如何让移动网络提速又省电

随着智能手机的普及和移动互联网的发展，移动数据流量正在呈爆炸式增长。到了2020年，移动数据流量预计将比2010年大500到1000倍。为了满足这种对数据速率的庞大需求，第四代移动通信（4G）主要使用了正交频分多址（OFDMA）技术，而在面向未来的第五代移动通信（5G）中，非正交多址接入（NOMA）技术因其极高的频谱利用效率而备受关注。

NOMA技术像是信息高速公路上的“拼车”服务。它允许不同用户在同一时间占用相同的信道频率，然后在接收端通过连续干扰消除（SIC）的技术，将重叠在一起的信号分离开来。过去，关于NOMA网络的大多数研究都把目光聚焦于如何通过分配信道和发射功率来最大化网络的“总速率”（即如何让网速达到最快）。然而，随着无线网络数据量的激增，网络设备的能源消耗也在迅速攀升。如何用最少的电量传输最多的数据比特（即“能量效率”，以比特/焦耳为单位），成了一个重要却尚未被充分研究的问题。

为了让通信网络既快又省电，科研人员针对下行NOMA网络（即基站向用户手机发送数据的过程），提出了一套全新的节能资源分配方案。

在研究人员设定的系统模型中（如图1所示，展示了单小区下行NOMA网络场景），一个位于中心的基站需要将数据发送给周围的用户。为了降低接收端手机分离信号的计算难度并限制错误传播，设定每个信道上最多只能“复用”（拼车）两名用户。

要实现整体最省电，基站面临着一个极其复杂的数学难题（NP-hard问题）：需要决定将哪些信道分给哪些用户，还要决定在不同信道、不同用户之间分配多少发射功率。科学家将问题拆解成了两个相对简单的步骤。

（1）研究人员假设所有信道分到的功率一样多，然后提出了一种低复杂度的匹配算法。这个过程像求职或相亲市场中的“双向匹配”：每个用户会根据自己所在位置的信号强弱，向最心仪的信道发送申请；而信道也会算一笔账，看哪两个用户组合在一起能提供最高的能量效率，从而决定接受还是拒绝。

（2）选定好信道和用户的搭配后，接下来就是要分配“能量预算”。由于功率分配是很难求出最优解的非凸优化问题，研究人员使用“凸函数差（DC）规划”的数学工具。它能将原本复杂的公式转化为一系列相对简单的子问题，通过计算机一步步迭代计算，找到一个能够进一步最大化能效的功率分配方案。

为了验证这套方案，科学家们进行了大规模的计算机模拟测试。他们模拟了一个带宽为5MHz的基站，在500米半径内随机分布着最多60名用户，基站的发射功率在1瓦到12瓦之间变化。实验测试结果如下：

测试显示，随着接入系统用户数量的增加，网络的总速率和能量效率都在提升（如图2和图3所示）。当用户数量达到30人时，使用了全新算法的NOMA系统不仅在数据总速率上比传统OFDMA技术高出12.5%，在能量效率上更是惊人地高出了33%。即使与不使用DC规划的普通平均功率NOMA分配相比，新算法的能效也高出了19%。

研究还揭示了一个重要的通信规律（如图5所示）。当基站刚开始增加发射功率时，系统的总能量效率会随之上升。但当功率达到一定水平后，能量效率反而开始下降。说明网络的传输能力和功率消耗之间存在一个平衡点，新算法能够通过捕捉这一平衡避免盲目加大功率带来的电量浪费。

在综合对比中（如图7所示），研究提出的基于DC规划的功率分配方案，无论是面对传统的OFDMA网络，还是面对行业内常用的部分发射功率分配（FTPA）策略，都在能效表现上拔得头筹。例如在20个用户的场景下，新算法的能效比OFDMA高出35%，比FTPA的分配方式高出30%。

学者介绍：程之申（Julian Cheng），大湾区大学信息科学技术学院院长、讲席教授，加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、IEEE Fellow、Optica Fellow。主要从事无线通信理论、无线光通信及无线网络研究，研究内容涉及无线数字通信、光无线通信、6G无线网络、无线网络资源分配与优化、机器人通信，以及机器学习在无线通信中的应用等方向，聚焦先进无线通信系统的理论建模、资源优化、通信与感知技术及原型系统研发。

ORCID：0000-0001-6310-8236

DOI：10.1109/TCOMM.2016.2594759