1.2 绿色蜂窝的理论背景
近些年来，我国在基站侧节能研究方面不断加大投入，政府、企业以及科研院所等都加大了对基站侧节能的基础研究和设备研制等方面的资助力度。电子科技大学、中国科技大学、东南大学、西安电子科技大学、杭州电子科技大学等院校和华为公司等一些科研团队已在基站侧节能方面开始投入了一定研究[2,9-26]。南京大学的王少尉等人[20]基于凸优化理论对OFDM网络进行能效资源分配研究。北京交通大学的张秀宁等人[21]基于跨层设计对宏蜂窝与微蜂窝共存的异构网络进行了功率消耗最优化研究，设计了优化模型的凸优化解法。北京航空航天大学的刘鑫等人[22]证明了存在信道估计误差时系统能效和频效上界是上行训练长度的凹函数，分析了信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）和电路功耗等因素对两种准则下最优训练长度的影响。北京邮电大学的谢人超等人[23]基于博弈论对异构认知网络中的能效资源分配进行研究；喻鹏等人[24]提出软件层次的基于基站业务量的自主节能管理机制，但存在集中式管理的弊端，且仅仅考虑了同构基站部署的情况；赵龙等人[25]建立了下行MIMO系统能效模型，设计了一个完成下行MIMO系统最优能效的自适应功率分配算法。吉林大学的石文孝等人[26]在异构网络环境下提出了根据网络的即时负载动态关断资源栅格的基站节能新算法。
绿色蜂窝的研究与设计涉及移动蜂窝基站的诸多方面，如基站能耗模型、基站能效判据、能效体系结构和网络规划以及能效与其他指标的均衡研究等，以下就参照一些相关文章[1-5,27,28]并结合作者理解从上述几方面给予简单介绍。
（1）基站能耗模型
能量消耗模型不仅建模能量消耗状况，而且分析蜂窝网络整体的拥有成本，描述主要费用支出与能量消耗的关系，包括运营支出和基本建设费用。能量消耗模型对能效判据的好坏具有重要影响。Arnold等人[29]对宏蜂窝和微蜂窝基站分别建立能耗模型，并根据流量有无分为静态能耗部分和动态能耗部分，得到宏蜂窝基站中静态能耗占主导，微蜂窝基站中动态能耗占主导。Tombaz等人[30]提出在移动宽带接入网络中将骨干网络能耗引入能量消耗模型，并对基础设施部署代价、能耗和频谱代价进行均衡，论证了干扰受限的简单场景中所提部署策略的最优性。Humar等人[31]提出引入设备制造过程中的能耗，证明该部分能耗在整体能耗中是不可忽略的。Khirallah等人[32]对宏蜂窝基站、中继站、毫微微蜂窝基站等考虑整体拥有成本，包括运营中各元件能耗和设备制造、安装等能耗。上述能耗模型主要评估了基站的不同元件、基站类型、设备制造和骨干网络等对能耗的影响，然而过多的涉及因素会影响模型的后期处理，需要因场景而有所取舍。
在宏蜂窝和微蜂窝基站能耗模型中，基站消耗在非流量负载上的能量被称为静态能耗部分，而依赖于流量负载的耗能被称为动态能耗部分，二者加在一起得到基站的总能耗。基站消耗的功率在很大程度上依赖于基站的类型。例如，对于一个微小区基站，其能耗主要取决于动态能耗部分，包括分配的传输功率和子载波数目等。然而，对于一个宏小区基站，能量消耗主要以静态能耗部分为主，并不主要取决于每个用户的传输功率。可见，建立一个精确的能耗模型很重要，不同的能耗建模对能效度量指标也会有显著影响。
（2）基站能效判据
能量有效性判据可以解释什么是绿色通信，如何衡量绿色通信的性能问题。选用合适的 EE 指标是整体绿色能效网络设计中最重要的考虑因素，直接关系到其他所有协议层节能优化的策略。通过提供可以直接对比和评估网络中不同元件的能量消耗状况信息，能量有效性判据在整个协议层设计中与优化模型的建立和判定直接相关。能量有效性判据总体可以分成3类，即元件层面、设备层面和网络层面判据，分别衡量特定器件、单个设备和网络的能效性能[2]。
目前最常用的是“比特/焦耳”判据，定义为消耗单位能量产生的信息比特，并衍生出各种改进型，如考虑电路耗能、流量变化、开销信息等。Rodoplu等人[33]分析了网络层面的能效容量，证明每焦耳能量传输的比特容量随网络节点数的增多而增加。Miao等人[34,35]用数学推导了引入的电路能耗与发射能耗对总能效的影响，并在 MIMO-OFDM 系统中提出一个考虑电路能耗的能效链路自适应传输结构。Kim等人[36]分析出电路能耗的引入使得在MIMO与SIMO之间关于能效存在一个交叉点，在交叉点两侧分别是能效最佳的。此外，在吞吐量影响方面，Xu等人[9]考虑了导频序列的能耗，证明判据中训练符号与数据符号的最优功率分配可以减少较大能耗；Fehske等人[37]在多点协同传输系统的有效传输速率中考虑导频、控制、反馈等开销的影响，对网络密度和协作簇大小变化情况下的判据进行评估。在基本能效判据的基础上，也可以考虑智能电网中的实时电价[10]（Real-Time Price，RTP），建立相应的经济能效判据，为基于实时电价的能效建模奠定基础。
文献[38]中的数学分析表明，通过持续时间最长的高能效传输不再是最佳的方法，图1-1给出了以整体EE为目标的电路能耗和发射能耗之间的权衡关系，能耗模型考虑了其他部分的能量消耗（如收发器的电路功耗）。
图1-1 以整体EE为目标的电路能耗与发射能耗之间的权衡
（3）能效体系结构和网络规划
基站本身体系结构方面的能量有效性措施包括改善功率放大器耗能、制定降低能耗的协议等，如Louhi等人[39]对基站的发射器效率、系统特征、制冷、替代能源和低流量期节能等措施进行了探讨；Claussen等人[40]研究了宏蜂窝与微微蜂窝对能量有效性提升的效果，分析得出未来通信技术对联合部署效果的影响很小。能量感知的基站功率管理策略，可以根据流量调整基站功率从而调整服务半径大小，并能与临近基站合作，Niu等人[11]和Bhaumik等人[41]各自对基站服务半径大小、根据流量、信道等的自适应调整进行了研究。上述对基站收发器的开闭与服务半径调整等，没有考虑在实际设计中的射频频率规划、转换门限设置、避免覆盖空洞、空间与时间上负载的起伏捕捉跟踪等因素影响，势必会影响服务质量和系统性能。
在网络规划方面，以往宏蜂窝设计主要是提供大范围的覆盖而不是高数据速率和降低能耗，但是改变现有的网络结构是不经济的。Richter和Fehske等人[42,43]提出基于小蜂窝如微蜂窝、微微蜂窝的部署方案，缩短传播距离以减少传输功率和提高速率；Ashraf等人[44]提出在大规模微蜂窝的部署中，通过检测有无活动用户来关闭射频传输及相关的处理电路以节省能耗；Hoydis等人[45]基于随机矩阵理论分析了大规模自组织、低功耗、低代价的小蜂窝基站的最优网络设计。由此可见，基于微蜂窝的网络规划是很有前景的，但是上述文献未考虑覆盖范围、性能预测、干扰和移动性管理以及安全问题等因素的影响。
（4）能效与其他指标的均衡研究
能效或功率与无线网络设计中的其他性能指标存在着密切联系，主要包括部署效率、频谱效率、带宽和时延。设计时需要平衡这些指标与能效或功率之间的关系，Chen等人[12]首先提出了单链路下基于香农理论的4种均衡，即部署效率与能效均衡、频谱效率与能效均衡、带宽与功率均衡、时延与功率均衡，并进行了简单的理论分析。其中，频效与能效之间的均衡涉及频谱和能量两种主要资源，是无线通信中最重要的一种均衡关系。目前主要集中在表征能效与频效的准确关系研究，Onireti和Heliot等人[46,47]在CoMP和MIMO不同的场景下推导了二者关系的闭合表达式，但是过于复杂而使得关系不明显；Xiong等人[48]、Huang等人[13]和He等人[14]的3个团队分别基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）网络、放大转发中继网络和分布式天线系统，在一定频效的需求下进行了最大化能效研究，但仅能满足系统的一般频效性能要求，没有进一步挖掘频效提高的潜力；Deng等人[15]通过多目标优化模型转化为单目标优化模型的方法，在单链路下设计了能效与频效同时达到最优的统一均衡判据，该方法对多链路场景的效果未得到论证；朱近康等人[16]对存在多小区干扰和越区切换情况下蜂窝网络的网络频谱效率和能量效率函数进行研究，揭示了功率开销与频谱效率之间的关系，讨论了相关参数对能效函数的影响；He等人[17]在文献[12]的基础上，研究了两层异构网络下的均衡关系，并考虑了基站实际耗能模型的影响，但是只考虑了两层网络频率正交的情况，未考虑频谱共享情况，也未明确微蜂窝密度和网络流量要求的影响。可见，单链路下基于香农公式的能效与频效均衡关系是单调的，但是当考虑多用户、多蜂窝等网络场景以及基站电路耗能等现实问题时，均衡关系变得非常复杂，如何更好地均衡二者关系，增强解决方案的现实可操作性，仍是亟待解决的关键问题。
异构网络中通过布局微蜂窝，在提供高速业务的同时降低了能耗，从系统结构上符合绿色网络设计的趋势。而从资源管理的角度看，能量有效性传输可以理解为在正确的时间分配合适的资源将信息传输给正确的用户。这就涉及时域、频域和空域资源的有效管理，如微蜂窝的部署、蜂窝开关切换、蜂窝半径缩放、资源分配、蜂窝间断传输和MIMO抑制技术等措施。多域资源管理与物理层传输联合设计，有助于异构无线网络基站的能效与频效均衡目标的实现。