绿色无线网络性能优化

全面介绍了对靠前外绿色无线网络协议与算法设计、性能优化的关键技术，主要内容包含：绿色无线网络的研究现状与关键技术，无线Mesh网络路由协议设计、认知无线电网络路由设计、认知无线电网络频谱接入算法与频谱分配算法、以及无线传感器网络协作频谱感知算法。

序言
前言
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 高能耗现状分析
1.3 绿色无线网络研究现状
1.4 绿色无线网络关键技术
1.4.1 绿色物理级
1.4.2 绿色链路级
1.4.3 绿色网络级
1.5 绿色无线网络新能源技术
1.6 未来绿色无线网络展望
1.7 小结
1.8 本书结构介绍
参考文献
第2章 无线Mesh网络动态规划路由协议
2.1 无线Mesh网络中的路由技术
2.1.1 无线Mesh网络
2.1.2 无线Mesh网络中的路由技术
2.2 动态规划路由建模
2.2.1 相关工作
2.2.2 无线Mesh网络动态规划路由模型
2.3 基于动态规划的路由协议
2.3.1 相关工作
2.3.2 新路由判据EEDT
2.3.3 基于决策序列的路由算法MDSR
2.3.4 仿真与性能分析
2.4 总结与展望
参考文献
第3章 认知无线电网络备份路由算法
3.1 CRN中的路由技术
3.1.1 CRN路由研究面临的挑战
3.1.2 CRN路由协议分类
3.1.3 其他路由协议
3.1.4 路由协议比较
3.1.5 小结
3.2 基于时延约束的备份路由算法研究
3.2.1 相关工作
3.2.2 提出的算法
3.2.3 性能分析
3.2.4 小结
3.3 仿真分析
3.3.1 仿真环境
3.3.2 仿真实验及性能分析
3.3.3 小结
3.4 总结与展望
参考文献
第4章 基于进化博弈论的认知无线电网络频谱分配算法
4.1 基于博弈论的认知无线电频谱分配
4.1.1 频谱分配
4.1.2 基于博弈论的频谱分配模型
4.1.3 性能分析
4.1.4 小结
4.2 基于进化博弈论的频谱分配算法研究
4.2.1 相关工作
4.2.2 提出的算法
4.3 仿真分析
4.3.1 仿真环境
4.3.2 仿真实验与性能分析
4.3.3 小结
4.4 总结与展望
参考文献
第5章 基于博弈论的认知无线电网络频谱接入算法
5.1 认知无线电频谱接入技术
5.1.1 MAC协议
5.1.2 MAC协议分类
5.1.3 频谱分配
5.1.4 小结
5.2 基于博弈论的频谱接入算法研究
5.2.1 引言
5.2.2 一般模型
5.2.3 系统模型
5.2.4 算法描述
5.2.5 博弈算法分析
5.2.6 小结
5.3 仿真分析
5.3.1 仿真实验与性能分析
5.3.2 小结
5.4 总结与展望
参考文献
第6章 认知无线传感器网络绿色协作频谱感知技术
6.1 协作频谱感知技术
6.1.1 非协作频谱感知
6.1.2 协作频谱感知
6.1.3 性能分析
6.1.4 小结
6.2 基于决策传输的协作频谱感知算法
6.2.1 相关工作
6.2.2 节能可靠的决策传输
6.2.3 仿真分析
6.2.4 小结
6.3 基于两阶段感知的协作频谱感知算法
6.3.1 相关工作
6.3.2 认知自适应的两阶段感知
6.3.3 仿真分析
6.3.4 小结
6.4 总结与展望
参考文献

    **章 绪论

    1.1 引言

    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。在传统信息理论的指导下，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”[1]。随着无线技术的进步以及整个市场的大规模扩大，无线网络行业所依赖的工业产品、传输线路、终端设备、通信网络的核心系统、动力系统以及网络中心、基站等随之快速增加。由于不断升级的无线网络基础设施的扩展和呈指数级增长的网络流量，无线网络所产生的负面影响也日趋明显，特别是对能源的需求和环境的污染，已经受到广泛关注。根据文献[2]和文献[3]，信息通信技术(information and communication technology，ICT)产生的CO2排放量约占整个人类社会总排放量的2%~4%，近似相当于全年汽车CO2排放量的1/4，且将继续保持高速增长，预计将从2002年的5.3亿t增长到2020年的14.3亿t。而无线通信系统作为ICT的重要领域之一，碳排放量始终占据着很大比例，预计将从2002年的42%增长到2020年的51%[4]。

    传统的网络系统设计的两个原则有悖于低碳节能的目标：一是超额资源供给，在缺少服务质量支持的因特网架构下，超额资源供给使网络承受突发的峰值负载；另一个是冗余设计，通过冗余链路和设备提高网络的可靠性，以应对突发的故障失效[5]。但这两个原则均建立在牺牲网络能耗的基础上。随着网络用户的逐渐增多、网络设备的更新换代、网络规模的扩展以及环保意识的加强，无线网络能耗增长、利用率低、浪费严重等问题得到暴露。云计算和大数据处理的发展、智能手机和平板电脑等智能终端的出现，在给用户带来便利的同时也产生了大量的网络流量。互联网、通信网、传感网以及物联网等网络设施的建设与数据传递大大增加了网络的复杂性与能耗。优化无线网络能效不仅能降低对环境的影响，还能降低网络成本，从而使网络在普遍环境更加实用。由此可见，构建绿色网络、降低能源成本和碳排放量已经成为无线网络行业意义重大、亟待解决的研究课题。构建绿色网络的目的是减少能源消耗，降低电磁辐射，提高资源利用率并使资源消耗对环境的影响*小。

    1.2 高能耗现状分析

    如今，无线网络产生高能耗的原因大致可分为如下两种。

    1. 急速增长的网络使用

    据国际能源署(International Energy Agency，IEA)统计数据和全球电子可持续性倡议组织(Global e-Sustainability Initiative，GeSI)的预测报告《Smart2020：实现信息时代的低碳经济》，全球ICT产业在2007年的碳排放量为8.3亿t，到2020年预计将增至14亿t。其中，互联网、移动通信网络和终端设备(包括手机、无线路由器和机顶盒等)在产业总能耗中所占比例分别为45%、43%和12%[6]。国际电信联盟在2011年发表了M.2243报告，指出2015年的数据业务流量是2010年的30倍，而2015~2020年数据业务量更将显示出指数级增长[7]。图1-1所示为2013~2017全球无线通信资本支出情况。

    图1-1 2013~2017全球无线通信资本支出情况

    在中国，截至2015年12月底，全国移动电话用户总数达到13.06亿户，移动通信基站总数达466.8万个，移动互联网接入流量消费达41.87亿G，且还在持续增长。随着用户数量和网络流量的增加，网络运营商不得不持续增加基站数量和大范围覆盖WiFi热点，构建无线传感器网络以及无线Mesh网络；同时引入了宏基站、微基站、微微基站等混合覆盖的新式网新模式。这些数量庞大的移动终端、基站以及传感器节点无时无刻不在进行着无线通信，不仅能量消耗巨大，且其数量以及用户数均在持续增长，如果不加以控制，后果不堪设想。

    2. 网络能量的低效率使用

    为了实现对故障的应急反应，提高网络鲁棒性，传统的无线网络在设计时存在冗余设计的问题，在配置时预设了大量的备用链路以及设备。实验表明，网络设备在低负载和满载条件下能耗**接近。而在大多数正常情况下，闲置链路和网络设备并不需要使用，却不得不全天满功耗地工作，能量却一直在被使用，造成了大量浪费。据估计，骨干网即使在业务量高时设备平均利用率也不足30%，这就意味着大部分网络在闲时平均利用率不到5%[5]。

    同样，频谱作为一种稀缺的自然资源，也存在低能效的问题。首先，频谱资源存在大量频段无法使用的问题。其次，在业务量较少的时段里，频谱的使用存在明显的浪费。根据美国联邦通信委员会的报告，目前大部分授权频段在长时间内均处于闲置状态。如何高效运用频谱资源，对不同空闲频段加以利用，实现对快速增长的无线网络流量传输以及大量设备的连接请求，是目前面临的巨大挑战。

    1.3 绿色无线网络研究现状

    为了达到构建绿色无线网络这一目的，各国际组织、机构和研究者广泛关注绿色通信网络能耗问题，并积极推动信息通信网络的节能方法研究和应用。

    在政策与国际组织方面，2010年，贝尔实验室率先成立Green Touch(绿色沟通)组织。Green Touch通过对近年无线网络的研究，结合对网络架构以及网络性能的分析，认为通信网络的能效性在之后5年有望提升1000倍以上[8]。2012年建立的TREND项目旨在优化无线网络性能，建设绿色电信行业[9]。美国投入重金于智能电网的研究和运营之中，使电网运行、能源效率、资产利用率和可靠性得到了改善。加拿大高级研究和创新机构在减少数据中心和制冷设备的能耗方面取得了突破。2009年10月中国通信标准化协会成立了“通信产品环保标准特设任务组”，为移动终端设备节能功耗参数与测量方法制定了标准。同时，我国在2011年将节能减排列为“十二五”规划中的重大专项，国务院发布了《节能减排“十二五”规划》以及《“十二五”节能减排综合性工作方案》，我国工业和信息化部也发布了相关绿色节能政策。

    在学术界方面，电气和电子工程师协会(IEEE)对绿色无线网络关注密切。在近几年国际会议上，IEEE多次召开与绿色无线网络相关的专题会议，并建立了802.3az工作组来对能量有效性进行标准的定义。IEEE在ICC2009、GLOBECOM2009、GLOBECOM2010连续举办了3届以“绿色通信”为主题的国际会议。同时，在2010年和2011年策划了3期以绿色通信为主题的专刊，并陆续策划了相关征稿活动。

    在企业方面，许多无线通信企业均投入到绿色网络的相关研究和服务中。美国Version电信公司制定了环保采购规范，新购置的节能产品相比以前产品能节省20%的能源。日本NTT电信公司采用能源系统绿色设计，提出了“绿色一体化”概念，形成了绿色数据中心、绿色咨询、绿色能源、绿色监控等一系列的节能解决方案。中国移动等运营商积极开展绿色节能行动，在2007年便签订了“绿色行动计划”合作协议。中国电信集团也推进节能工程，开展了空调管理、自适应节能技术和供电节能系统。华为提供了时隙级关断功能，成功解决了馈电损耗这个难题，实现了40%以上的基站功耗节约[10]。

    1.4 绿色无线网络关键技术

    如今，绿色无线通信的研究从网络构架方面出发可分为绿色物理级、绿色链路级和绿色网络级三方面。绿色物理级以无线网络的物理设备以及物理层优化为切入点，通过优化基站、无线节点等物理设施的部署和提高能效性以及对无线资源效率的优化来达到节能的目的。绿色链路级则着重研究如何采用高效率的传输技术以及资源调度策略来达到提升资源使用效率的目的。绿色网络级从无线资源管理和网络拓扑的方向切入，研究通过调整如传感器网络、Mesh网络等网络的拓扑结构来使网络的能量效率达到*大程度。下面分别从这三方面详细描述相关绿色无线网络技术。

    1.4.1 绿色物理级

    如图1-2所示，在无线接入网络中，基站是能源消耗的主要来源。据估计，接入网基站的能耗超过整个网络能耗的60%。全球大约有300万个基站，总共消耗4.5GW的能量[11]。因此，如何在保证服务质量的前提下提高基站的能量有效性，降低基站的功率需求必然是当今研究的重点。

    图1-2 无线通信能耗模型

    基站系统的构成主要分两部分：基站收发台和基站控制器。其中基站50%~70%的能量都消耗在功率放大器(power amplifier，PA)中。而这其中，80%~90%的PA能量是以热能的形式浪费的，并且为了降温，空调的消耗又增加了更多的能源成本。因此，如何增大功率放大器的效率一直是研究的重点之一。文献[12]提出了基于基波以及二次谐波调谐的J类放大器，能实现较高的功放效率。文献[13]提出了基于数字预失真的多尔蒂架构和GaN架构的放大器，能有效地将能效提升50%以上。另外，采用开关模式的功放器也能很大程度上提高能效。与标准功放器相比，开关模式功放器更容易冷却，且仅需要较小的电流。

    由于用户的流动性等因素，蜂窝网络中的流量负载在空间和时间上有明显的波动，这会导致部分基站处于高负荷状态而另一部分处于低负荷状态的情况。因此，静态的基站部署在流量波动的情况下效率是比较低的，特别是在基于微蜂窝和微微蜂窝等网络中。采用合理的睡眠节电模式周期性地关断系统部分模块能有效降低系统能耗[14]。伴随着LTE(long term evolution)发展出的自组织网络(self-organizing network，SON)技术，通过添加网络管理和智能系统使网络能够优化配置和自我修复，同时降低成本，提高网络的性能和灵活性[15]。文献[16]提出一个相似但更灵活的概念“蜂窝缩放(cell zooming)”。基站可以根据网络或流量情况调整单元格大小来达到平衡流量负载，同时减少能源消耗的目的。无法缩放的细胞甚至可以进入睡眠模式，以减少能源消耗。

    小基站(small cell)是低功率的无线接入节点，覆盖10~200m的范围。由于其拥有体积小、安装灵活、功耗低、快速部署等特点，从而可以有效提高频谱分配效率和服务质量。与宏基站相比，小基站可更加有效地改善室内深度覆盖，增加网络容量，提升用户感知，因而近年来受到了广泛的关注。文献[17]提出小基站周期性开启机制，解决了双层异构蜂窝网络中系统无法获取用户与关断小基站之间信道信息的问题，仿真证明该机制能够有效节约86%的小基站总能耗。文献[18]分析了目前异构网络中宏基站与小基站的部署特点，并根据异构网的立体组网特性着重研究城市密集区域和偏远稀疏区域两种特殊场景来探讨异构网的覆盖组网技术，对现有宏基站-小基站异构网节能覆盖方案作出了评价。

    大规模多输入多输出技术(massive MIMO)[19]通过在基站端安装数百根天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量，同时使线性检测器的性能达到*佳并提高频谱效率，达到减小基站部署密度与减轻频谱受限的压力，提高系统信道容量，减低功率的目的。所以也被称为下一代移动通信的核心技术。

    1.4.2 绿色链路级

    测量表明，以太网处于空闲和100%链路利用率的情况下功耗几乎是相同的，即以太网功耗与链路利用率无关。在实践中，即使在没有帧发送的空闲时段，链接为了保持同步也需要连续发送无意义的数据。因此，在链路处于低利用率时，根据信道条件来选择不同的调制方案，通过降低链路速率能有效地降低链路能耗。

    目前，链路自适应速率调节主要从两方面研究：①空闲时段关闭链路，也称为睡眠-唤醒机制；②在低利用率期间降低链路速率，也称为动态速率调节机制。两种方法均是根据不同数量级的网络流量选择对应数量级的链路，自适应地调整链路速率，从而有效避免网络流量和链路等级不对等情况，节省了不必要的能耗。

    睡眠-唤醒机制只包含两种链路状态：睡眠状态和