能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究(清华大学).doc

项目名称： 能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统基础研究 首席科学家： 牛志升 清华大学 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 教育部  一、关键科学问题及研究内容 2.1 关键科学问题 如前所述，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。为此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，并解决以下关键科学问题： 科学问题1、网络能效成因关系与高能效覆盖机理：经典信息论主要关注有效辐射能量与信道容量之间的关系，但蜂窝网络的整体能耗中基站辐射能量只占一小部分，大部分能量消耗在了基站配套设备（基带处理、功放、空调等）和网络基础覆盖上。为此需要从网络综合能耗的角度探索能效的成因关系以及高能效覆盖的机理； 科学问题2、异构蜂窝网络的高能效资源匹配机理：移动通信有限的频谱和能量资源被独立地分割在了功能各异的多个蜂窝网络中，但各种异构蜂窝网络中业务量的时空分布却呈现出越来越大的动态特性，使得每个网络中的频谱与能量资源都无法得到充分利用。为此需要针对异构蜂窝网络环境建立高能效的弹性资源匹配机理； 科学问题3、多样性需求业务的高能效服务机理：未来移动通信的业务种类和服务质量需求会越来越多样化，但现有网络基本上还是针对某种特定业务优化的，难以同时满足各类不同业务的需求、或是为了满足最苛刻业务的需求而浪费大量的频谱与能量。为此需要针对多样化的业务需求分别建立高能效的服务机理。 2.2 主要研究内容 为了解决以上关键科学问题，本申请提出了一个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。为此，我们将着重研究控制覆盖与业务覆盖的分离机制与动态设计方法，建立超蜂窝网络的能量效率与各种网络资源之间的理论关系与评价方法，给出逼近其能效极限的资源优化配置方案，并针对多样化业务需求设计差异化适度服务机理。具体地，拟分成以下六个课题展开研究。 1） 网络能效理论与超蜂窝体系架构 按照能效优先的原则重新审视无线通信与网络的体系架构与运行机理，从网络整体能效的角度研究网络能量效率的成因关系，并在此基础上建立能效与资源优化的移动通信系统体系架构与理论体系。 1.1）网络能效建模与成因关系分析：明确网络能效的定义，建立无线通信链路的信息处理和信令开销能耗的理论模型，分析网络能效与网络覆盖能力、频谱效率、用户群体行为、业务特征及其服务质量要求之间的成因关系，探索超蜂窝网络的能效极限，给出网络能效与系统容量的协同优化方法。这里最核心的是要建立网络能效与频谱效率、以及网络能效与业务延迟之间的互换关系。 1.2）超蜂窝网络架构及其理论基础：探索超蜂窝网络的架构，建立超蜂窝网络柔性覆盖、弹性匹配、及适度服务的理论基础，给出低能耗控制覆盖及能效与资源联合优化的业务覆盖的设计准则，并提供实验室演示验证系统。 超蜂窝网络的柔性覆盖与控制理论 针对未来移动通信业务在时域和空域上大范围动态变化、且服务质量要求越来越两极分化的矛盾，深入挖掘网络覆盖的能效潜力，建立兼顾能效与容量的智能柔性覆盖与控制理论，为超蜂窝网络体系架构下的物理层与链路层的能效优化提供理论基础。主要研究内容包括： 2.1) 控制覆盖与业务覆盖分离机制及优化研究：通过控制覆盖与业务覆盖在业务级、设备级、协议级的逐级分离，研究两种覆盖的合作机制和演进方法，探索在公共控制覆盖基础上的异构业务覆盖机理和控制方法，以及公共控制覆盖的异构实现方法。进一步探索上下行覆盖分离的机制、能耗理论和相应的控制方法。 2.2) 柔性覆盖中控制覆盖的能效优化方法：探讨未来无线接入对控制信道需求的发展趋势，研究系统同步、信道估计、定位、寻呼、随机接入等控制功能在超蜂窝架构下的能效优化机制与方法，给出控制覆盖强度的理论描述。 2.3) 柔性覆盖动态小区形成方法研究：研究下行动态功率控制和天线形态调整在动态小区形成中对容量和能耗的影响，以及在不同信道条件下分布式天线协作覆盖虚拟小区成形方法，建立分布式覆盖容量与虚拟小区形态、回程链路能耗、处理能耗、传输能耗之间的折中关系，进一步研究动态小区构建的能效优化准则、优化方法以及规模化实现方法，探索新型天线和新频段在动态小区覆盖形成方面的解决途径。 能效优先的传输理论与弹性接入方法 研究超蜂窝网络中非协作的传输理论与接入技术，即假定各蜂窝小区基站不交互信息、不使用中继协作或用户协作机制完成无线传输。 3.1) 综合链路能效优化的传输机制及与频谱效率的理论关系：针对非协作蜂窝网络，分别考虑不存在小区间干扰时的单小区多用户及存在小区间干扰时的多小区多用户系统，研究多天线、多载波系统能量效率与频谱效率之间的理论关系，分析链路能量效率与功率、带宽、收发天线数等无线资源、以及