能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战-清华大学

《能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战-清华大学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、中国科学:信息科学2012年第42卷第10期:1191–1203www.scichina.cominfo.scichina.com论文能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战牛志升,周盛,周世东,钟晓峰,王京清华大学电子工程系,清华大学信息科学与技术国家实验室(筹),北京100084*通信作者.E-mail:niuzhs@tsinghua.edu.cn收稿日期:2012–06–25;接受日期:2012–07–29国家重点基础研究发展计划(批准号:2012CB316000),国家自然科学基金(批准号:61021001,6092500)资助项目摘要各种信息

2、技术在经历了几十年的发展之后逐渐都遇到了容量与能耗的瓶颈,特别是蜂窝移动通信系统,进一步提高网络容量受到了频谱资源和能耗的双重约束,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.为了应对该挑战,仅靠无线传输技术的改进和硬件实现水平的提高是远远不够的,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.本文面向未来移动通信技术的最新发展以及节能减排的战略要求,以全网的能量效率为优化目标,提出一种全新的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,满足

3、未来1020年移动通信对宽带大容量的迫切需求.关键词能量效率频谱效率控制信道业务信道超蜂窝1引言众所周知,能源危机与环境污染问题已经成为制约人类社会可持续发展的两个主要瓶颈.作为世界上最大的发展中国家以及第二大的能源消费国,中国也已经制定了建设资源节约型和环境友好型社会"的国家战略,并做出了到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%45%"的郑重承诺.为了实现这个目标,信息技术责无旁贷,要求我们必须从能效优先的角度重新审视现有的信息系统,特别是网络规模和业务内容都在快速增长和急剧变化的蜂窝移动通信系统.近年来,移动通信网络用户数和业务

4、量均呈快速增长态势.国际电联最新数据显示,截至2010年底全球手机用户已达53亿,其中9.4亿为3G以上宽带用户.我国则运行着世界最大规模的移动通信网,拥有8.6亿用户,其中3亿为手机网络用户,占总网民的2/3.但这也仅仅意味着64%的移动用户普及率,且3G用户仅占0.47亿,距离发达国家的平均水平还差得很远.因此可以预测,在十二五"期间,随着信息产业与工业应用领域的进一步结合以及物联网时代的到来,我国通信业务需求仍将有大幅度增长,网络建设规模也将持续扩大.已有数据显示[1],随着以iPhone为代表的智能多媒体移动手机的普及,预计到2015年移动业务的需求量将达

5、到目前的1001000倍,其中移动视频业务将会占到业务总量的2/3.引用格式:牛志升,周盛,周世东,等.能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战.中国科学:信息科学,2012,42:1191–1203,doi:10.1360/112012-433牛志升等:能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战TrafficgrowthEnergyconsumptiongrowthoftoday’swirelesscommunicationandnetworksVideotrafficDatatrafficEnergyconsumptionVoicegro

6、wthofgreencommunicationandtrafficnetworksTotaltrafficorenergyconsumption200020102020Year图1快速增长的业务量与能耗之间的矛盾Figure1Thecontradictionbetweentherapidgrowthintrafficandenergyconsumption很显然,现有移动通信网络的容量远远无法满足如此高速增长的业务量需求.一方面,移动通信可用的频谱资源和站址资源等越来越少,甚至趋于枯竭;另一方面,有限的频谱资源又被独立地分割到了功能各异的多种网络(以下简称异构蜂窝网络

7、")中,不仅资源难以得到充分利用,各种无线网络的重叠与密集覆盖也使得无线电磁环境变得异常复杂,客观上制约了网络容量的进一步扩大.更要引起注意的是,现有移动通信系统已经演变为高能耗产业,且随着3G之后对更高传输速率和更广区域覆盖的追求呈现快速增长态势.统计数据表明,2009年我国三大电信运营商共耗电289亿度,相比2008年增长超过25%,折合标煤近1000万吨.这不仅意味着巨大的运行成本,也带来了大量的碳排放,对于像中国这样资源严重短缺和环境污染严重的发展中国家来说显然是难以持续发展的.也就是说,如果沿用现有的无线传输技术和网络架构,将所支持的移动业务量扩展10