗占主導(dǎo)地位時(shí)，可以通過加大周邊基站的發(fā)射功率以提供更大范圍的覆蓋來關(guān)閉該基站，從而減少額外功耗（此時(shí)功放的效率也會(huì)更高一些）。當(dāng)業(yè)務(wù)量變大時(shí)，則可以減少下行功率以減少干擾。課題三、能效優(yōu)先的傳輸理論與彈性接入方法面向超蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在非協(xié)作傳輸?shù)亩嘈^(qū)架構(gòu)下建立高能效無線傳輸與資源優(yōu)化的理論框架，分析網(wǎng)絡(luò)能效與頻譜效率之間的理論關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出能量與頻譜資源聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并給出可擴(kuò)展的低復(fù)雜度傳輸與資源分配算法。本課題待研究?jī)?nèi)容的技術(shù)研究途徑包括：1無線傳輸綜合鏈路能效的理論分析與傳輸機(jī)制由于MIMO與OFDM技術(shù)已成為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，并從數(shù)學(xué)角度可表征利用空域與頻域資源的一般模型，所以本課題將分別以單小區(qū)OFDMA、MIMO-OFDMA和干擾受限OFDMA系統(tǒng)為例，對(duì)單/多小區(qū)多用戶、多天線、多載波系統(tǒng)開展能效與頻譜效率的理論分析。首先需要建立一個(gè)合適的能效函數(shù)，尤其是對(duì)多用戶系統(tǒng)以及無線衰落信道。對(duì)于蜂窩下行系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)度和預(yù)編碼，在TDD和FDD系統(tǒng)中分別需要上行訓(xùn)練或上行反饋。在考慮了上行訓(xùn)練或反饋資源后如何計(jì)算下行傳輸?shù)挠行萘渴巧形唇鉀Q的問題。為此，我們將考慮電路能耗和信道訓(xùn)練/反饋開銷基礎(chǔ)上，建立單天線OFDMA以及MIMO-OFDMA系統(tǒng)在衰落信道下的能效函數(shù)。在計(jì)算衰落信道下的平均能耗時(shí)，我們將根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型考慮對(duì)能效函數(shù)、數(shù)據(jù)率、或者功耗的折中。在干擾受限系統(tǒng)中，功率分配和其他資源分配不僅要考慮提高本小區(qū)的能效，還要抑制對(duì)其它小區(qū)的干擾，即考慮其它小區(qū)的能效。因此需要綜合、折中地考慮MIMO-OFDM技術(shù)帶來的容量增益、額外電路損耗和其抗小區(qū)間干擾的能力。針對(duì)能量效率與頻譜效率的理論關(guān)系和高能效的無線傳輸機(jī)制，擬采用以下的技術(shù)途徑：1）分別針對(duì)單小區(qū)單/多鏈路、多小區(qū)單/多鏈路的多天線多載波系統(tǒng)，定量分析能量效率與頻譜效率的理論關(guān)系，定量分析能量效率與帶寬、多天線配置等物理層資源以及用戶QoS要求之間的關(guān)系；2）針對(duì)單小區(qū)單/多鏈路、多小區(qū)單/多鏈路的多天線多載波系統(tǒng)，研究給定系統(tǒng)或用戶的服務(wù)質(zhì)量要求使能效最高的子載波分配、功率分配、速率的聯(lián)合分配和/或發(fā)射預(yù)編碼方法；3）針對(duì)單小區(qū)閉環(huán)多用戶MIMO-OFDMA系統(tǒng)，考慮訓(xùn)練或反饋帶來的頻譜、功率和電路能耗，研究能效優(yōu)先的MIMO傳輸技術(shù)、導(dǎo)頻資源分配以及收發(fā)機(jī)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)；4）在上述優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析這些系統(tǒng)能量效率與頻譜效率之間的內(nèi)在聯(lián)系及其與系統(tǒng)參數(shù)、電路能耗、信道環(huán)境、用戶個(gè)數(shù)和業(yè)務(wù)需求之間的關(guān)系；分析能量效率優(yōu)化所帶來的頻譜效率損失，以及能量效率增益和頻譜效率損失對(duì)資源的敏感程度。2基于鏈路自適應(yīng)與跨層優(yōu)化的高能效傳輸與彈性接入現(xiàn)有的研究工作以提升頻譜效率為目標(biāo)，對(duì)多載波、多天線系統(tǒng)的自適應(yīng)編碼調(diào)制、速率分配、功率分配等跨層優(yōu)化方法進(jìn)行了大量的研究。然而，由于考慮了電路等額外系統(tǒng)能耗后能效函數(shù)與傳輸方式和無線資源參數(shù)間的關(guān)系更為復(fù)雜，若以能量效率為目標(biāo)，已有的系統(tǒng)模型需要重新設(shè)計(jì)。為了充分利用信道信息、物理層資源及業(yè)務(wù)狀態(tài)在空/時(shí)/頻域的動(dòng)態(tài)變化特性，以實(shí)現(xiàn)“彈性”高能效接入，需要探索新的傳輸與資源優(yōu)化機(jī)制。擬采用以下的技術(shù)途徑：1）根據(jù)單小區(qū)OFDMA和MIMO-OFDMA系統(tǒng)的高能效資源優(yōu)化模型，充分利用信道與業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)特性，利用跨層優(yōu)化方法、提出可以進(jìn)行能效與資源聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在滿足給定吞吐量需求的前提下最大程度地節(jié)省系統(tǒng)的能量消耗，從而根據(jù)系統(tǒng)或用戶的不同要求進(jìn)行適度服務(wù)，根據(jù)信道與業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行多用戶高能效彈性接入；2）根據(jù)用戶需求及系統(tǒng)的多址和其他資源配置情況，建立考慮RF鏈路關(guān)斷后MIMO-OFDMA系統(tǒng)的優(yōu)化模型，然后提出有效的求解方法；其次，考慮非理想信道狀態(tài)/統(tǒng)計(jì)信息時(shí)，研究實(shí)現(xiàn)能量效率最優(yōu)的傳輸方法；3）充分利用認(rèn)知無線電領(lǐng)域的頻譜感知理論，研究基于干擾感知的分布式OFDMA和MIMO-OFDMA系統(tǒng)的高能效無線傳輸技術(shù)；分析感知干擾的過程所帶來的頻譜和能量消耗，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)干擾受限多小區(qū)多用戶系統(tǒng)的的能效資源優(yōu)化。3次最優(yōu)、高能效的低復(fù)雜度算法與性能評(píng)估因?yàn)樽顑?yōu)的高能效無線傳輸與資源分配方法往往需要多次迭代，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度過高，從而導(dǎo)致發(fā)射端能耗與接收端處理能耗增加，因此，需要設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的高能效算法。為驗(yàn)證與評(píng)估上述研究?jī)?nèi)容中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與算法，我們還將研究與開發(fā)可評(píng)估不同無線傳輸技術(shù)的能量效率的系統(tǒng)仿真與測(cè)試平臺(tái)。擬采用的技術(shù)途徑如下： 1）將通過減小需要優(yōu)化的變量個(gè)數(shù)，或者通過分析收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)，降低算法的復(fù)雜度；2）為了降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，將至少在電路能耗占主導(dǎo)、發(fā)射能耗占主導(dǎo)等特殊情況下得到問題的顯式解；3） 考慮較為實(shí)際的電路能耗和不同的用戶數(shù)，基于3GPP LTE的信道模型和系統(tǒng)參數(shù)，建立超蜂窩高能效無線傳輸與資源配置的技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證高能效無線傳輸與資源優(yōu)化算法在不降低數(shù)據(jù)速率的前提下能夠提高的能量效率。課題四、超蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制與資源優(yōu)化方法1. 高能效異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸技術(shù)1） 基站間動(dòng)態(tài)協(xié)作與能效優(yōu)化通過綜合考慮基站間（包括扇區(qū)間，宏小區(qū)基站、微小區(qū)基站之間）多點(diǎn)協(xié)作傳輸所獲得的能效增益和其帶來的系統(tǒng)開銷，研究不同協(xié)作傳輸方案能取得的凈能效增益與系統(tǒng)開銷、系統(tǒng)載荷、基帶處理復(fù)雜度、協(xié)作基站集合的選取和系統(tǒng)容量的關(guān)系，為超蜂窩系統(tǒng)的協(xié)作傳輸方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對(duì)不同的基站間協(xié)作傳輸方案，基站間需要交換的信息內(nèi)容也往往不同。 例如，一類基站間協(xié)作方案要求各協(xié)作基站共享信道狀態(tài)信息和用戶數(shù)據(jù)（即基站間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)）； 而另一類基站間協(xié)作方案卻只要求基站間共享信道狀態(tài)信息而無需共享用戶數(shù)據(jù)（即基站間聯(lián)合處理技術(shù)）。進(jìn)一步，對(duì)于信道狀態(tài)信息的共享程度，也可分為部分共享和完全共享兩個(gè)級(jí)別。故在研究基站間協(xié)作傳輸與能效的關(guān)系時(shí)，可以針對(duì)具體的基站間協(xié)作方案，盡可能的對(duì)基站間需要交互的信息及開銷進(jìn)行壓縮或采用適當(dāng)?shù)姆植际剿惴ǎ员愀佑行У乩糜邢薜幕鹃g或回傳信道容量，并可以降低與開銷有關(guān)的能耗及減小傳輸時(shí)延。 同時(shí)，為降低協(xié)作開銷，我們擬引入基站動(dòng)態(tài)分簇的理念，探討其形成機(jī)制以及簇的規(guī)模與能效的理論關(guān)系。此外，不同系統(tǒng)載荷將產(chǎn)生不同的基站間干擾，因而其最佳的協(xié)作范圍也會(huì)不同，需要研究針對(duì)不同系統(tǒng)載荷的基站間多點(diǎn)協(xié)作傳輸方案。2） 中繼傳輸與能效優(yōu)化傳統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇均以提高小區(qū)邊緣用戶的性能為目標(biāo)，很少考慮能效的約束和優(yōu)化，通常是用最大功率發(fā)送。但事實(shí)上，已有研究表明，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)最節(jié)能的傳遞方式是在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下使用最小功率發(fā)射。那么在有固定中繼的超蜂窩系統(tǒng)中，如何既保障用戶對(duì)性能的要求，又可以最大限度地減少能耗呢？本課題擬就中繼信道中延時(shí)與能量的關(guān)系開展研究，通過數(shù)學(xué)建模和動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論探索在各種負(fù)載情況下的高能效中繼選擇策略。然后，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息論等工具對(duì)干擾信道的容量加以描述和求解，研究在有小區(qū)干擾情況下的最節(jié)能中繼傳輸策略。2. 高能效異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同資源調(diào)度與優(yōu)化圖4-12自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配模型基站協(xié)作依賴于基站之間的信息交換（如共享信道信息、發(fā)送數(shù)據(jù)和基站狀態(tài)信息），使與中央處理單元的回程及反饋傳輸開銷增大，從而加大基帶信號(hào)處理的復(fù)雜度與能耗。通過分析比較各聯(lián)合傳輸方案的回程及反饋傳輸?shù)拈_銷，給出基于業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)載荷狀態(tài)自適應(yīng)選擇能效最優(yōu)的聯(lián)合傳輸和功率控制方案，實(shí)現(xiàn)超蜂窩系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化配置。另外，網(wǎng)絡(luò)中總是存在多個(gè)用戶業(yè)務(wù)流的傳輸需求，有限的回程鏈路容量和反饋協(xié)議開銷必須在用戶業(yè)務(wù)流之間進(jìn)行分配，因此將根據(jù)業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)特性對(duì)有限的回程及反饋傳輸開銷進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)分配，以達(dá)到統(tǒng)計(jì)復(fù)用從而降低協(xié)作節(jié)點(diǎn)端計(jì)算處理能耗的目的。中繼協(xié)作技術(shù)不僅可以獲得一定的物理層空間分集/編碼增益，還可以擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，從而提高系統(tǒng)容量。由于傳輸環(huán)境與用戶業(yè)務(wù)需求的不斷變化，中繼的選擇也將不斷變化，導(dǎo)致系統(tǒng)額外開銷增加，因此制定以能效優(yōu)先的中繼選擇策略尤其重要。在優(yōu)化問題中，將設(shè)計(jì)中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)的智能關(guān)斷機(jī)制，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)的開關(guān)過程，從而達(dá)到最大化網(wǎng)絡(luò)能效的目的。另外，不同的中繼處理方式（放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)或壓縮轉(zhuǎn)發(fā)）也會(huì)影響各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度與系統(tǒng)功耗，應(yīng)當(dāng)根據(jù)復(fù)雜度和性能的折中來自適應(yīng)地進(jìn)行資源匹配。3. 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作算法的演示驗(yàn)證平臺(tái)基于東南大學(xué)在建立面向頻譜效率的分布式天線(DAS)測(cè)試平臺(tái)方面的經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目擬搭建小區(qū)內(nèi)協(xié)作系統(tǒng)，以演示其對(duì)能效的提升作用。課題五、用戶群體行為建模與高能效服務(wù)方法本課題的研究?jī)?nèi)容與項(xiàng)目整體的貢獻(xiàn)關(guān)系如圖4-13所示。用戶群體行為按照觀察尺度的不同可以分為大尺度行為和小尺度行為。一般來講，大尺度行為模型可以指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與部署，而小尺度行為模型則可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)匹配。圖4-13面向用戶群體行為的高能效服務(wù)體系架構(gòu)1. 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)采集與分析為了全面詳細(xì)地掌握移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在典型區(qū)域、典型時(shí)間段和典型業(yè)務(wù)的特征，本課題中擬使用分布式多次、多點(diǎn)采樣的方法來獲得實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在采樣的過程中，首先需要通過計(jì)算機(jī)編程獲得網(wǎng)絡(luò)的流量信息，然后通過DPI和DFI等工具來獲取業(yè)務(wù)的種類信息以及各種業(yè)務(wù)所占比例的數(shù)據(jù)信息。為了更好地研究業(yè)務(wù)在時(shí)空域上的大尺度和小尺度特性，采集工作需要在廣域范圍內(nèi)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，且在對(duì)業(yè)務(wù)信息進(jìn)行抽樣的過程中重點(diǎn)提取數(shù)值之間的變化規(guī)律，關(guān)注數(shù)值變化較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以方便數(shù)據(jù)域的劃分。不同的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出的業(yè)務(wù)特征會(huì)有很大不同，但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)的都是多種業(yè)務(wù)或者是多個(gè)業(yè)務(wù)匯聚之后形成的混合流量模型，在該模型中業(yè)務(wù)的種類以及每種業(yè)務(wù)在混合流量中所占的比例都會(huì)影響模型的形狀，因此，可根據(jù)業(yè)務(wù)采集過程中獲得的業(yè)務(wù)種類以及所占的比例來對(duì)業(yè)務(wù)特征進(jìn)行分析。進(jìn)一步地可以通過多種分布函數(shù)擬合的方法來建立業(yè)務(wù)模型。圖4-14業(yè)務(wù)測(cè)量與分析實(shí)現(xiàn)方案2. 多維度用戶群體行為分析與建模用戶群體行為，包括群體移動(dòng)性、業(yè)務(wù)趨同性等，從統(tǒng)計(jì)角度來看并不是雜亂無章的，有其內(nèi)在規(guī)律可循，可以借鑒數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等理論以及信息論中熵的概念來反映用戶行為的規(guī)律和可預(yù)測(cè)性。首先，我們從不同的維度（時(shí)間、空間）顆粒分析用戶群體的流動(dòng)性。從時(shí)間維度上說，大尺度分析可以描繪出用戶群體的長(zhǎng)期移動(dòng)特性，得到用戶群體的一個(gè)固定的行為規(guī)律，進(jìn)