小蜂窝网络研究综述*

游 凡，叶先万，崔海霞

（华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

0 引 言

第五代移动通信系统的研究给社会带来了挑战与机遇。如今5G 网络的盛行，给其他的研究领域带来了更快速的发展，如基于5G 网络的中国首例远程外科手术的成功实施和基于5G 网络的车联网研究等。普通用户有机会可以享受5G 网络带来的快速数据交换。但是，5G 网络的发展尚未成熟，还存在很多不足，如频谱资源稀缺、蜂窝的密集部署导致能耗增加以及能量利用率低下等。所以，在未来的很长一个阶段，5G 网络会和4G 网络共存，且与其他网络类型构成异构网络空间。

在5G 网络的进一步发展中，缩小蜂窝网络覆盖的半径、增加低功率的节点数量，是确保第五代移动通信网络可以支持1000 倍数据流量增长的有效措施。在未来无线通信网络的发展中，小峰窝网络相关技术对于提高数据流量发挥着重要作用[1]，甚至新6G 网络的研究也被提上了日程。未来6G 网络将会进一步满足用户对于高速率传输的需求，不会出现任何网络中断，这同样需要小蜂窝网络的支持来实现高速率数据传输[2]。

随着小峰窝的发展以及人们对于能量节约、环境保护的需要，蜂窝网络的发展更加趋于绿色、环保。人们的需求是网络质量更加稳定、持久，而资源能效不足等问题促使发展新型绿色小峰窝逐渐成为热点。本文分别分析蜂窝网络的发展、蜂窝网络的兴起、小蜂窝相关研究技术的优势以及发展中遇到的挑战，最后对小蜂窝网络的发展前景做简略的分析。

1 技术背景

1.1 小峰窝网络

小峰窝网络作为更加便捷、更加小型、更加低功耗、更加低成本的技术，进一步可以解决宏基站覆盖范围内未能充分覆盖区域的通信问题。小峰窝网络部署如图1 所示[3]。由于宏基站覆盖范围广，在蜂窝边缘由于路径损耗会导致通信质量降低，若适当部署小峰窝基站则可以有效减轻宏基站负担。但是，随着蜂窝网络的密集化，必然会导致小区之间的干扰增强，同时导致通信服务质量的降低。

图1 小峰窝网络部署

根据小峰窝的发射功率不同和覆盖范围大小不同进行分类，小峰窝网络可以分为微蜂窝网络、微微蜂窝网络以及毫微微蜂窝网络[4]。其中，微蜂窝（microcell）的覆盖面积大概300 m2，发射功率为30 ～37 dB。微微蜂窝（picocell）的覆盖面积大概100 m2，发射功率为23～30 dB。毫微蜂窝（femtocell）的覆盖面积大概20 m2，发射功率为10 ～23 dB。这些大致都会利用在数据流量比较密集的商场，或者是小范围的区域。这样不但能有效提高网络的数据交换速率，也可以很好地减轻宏基站的流量负担。小峰窝与宏蜂窝几个特性方面的比较见表1。

表1 小峰窝网络与宏蜂窝网络比较

1.2 小峰窝网络研究现状

小峰窝网络有自组织性的特点，且基站体积小，易于部署，不用进行繁琐的网络规划过程，维护成本低，其相比于传统蜂窝更加经济有效[5]。然而，通信网络的能耗总量随着网络的发展呈快速发展趋势。每年的电能能耗可以达到数百亿度，不仅给三大运营商（中国电信，中国移动，中国联通）带来极大的经济压力，也给我国实施绿色发展工作带来了很大挑战。尤其在5G 网络盛行的当下，用户的需求量指数倍增长，基站负荷量越来越大，使得通信领域面对严峻的考验。

当前社会正处于资源有限的发展阶段，不管任何行业都在秉持绿色发展理念，通信行业亦是如此。绿色发展是人们生活快速进步的同时所遵循的准则。据悉，绿色无线通信的研究是从21 世纪开始的，但是由于目前对于绿色无线通信的研究并不集中，所以还并没有一个很严格的标准来评判一个蜂窝网络是否遵循节能减排的理念[6]。提升频谱利用率、改善蜂窝网络的架构、节省蜂窝能耗、研发高能效的基站、进一步优化系统的资源分配等，都是有效促使小峰窝网络的发展更加绿色环保的方法。

2 小蜂窝网络主要实现途径

有研究表明，5G 基站的能耗可能会比4G 基站高出好几倍，但是5G 是趋势。随着无线通信领域的发展，新一代的移动通信网络全面覆盖指日可待，只是解决能耗这一问题对于国家和运营商都是较大的挑战。所以，开发更加有效的蜂窝网络迫在眉睫。更高效的小蜂窝网络不仅需要降低能耗，也需要有效的配置资源。本节将从以下几个角度分析实现高效小蜂窝网络通信的几种有效途径。

2.1 资源配置角度

合理配置资源是实现小蜂窝网络绿色发展的重要手段之一。要想得到更优的资源分配，在满足物理条件的情况下，寻找更好的数学算法进行优化是必不可少的步骤。

2.1.1 凸优化算法

凸优化算法在通信领域中的应用非常广泛，目的是找到一个最优解使得目标函数最优。然而，在实际无线通信领域，很多问题本身都是非凸问题，需要经过一系列转变，如松弛变量等方法转换为更好求解的凸优化问题。求解的方法有捆集法、次梯度法以及内点法。在无线通信系统中，通过寻找最好的资源分配方法，使得最后系统能效最优。

比如，文献[7]从天线单元和用户角度研究最佳的天线单元负载，有效提高了系统吞吐量。文献[8]提出一种改进的虚拟博弈算法，通过可实现的速率的加权和衡量其性能，它的稳定点是给定博弈的纯纳什均衡，目标是设计一个非合作博弈的效用函数，使得所有的纯纳什均衡都接近最优全局性能，也使得算法接近最优，同时不需要用户之间的通信。结果表明，在用户足够多和干扰较强的情况下，这个博弈存在许多不良的均衡。而后做了优化，使每个用户的效用受人为限制，最终实现在任何干扰情形下甚至在相关信道上，最坏的平衡点也具有渐近最优的加权和率。可见，这些相关文献强有力证明了博弈论的纳什均衡在信道合理分配中应用的优势。

2.1.2 机器学习算法

将机器学习与小蜂窝网络技术相结合也是未来的研究方向。由于今后的蜂窝网络必然会更加的智能化，蜂窝内的用户自优化能力也也会得到很大的提高。并且在用户处于高速动态的蜂窝网络中，自适应能力无疑是解决这些问题的方法之一，而想要达到自适应，自优化的要求，结合机器学习不妨是一种可行的方法，于是可以在用户终端和基础设施上集成机器学习的方法来完成这一设想。

而机器学习应用于蜂窝网络主要是两个方面：一、蜂窝网络对环境识别并且通过网络环境来对客户终端和网络的资源进行分配和管理；二、采用网络现有数据对于网络之后的状态实行预测，达到优化网络性能的目的[9]。在实际应用中，基站进行缓存内容也成为了减轻回程流量和提高网络质量的有效方法[10]。而由于缓存效率问题是一个比较难解决的随机问题，因此，采用基于机器学习的方法，从挖掘移动流量潜力的角度来看数据，相较于目前已有相关算法有着巨大的优势。在不确定的环境下，强化学习方法能够做出有效而准确的决策。在不知道网络和信道模型的前提下，采用强化学习的算法能够有效的减少小区间干扰以及节省能耗[11]。所以，利用机器学习的算法与小蜂窝网络技术的结合，从而达到智能化、高实时性、移动性的资源分配管理具有很高的研究价值。

2.2 新能源角度

未来小峰窝网络可以进一步减轻基站的硬件负担，通过搭建更好的硬件平台，进一步优化蜂窝网络的体积和成本，使得网络更加绿色经济。有研究表明，太阳能和风能的结合是给小蜂窝网络提供能源的一种很好选择。实际上，混合太阳能及风能基站在业界引起了广泛关注。设备供应商华为对于这种采用太阳能和风能的基站产生了很大的兴趣。特别是有的厂家设计的可再生能源（风能）基站，使得无线网络完全依靠太阳能和风能高效运行成为现实[12]，并且达到了99.89%的可靠性。

2.3 休眠角度

小蜂窝网络有效采用休眠期可以节省功率。绿色功率控制方案不仅可以在休眠基站上节约功率，而且催生了基于平均小区和用户吞吐量来定义绿色小区的想法。绿色小区和用户的吞吐量可以通过其独特的最佳小区负载来优化。

有研究表明，在蜂窝无线通信网络中约有80%的能量消耗被基站所消耗[13]。于是，有学者和专家提出了基站睡眠策略来降低小蜂窝能耗。睡眠模式在最早期是被提议为802.11b[14]（这是一种在早期制定的无线局域网标准，规定使用2.4 GHz 的频带，并且传输速率能够根据应用的环境以及其他因素进行适当调整）。它主要是为了非实时性的通信，减少链路层的能耗。但是，在睡眠模式中，最值得考虑的是，当蜂窝基站处于休眠期间，它周围的用户如何保持有效的服务质量是关键。小峰窝网络处于密集部署状态，可以适当通过提高相邻基站的发射功率来补给用户的需求。但是，基于睡眠模式下的用户的服务质量和基站能耗之间的权衡以及优化仍然是一个挑战，需要进一步研究和解决。现在有的研究转变为找到宏基站和小基站之间最优的睡眠模式，达到能耗最少的状态。未来，这项工作可能会同时优化多个层次的睡眠模式或者是这种睡眠模式应用会更加广泛[15]，也可以在任何异构网络中应用，达到最好的协作关系。

3 小蜂窝网络发展应用环境

小峰窝网络的发展必然会朝着更加可靠、实时性、智能化以及高适应性的方向演进，且在很长一段时间内，异构蜂窝网络会成为无线通信系统中的主流。异构蜂窝网络为用户双连接（Dual Connectivity）甚至多连接不同类型的网络成为可能[16]。对于双连接而言，可以一方负责传输控制信息，一方保证数据信息的传送；或者双方同时负责控制信息和数据信息，这样用户获得的是两个传输速率之和，使得用户得到更好的通信服务质量（Quality of Service，QoS）。此外，小蜂窝面临的应用场景将是更加广泛、更加异构的技术融合。

3.1 电视空白频段认知复用

现在的电视网络已经越来越数字化，所以有大量的电视频段在某些时间段是比较空闲的。相比于低频蜂窝频带，无线电视的传输信道具有更好的传输特性，但是电视空白频段的有效性会受到电视发射机的发射功率以及位置的影响[17]。不过，在频率资源有限的情况下，可以考虑利用电视空白频段进行工作，通过更好地部署其位置和调整小蜂窝发射机的功率来减小损耗，提升性能。

3.2 无线局域网频谱共享

WiFi 网络的使用用户越来越多，而WiFi 使用的是未授权频段，与小蜂窝网络互相并不干扰。有研究表明，小蜂窝网络的高峰阶段和无线局域网的高峰时段是正交的[18]，所以人们会想到在WiFi 网络非拥挤时段让蜂窝网络使用非授权频段给用户提供服务。这样可以增加小蜂窝网络可以利用的频率资源，以提升数据传输速率和用户吞吐量，也可以更加节能。因此，小蜂窝网络可以和WiFi 网络共享频段，共同为用户服务。

3.3 小峰窝网络与D2D 结合

D2D 网络还可以被称为终端直通，被视为5G网络发展的关键候选技术之一。如今，对于D2D 技术的研究越来越深入。图2 为D2D 系统模型[19]。

图2 D2D 系统模型

D2D 技术不用通过基站直接通过两个终端直接相连进行数据交换，以达到相互通信的效果。同时，D2D 通信技术很大程度上减少了使用频带资源，增加了有限资源的利用率。在未来，高速率、大规模、大数据、超大宽带的数据处理能力的无线通信网络中，D2D 技术将在5G 移动通信中彰显自身的优势，无需通过基站获取数据，非常有利地减轻了蜂窝网络下行传输数据的负担。

对于D2D 网络来说，最重要的是要选取最优的缓存策略和卸载策略。但是，要想真正实施D2D 通信技术，就要全面升级小蜂窝网络，这将带来巨大的技术挑战和经济挑战。同时，D2D 与蜂窝网络的结合，也会因为频谱资源共享而带来干扰。小峰窝网络与D2D技术的结合有着很好的前景，但同时面临挑战。

4 面临的关键技术难题

据最新报道，5G 的全面覆盖将需要几年的时间。中国工业经济联合会长李毅中表示，5G 网络建设需要约600 万基站，基站的成本将在1.2 万亿到1.5 万亿元。面对这样庞大的数据和极大的成本开销，反映了无线通信领域的发展还面临着很多问题。本节将在以下几个方面探讨小蜂窝发展需要面临的主要挑战。

4.1 网络同构/异构干扰

密集部署的小蜂窝之间必将带来小区间干扰或小区内干扰[20]，而干扰势必会影响网络的绿色发展。在小蜂窝网络中，上行链路和下行链路的干扰都是存在的，其中由于基站的发射功率相对减少，各基站之间距离缩短，在下行链路中必然会产生很大的噪声，而这些干扰噪声一般来自于基站到用户之间。同时，当用户向基站请求数据时，上行链路必然也会影响整个网络的内部性能。当然，除了网络内部干扰，三大运营商之间的竞争越来越大。2019 年5G 刚刚推出商用的时候，三大运营商纷纷发布自己的5G 套餐。其实，每个运营商之间的网络部署都有差异，且运营商之间相近的频谱利用造成了网络间的干扰。

异构蜂窝网络（如图3 所示）[21]的发展一定是大势所趋。在异构蜂窝网络中，各种不同的无线通信系统相互之间取长补短，以达到更好的服务质量。但是，对于异构网络来说，不论是宏基站和小基站之间的同频干扰，还是小基站与小基站之间的干扰，都影响整个异构网络的工作效率。

小区间干扰协调（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）通过划分频率的方式，即将相邻的两个小区中重叠部分分成两个不同的频段，减少小区间的干扰。还有研究表明，采用小区干扰协调（ICIC）来避免干扰的主要方法是利用优化理论在小区中构造ICIC 问题[22]。

图3 异构网络结构

但是，在当下异构网络复杂的情况下，ICIC 已经不再适用。于是，专家学者研究的eICIC（增强的小区间干扰协调）在当下研究中备受关注。eICIC相对于传统的ICIC，加入了对于时间维度的重新定义[23]，目的是希望可以达到不同小区的信号在时间上针对部分用户是正交的。eICIC 依赖于几乎空白子帧或者是功率降低的几乎空白子帧来管理宏蜂窝层和小型蜂窝网络之间的干扰[24]。相比于ICIC而言，eICIC 不仅仅针对业务信道，而且能够降低不同小区间控制信道的干扰。简单来说，ICIC 只是通过功率和频率控制的方法针对传输信道的小区间干扰进行协调，而eICIC 不仅具有ICIC 采用的协调方法，还增加了时域分析的方式进行小区间干扰协调。比如，文献[25]提出使用eICIC 技术并采用用户的偏置关联技术的相关算法，使得在宏基站静默期阶段，小峰窝基站的传输更加不受干扰，使得小峰窝网络利用率更高。作者在以实际数据为基础的前提下，得到了更加自优化的异构蜂窝网络的仿真图。

虽然各种新兴技术不断出现，但是干扰问题依然是严重影响绿色小蜂窝网络性能的关键难题之一。秉持绿色蜂窝网络发展理念，进一步减少干扰，甚至有效利用干扰，可能是未来进一步研究的方向。

4.2 高速移动终端设备的业务随机性

由于小峰窝网络的盛行，今后对于移动管理性问题将会更加引人关注。文献[26]的结果表明，增加小区密度可以适当减少宏小区的负载，同时文献的结论还可以扩展到研究密集异构蜂窝网络中的移动性管理问题，可以估计用户接入设备的速度。引入移动性管理目的是让小峰窝网络中的用户得到连续的服务，同时可以在必要的时候减少蜂窝负担。面对此问题，就是要解决如何达到无缝切换数据和如何有一个合理的链路预算。

切换工作是否进行取决于基站。但是，在这个过程中，用户终端和基站都是一起参与的。切换工作的检测和判决来源于移动中断，且是给交换中心进行控制与工作的[27]。在进行无缝切换的过程中，遇到不同的情况采取不同的措施进行切换，是达到更高速率的关键。正常切换情况下，主要是由于用户从一个区域转移到另一个区域而为了维持正常持续的电话通信而采取的措施。异常切换可以分为紧急切换、连续切换与切换失败等。紧急切换主要是即将面临通信中断的情况下才会采取的措施，但是一般最好不要经常用到紧急切换。同时，在紧急切换过程中可能会有乒乓切换的情况，会产生连续切换的情况导致异常。一般来说，异常切换的产生主要是由于硬件问题而导致的，或者是由于小区间拥堵，小区间小区内干扰频繁，或者是由于没有一个主导的服务小区等因素造成的。所以，要想很好地解决移动性问题，首先要解决好如何做到最好的无缝切换[28]。面对此问题，华为早在2006 年便提出了有关紧急切换中的相关算法。华为的切换算法还设置了优先级进行工作，不仅可以区分小区的层次，也可以在单个小区内进行优先级的判定。

在移动性管理问题中，还有一个值得关注的就是链路预测。链路预测的目的是通过已知的节点连接预测未连接的两个节点之间连接的可能性[29]。对于移动用户来说，采用这样的技术执行更优的网络切换。所以，在小峰窝网络部署密集的情况下，适应网络结构的链路预测值得进一步研究。文献[30]提出了一种适应网络结构的链路预算和机器学习相结合的算法，其基于非监督的机器学习，针对不同网络结构进行索引，提高了链路预测的精确性。将不一样的预测指标当作未连接的数据，采用聚类分析使得预测转换为分类。仿真结果显示，通过综合考虑，提出的算法可适应不同的网络结构，且有良好的预测结果。在今后的研究中，可以继续考虑与机器学习相结合的方法，得到可以自优化自适应的链路预测算法，进而增强系统的移动管理。

事实上，要想用户得到好的体验度，会要求移动终端具有很好的无缝切换网络的能力。但是，在实际情况中，切换必然会带来延时甚至在切换过程中有丢包的情况[31]，严重影响用户体验的系统性能。因此，对于小蜂窝网络中的用户移动性管理方面，今后还有很大的空间需要进行探究。

4.3 小蜂窝网络的安全问题

如今社会的电信诈骗案例越来越多，人们对于信息安全问题的关注度也越来越高。但是，科技是一个双刃剑。社会逐渐发达的同时，不法分子也会有机可乘地利用技术窃取信息。所以，网络安全也是需要进一步优化和解决的问题。而对于小蜂窝网络来说，最大的信息安全问题莫过于信息泄露。蜂窝网络中的信息通过开放式无线电传输，容易造成非法空中截获信息，是无线通信中安全方面最劣势的方面。相关研究表明，蜂窝网络中的用户能够采取非法手段窃听蜂窝网络中其他用户的信息，表明在蜂窝网络中存在严重的安全问题。文献[32]设计了一种自适应的功率控制和访问控制方案，有效提高了蜂窝网络中的用户保密能力。小峰窝网络的密集部署加快了数据之间的交换，也大大增加了流量消耗。为了防止黑客和不法盗取信息的人攻破网络的安全网，发展安全绿色的小峰窝必定是无线通信网络中的一大挑战。目前，密钥管理成为一种进行信息安全维护的很好方式[33]。但是，科技的发展也带来了很多的可乘之机，所以今后必定会开发出更好的算法或者更好的管理方式，使得网络通信更加安全可靠。

5 结 语

未来无线通信领域的发展一定会更加趋于自优化、自适应的方向，小峰窝网络技术的应用也将会更加广泛。但是，如何让小峰窝网络更加绿色可持续、更加智能化、更加安全高效，是未来通信领域非常重要的研究课题。目前，对于蜂窝网络的研究无论是国内还是国外都非常热诚且充满挑战，相信随着5G 网络的全面部署，经过专家与学者更加深度的研究，小蜂窝网络的发展一定会越来越成熟。