王劉猛 周盛

摘要：通過改變基帶功能在遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）的放置，基帶功能分割能實(shí)現(xiàn)前傳帶寬需求和RRU處理能耗之間的折中。首先調(diào)研了基帶功能分割和可再生能源供電下無線傳輸功率控制的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而針對(duì)RRU使用可再生能源供電的場(chǎng)景，聯(lián)合優(yōu)化離線的基帶功能分割方案的選擇和傳輸功率控制，包括每種基帶分割方案被選擇的時(shí)長(zhǎng)及相應(yīng)的傳輸功率，并提出了一種啟發(fā)式的在線策略。數(shù)值結(jié)果表明：相比于固定的基帶功能分割方案，靈活的基帶功能分割能充分利用可再生能源并提高系統(tǒng)的吞吐量。

關(guān)鍵詞：能量收集；基帶功能分割；功率控制；前傳網(wǎng)；云接入網(wǎng)

中國(guó)移動(dòng)在2009年提出云接入網(wǎng)（C-RAN）的概念[1]，其主要思路是將部分或所有基帶功能集中到基帶功能池，在基帶功能池對(duì)基帶單元（BBU）進(jìn)行統(tǒng)一管理和資源動(dòng)態(tài)分配，進(jìn)而提高資源利用率，并支持協(xié)作傳輸[2]。另一方面，C-RAN能降低遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）的復(fù)雜度，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的部署和運(yùn)營(yíng)成本。其中，前傳網(wǎng)（Fronthaul）負(fù)責(zé)BBU和RRU之間基帶信號(hào)的傳輸。對(duì)于全集中的C-RAN，即將全部的基帶功能放置在BBU，前傳網(wǎng)的帶寬需求非常高。以長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）為例，對(duì)于典型的20 MHz的單天線單載波系統(tǒng)，如使用通用公共無線電接口（CPRI），前傳網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率需求為1 Gbit/s[3]。相比于全集中的C-RAN，通過將部分基帶功能放置在RRU，將其余基帶功能放置在BBU，基帶功能分割可以顯著降低前傳網(wǎng)的帶寬需求[4]。

為提升網(wǎng)絡(luò)容量，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，未來運(yùn)營(yíng)商將部署更多的RRU。通過收集環(huán)境中的可再生能源，RRU可消耗更少或者不消耗電網(wǎng)能量。同時(shí)，利用可再生能源，RRU可以部署到電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域[5]。由于能量到達(dá)的隨機(jī)性，保障通信的可靠性是能量收集（EH）無線系統(tǒng)中的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題[6]。根據(jù)能量收集的狀態(tài)，優(yōu)化無線傳輸中的功率控制能提高通信的可靠性。

最優(yōu)的功率控制策略受基帶處理功率的影響。另一方面由于RRU和BBU之間光纖部署的成本高、難度大，可能會(huì)采用無線前傳網(wǎng)。采用無線前傳網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致前傳速率受限，并帶來更大的前傳功率開銷，因而需要靈活的基帶功能分割。此時(shí)，基帶功能分割方案不再是固定的，多種可選方案都可能基于當(dāng)前的能量狀態(tài)而被靈活地采用，因而RRU的處理功率也不再是固定的，此時(shí)需要聯(lián)合優(yōu)化基帶功能分割和傳輸功率控制。

1 基帶功能分割

基帶功能分割旨在研究基帶功能如何在RRU和BBU之間放置。基帶功能包括串并行轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換（FFT）/逆向快速傅里葉變換（IFFT）、資源映射/資源解映射、前向糾錯(cuò)碼（FEC）、媒體接入控制（MAC）等功能。目前有多種可選的基帶功能分割方案，圖1給出了下行基帶功能分割的幾種可行的基帶功能分割方案[4]，[7]，對(duì)于每個(gè)方案，豎線左邊的基帶功能放置在BBU，豎線右邊的基帶功能放置在RRU。文獻(xiàn)[8]中作者分析了不同類型LTE基站，包括宏基站、微基站、微微基站等的能耗模型，分析了各個(gè)基帶功能模塊的處理復(fù)雜度，為量化分析基帶功能分割的能耗提供依據(jù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)2天線、20 MHz的LTE系統(tǒng)前傳速率需求的分析，以及文獻(xiàn)[8]中的計(jì)算模型，各基帶功能分割方案的前傳速率需求和RRU計(jì)算復(fù)雜度如表1所示。

從表1可以看出：將更多的基帶功能放置在RRU，前傳網(wǎng)的帶寬需求會(huì)降低，但會(huì)增加RRU的復(fù)雜度（及對(duì)應(yīng)的能耗）。因此，基帶功能分割可以實(shí)現(xiàn)前傳網(wǎng)帶寬需求和RRU復(fù)雜度及處理能耗之間的折中。

通過軟件定義基帶功能，未來RRU和BBU可選擇使用通用處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。通過配置RRU和BBU運(yùn)行的基帶模塊，可以調(diào)整RRU和BBU之間的基帶功能分割方案，進(jìn)而能根據(jù)前傳鏈路狀態(tài)、RRU的可用能量、業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)類型等靈活地選擇基帶功能分割方案[9]。同時(shí)，通過前傳鏈路匯聚亦可獲得前傳網(wǎng)傳輸資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益[10]。

2 可再生能源供電下的無線傳輸功率控制

由于可再生能量到達(dá)的隨機(jī)性，并且由于電池容量通常受限，優(yōu)化能量收集無線系統(tǒng)中能量的使用顯得十分重要。在沒有處理能量開銷時(shí)，即只考慮發(fā)射功率，對(duì)于給定的能量和信道衰落區(qū)間，如果傳輸速率關(guān)于傳輸功率的函數(shù)滿足非負(fù)、嚴(yán)格凹且單調(diào)遞增，最優(yōu)的傳輸策略為能量在信道衰落區(qū)間內(nèi)平均分配。然而在考慮處理能耗時(shí)，為減少處理能耗，最優(yōu)的傳輸策略不再是在同一個(gè)信道衰落區(qū)間內(nèi)功率平均分配，傳輸時(shí)間可能小于信道衰落區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)，傳輸呈突發(fā)性，對(duì)應(yīng)于一種“注膠”功率分配策略[11]。

對(duì)于有多個(gè)能量到達(dá)且具有信道衰落的場(chǎng)景，由于能量到達(dá)的隨機(jī)性，可再生能量會(huì)在不同的信道衰落區(qū)間進(jìn)行分配。文獻(xiàn)[12]中，作者分析了能量收集中具有信道衰落的場(chǎng)景，提出了一種“定向注水”的功率控制策略，即對(duì)能量的“注水”只能流向能量到達(dá)之后的時(shí)刻，流動(dòng)的能量大小則受電池容量的限制。文獻(xiàn)[13]針對(duì)具有處理能耗的能量收集傳輸鏈路，提出“定向注膠”的功率分配策略，其原理如圖2所示。圖中[γi]為信道衰落區(qū)間[i]內(nèi)的信道增益，其中[Ei]為信道衰落區(qū)間起始階段到達(dá)的可再生能量。能量可以從區(qū)間1流向區(qū)間2和區(qū)間3，不能從區(qū)間4流向區(qū)間3。由于處理能耗的存在，在區(qū)間2和區(qū)間4，傳輸具有突發(fā)性，即每個(gè)區(qū)間只有一部分時(shí)段在傳輸。由于電池容量的限制，從區(qū)間1和區(qū)間2流向區(qū)間3的能量受限，因而區(qū)間3的注膠水平低于區(qū)間1和區(qū)間2。

對(duì)于能量收集通信系統(tǒng)，如果采用固定的基帶功能分割方案，系統(tǒng)地處理能耗是固定的，那么定向注膠的功率分配策略是最優(yōu)的。對(duì)于靈活調(diào)整基帶功能分割方案的場(chǎng)景，基帶功能分割方案不再是固定的，多種可選方案都可能基于當(dāng)前的能量狀態(tài)而被靈活地采用，因而RRU的處理復(fù)雜度和功率也不再是固定的（如表1所示），定向注膠策略不再適用。此時(shí)需要綜合考慮前傳鏈路的信道特性和可再生能量的到達(dá)特性，優(yōu)化基帶功能分割方案的選擇和功率控制策略。

3 單RRU基帶功能分割方案的選擇和功率控制

3.1 離線最優(yōu)策略

考慮如圖3中C-RAN的下行傳輸，其中RRU使用可再生能源供電。RRU可以從[N]種基帶功能分割方案中選擇一種進(jìn)行配置。對(duì)于基帶功能分割方案[j]，其基帶處理功率記為[εj]，前傳帶寬需求記為[Rj]。目標(biāo)為最大化吞吐量，因而假設(shè)BBU隨時(shí)有數(shù)據(jù)需要傳輸給用戶。本文中，我們將研究在滿足平均前傳速率[D]的約束下，如何選擇基帶功能分割方案和功率控制策略，包括采用每個(gè)基帶功能分割的時(shí)間和相應(yīng)的傳輸功率，以最大化傳輸吞吐量。

第1個(gè)約束是平均前傳速率約束，第2個(gè)和第3個(gè)約束是可用能量和電池容量的約束，第4個(gè)約束是每個(gè)時(shí)段總傳輸時(shí)長(zhǎng)的約束。該優(yōu)化方程的目標(biāo)函數(shù)是凸的，約束是線性的，因而是一個(gè)凸優(yōu)化問題。使用拉格朗日乘子法，可發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的基帶功能分割方案選擇和功率控制具有以下性質(zhì)。

推論1：在每個(gè)時(shí)段，最多選擇2個(gè)基帶功能分割方案，且被選擇方案的傳輸功率相同。

該推論的詳細(xì)證明可以參考文獻(xiàn)[14]。

3.2 單個(gè)能量到達(dá)的離線最優(yōu)策略

根據(jù)推論1，每個(gè)時(shí)段內(nèi)最多只有2個(gè)基帶功能分割方案被選擇。為了設(shè)計(jì)有效的在線算法，有必要探討只有1個(gè)時(shí)段、2個(gè)可選基帶功能分割方案的特殊場(chǎng)景。在獲得只有2個(gè)可選基帶功能分割方案時(shí)的功率控制策略后，可以將其結(jié)果拓展到可選基帶功能分割方案數(shù)[N>2]的場(chǎng)景。計(jì)算選擇任意2種或1種基帶功能分割方案時(shí)的吞吐量，從中選擇吞吐量最大時(shí)的組合，即可獲得有[N]種可選基帶功能分割方案時(shí)的功率控制策略。不失一般性，用[R1]和[R2]表示2種基帶功能分割方案的前傳帶寬需求，用[ε1]和[ε2]表示相應(yīng)的基帶處理功率，且[R1>R2]，[ε1<ε2]。為了便于表示，用[θ1]和[p1]表示基帶功能分割方案1被采用的時(shí)長(zhǎng)和相應(yīng)的傳輸功率，[θ2]和[p2]表示基帶功能分割方案2被采用的時(shí)長(zhǎng)和相應(yīng)的傳輸功率。在時(shí)段內(nèi)可用的能量為[E]，時(shí)段持續(xù)時(shí)間為[L]。

根據(jù)平均前傳速率約束[D]與[R1]和[R2]之間的關(guān)系，下面將分3種情況進(jìn)行討論。這里只給出結(jié)論，詳細(xì)的推導(dǎo)過程參見文獻(xiàn)[14]。

3.3 啟發(fā)式在線策略

基于對(duì)只有一個(gè)能量到達(dá)時(shí)的特殊情況的推導(dǎo)，可以制定一種啟發(fā)式的在線策略。在能量到達(dá)的時(shí)刻[ti]，根據(jù)電池中存儲(chǔ)的能量[ei]制定未來一段時(shí)間內(nèi)的傳輸方案。由于能量到達(dá)的隨機(jī)性，RRU無法預(yù)知下一個(gè)能量何時(shí)到達(dá)。設(shè)置該期望時(shí)段長(zhǎng)度為[L]，最大化[ti]到[ti+L]這段時(shí)間內(nèi)的吞吐量，最優(yōu)的傳輸策略則通過對(duì)只有一個(gè)能量到達(dá)時(shí)的特殊情況的推導(dǎo)獲得。時(shí)段長(zhǎng)度[L]需要根據(jù)能量到達(dá)的統(tǒng)計(jì)特性而制定，例如可以將[L]設(shè)置為能量到達(dá)間隔的期望。在制定傳輸策略后，RRU根據(jù)制定的策略傳輸，直到下一個(gè)能量到達(dá)，或者電池的能量耗盡。當(dāng)有新的能量在[ti+1]時(shí)刻到達(dá)時(shí)，電池中的能量更新為[ei+1]，此時(shí)重新制定傳輸策略并進(jìn)行傳輸。

3.4 數(shù)值結(jié)果

本節(jié)我們將通過數(shù)值仿真研究平均前傳網(wǎng)帶寬約束對(duì)吞吐量的影響?？紤]一個(gè)下行的C-RAN系統(tǒng)，RRU使用能量收集技術(shù)供電，空口帶寬為20 MHz?？紤]3個(gè)可選的基帶功能分割方案，相應(yīng)的前傳帶寬需求和基帶處理功率為R1=980 Mbit/s，R2=460 Mbit/s，R3=86 Mbit/s，[ε1=1] W，[ε2=2.5] W，[ε3=4] W。信道增益為[γ=0.025] W。

首先考慮離線的吞吐量最大化問題。以具有3個(gè)時(shí)段的情況為例，時(shí)段長(zhǎng)度分別為[10，16， 12] s，每個(gè)時(shí)段開始時(shí)到達(dá)的能量為[480，360，160] J，電池的容量為800 J。圖5給出了吞吐量隨平均前傳速率變化的關(guān)系。從圖中可以看出：相比固定一種基帶功能分割方案，靈活的基帶功能分割在不同的平均前傳速率約束下都能獲得最大的吞吐量。

接著考慮在線吞吐量最大化問題。假設(shè)能量到達(dá)率為[λe=1/20] s，每次到達(dá)的能量在0～400 J之間均勻分布。考慮到0～200 s內(nèi)的吞吐量最大化問題，圖6給出了啟發(fā)式在線策略的性能。從圖中可以看出：?jiǎn)l(fā)式在線策略與最優(yōu)的離線策略有著相近的性能。將啟發(fā)式在線策略用于固定基帶功能分割方案時(shí)的場(chǎng)景作為基準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)：采用靈活的基帶功能分割能帶來可觀的吞吐量增益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)C-RAN系統(tǒng)中可再生能源供電的RRU，聯(lián)合優(yōu)化基帶功能分割方案的選擇和功率控制。離線吞吐量最大化問題可以建模為一個(gè)凸優(yōu)化問題。通過拉格朗日乘子法發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)解的結(jié)構(gòu)，即在每個(gè)時(shí)段內(nèi)RRU最多選擇2個(gè)基帶功能分割方案，且每個(gè)基帶功能分割方案時(shí)的傳輸功率相同。進(jìn)一步推導(dǎo)了只有一個(gè)能量到達(dá)時(shí)的最優(yōu)功率控制策略，并基于此提出了一種啟發(fā)式在線策略。數(shù)值結(jié)果表明：相比于固定的基帶功能分割方案，靈活的基帶功能分割能提顯著升系統(tǒng)吞吐量。

本工作尚存在一些待研究的問題，進(jìn)而引出一些未來工作。

（1）最優(yōu)在線策略。研究最優(yōu)的在線策略可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量，并有助于進(jìn)一步評(píng)估啟發(fā)式的在線策略的性能?？梢詫⒃诰€問題建模為一個(gè)馬爾科夫決策過程，獲得最優(yōu)的基帶功能分割方案選擇和功率控制。

（2）多RRU和多用戶的場(chǎng)景。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)RRU和多個(gè)用戶時(shí)，不同RRU的能量到達(dá)特性以及前傳鏈路狀態(tài)可能不同，用戶速率需求也存在差異。同時(shí)可進(jìn)一步研究用戶調(diào)度以及RRU之間的協(xié)作。

（3）能量到達(dá)和信道衰落存在不同的時(shí)間尺度。在實(shí)際系統(tǒng)中，能量到達(dá)率的變化往往比信道衰落的時(shí)間尺度更大。同時(shí)在信道衰落的尺度做基帶功能分割的重配置亦會(huì)有較大開銷?？梢钥紤]在能量到達(dá)的時(shí)間尺度下選擇基帶功能分割方案，在信道衰落的尺度下進(jìn)行傳輸功率控制。

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