宋穎

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5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望

宋穎

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，通信質(zhì)量也不斷提升，5G時(shí)代聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目逐漸增多，能耗也越來(lái)越大。在5G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時(shí)代，必須積極研究如何控制通信系統(tǒng)的能耗。因此，對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并且對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)綠色發(fā)展技術(shù)進(jìn)行了分析，旨在為5G通信網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。

5G通信；綠色網(wǎng)絡(luò)；云計(jì)算；能量效率

引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是人們生活中常用的通信交流載體。從當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)看，4G是使用最多的技術(shù)。在4G的基礎(chǔ)上，通信行業(yè)又開(kāi)始加強(qiáng)5G通信技術(shù)的研究。簡(jiǎn)單來(lái)講，5G通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、終端、無(wú)線(xiàn)和各種業(yè)務(wù)的進(jìn)一步融合。與4G相比，其性能有很大程度的提升。5G通信可以使人在感知方面獲取更強(qiáng)的控制能力，而且5G通信的服務(wù)對(duì)象將從公眾用戶(hù)向行業(yè)用戶(hù)拓展，網(wǎng)絡(luò)也將變得更加智能化，其覆蓋范圍也將更加廣泛。從當(dāng)前的研究情況來(lái)看，2012年開(kāi)始正式研究5G通信技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)取得了一定成就。各個(gè)國(guó)家已經(jīng)在5G通信的概念以及關(guān)鍵技術(shù)上達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。這為5G通信技術(shù)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。與當(dāng)前普遍通用的4G技術(shù)相比較而言，5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，比如傳輸速率更快、聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目增加、可靠性大幅度提升等。

1 5G時(shí)代的能量損耗

5G通信技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，信息與通信行業(yè)的能量損耗問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，占全球能耗總量的10%左右，如此巨大的能耗成為通信行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要阻礙。在節(jié)能型社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)能耗的控制，以低能耗、低成本作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，不斷改善信息與通信技術(shù)的研發(fā)方向，減少其能耗。對(duì)于5G通信技術(shù)而言，其能耗主要體現(xiàn)在各種通信業(yè)務(wù)的負(fù)載上。隨著用戶(hù)數(shù)量不斷增多，通信能耗也將呈現(xiàn)幾何式增長(zhǎng)。為了給人們帶來(lái)更加良好的通信體驗(yàn)，各大運(yùn)營(yíng)商的基站數(shù)量不斷增加，比如2010年電信的基站數(shù)量為30萬(wàn)個(gè)，到2015年增加為40萬(wàn)個(gè)，移動(dòng)的基站數(shù)量從2010年的55萬(wàn)個(gè)增加到2015年的120萬(wàn)個(gè)[1]。由此可見(jiàn)，用戶(hù)數(shù)量增加，必然也會(huì)導(dǎo)致通信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本增加，基站數(shù)量以及基站在日常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的能耗巨大。對(duì)于即將到來(lái)的5G通信時(shí)代，通信業(yè)務(wù)量還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)，幾乎呈爆炸式增長(zhǎng)，通信設(shè)備的能耗問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。相關(guān)資料顯示，信息和通信行業(yè)將成為未來(lái)全球第五大能耗產(chǎn)業(yè)。5G通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是信息通信行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，如何研究控制5G通信技術(shù)的能耗，實(shí)現(xiàn)5G通信網(wǎng)絡(luò)綠色發(fā)展，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2 5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信的關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

加強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)的研究是未來(lái)通信行業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)前確定的基本方向是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)部署、資源充分調(diào)度、鏈路級(jí)技術(shù)等方面著手，減少5G通信網(wǎng)絡(luò)的能耗。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，主要采用扁平化IP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且可以在不同的層次之間實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)，使各種無(wú)線(xiàn)資源被更高效地管理起來(lái)，使得用戶(hù)可以在核心網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)縫切換。扁平化IP形式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以減少傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一些比較冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)通道中的網(wǎng)元數(shù)量和傳輸過(guò)程中的能量損耗不斷減少，從而縮減整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的成本。同時(shí)，5G通信網(wǎng)絡(luò)還會(huì)接觸云計(jì)算建設(shè)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括操作十分靈活的接入云、開(kāi)放智能的控制云、高效低成本的轉(zhuǎn)發(fā)云等部分，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)可以充分利用各種資源，進(jìn)行劃分和管理，并且通過(guò)云端的無(wú)線(xiàn)接入以及節(jié)點(diǎn)的虛化過(guò)程，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)傳輸盡量降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。軟件定義網(wǎng)絡(luò)還可以將路由器中的路由決策功能從設(shè)備中分離出來(lái)，由中心控制器對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一控制，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程和轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的相互分離，使控制過(guò)程變得更靈活、更簡(jiǎn)便。

2.2 網(wǎng)絡(luò)部署

在5G通信網(wǎng)絡(luò)中采用基站分層部署的策略，可以提高通信效率，降低能耗。具體來(lái)講，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新部署分配，可以設(shè)置家庭基站、微微蜂窩基站、微蜂窩、中繼等多種節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的功率較低，但是系統(tǒng)的容量較高。當(dāng)前常用的宏基站主要是為了擴(kuò)大通信信號(hào)的覆蓋范圍，但是微蜂窩以及微微蜂窩與宏基站正好相反，可以用于通信頻率較高的密集場(chǎng)所，與宏基站相互配合，在宏基站覆蓋范圍之內(nèi)，采用各種功率較低的節(jié)點(diǎn)，提高人們的通信質(zhì)量，而且通過(guò)這些微小的節(jié)點(diǎn)可以將通信站點(diǎn)之間的距離縮小到10?m甚至是更小的范圍之內(nèi)，形成超級(jí)密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提高人們的通信質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，分層基站部署方式可以大大降低通信網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。一個(gè)宏基站大約需要5?kW的功率，但是一個(gè)微微蜂窩基站大約只需要10?W的功率。即使安裝多個(gè)微蜂窩或者微微蜂窩，其總能耗也達(dá)不到一個(gè)宏基站的能耗，對(duì)于人流量比較大的區(qū)域十分適用[2]。

2.3 資源調(diào)度

通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，初期一般會(huì)按照網(wǎng)絡(luò)流量的高峰期來(lái)進(jìn)行資源需求設(shè)計(jì)和分配，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)流量是隨時(shí)變化的，不同的地區(qū)有不同的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出來(lái)的流量高峰期也是隨時(shí)不定的。人們通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)流量一般會(huì)出現(xiàn)“晝高夜低”的現(xiàn)象，但是在工作區(qū)和住宅區(qū)其實(shí)是正好相反的，網(wǎng)絡(luò)流量和基站的冗余量相關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量降低的時(shí)候，基站的容量冗余嚴(yán)重，造成的能量損耗也比較嚴(yán)重。所以，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的有效控制，是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中的重點(diǎn)。當(dāng)基站的負(fù)載較低的時(shí)候，可以通過(guò)信令控制發(fā)出指令，讓一部分基站開(kāi)始進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)相鄰基站承擔(dān)休眠基站之前所覆蓋的區(qū)域的業(yè)務(wù)傳輸和容量補(bǔ)償。這種相互配合、相互合作的方式可以讓一部分基站“休息”，而剩余的基站也可以完成相應(yīng)的工作，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的合并過(guò)程。

2.4 鏈路級(jí)技術(shù)

5G通信網(wǎng)絡(luò)還可以采用先進(jìn)的鏈路技術(shù)對(duì)能耗進(jìn)行控制，主要有以下幾種。

第一，高階MIMO技術(shù)。這種技術(shù)是通過(guò)在基站端放置大規(guī)模天線(xiàn)陣列，使得用戶(hù)之間的矢量信息趨于正交，從而消除用戶(hù)之間的干擾，實(shí)現(xiàn)信息有效傳輸。高階MIMO對(duì)于基站的能耗以及成本的控制有十分重要的作用。隨著基站天線(xiàn)的數(shù)量不斷增加，基站可以對(duì)放大器進(jìn)行更換，盡量選擇一些能耗較低的放大器，達(dá)到信號(hào)放大的目的，同時(shí)降低能耗。

第二，設(shè)備到設(shè)備技術(shù)。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中有一種新技術(shù)，即直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備之間的傳輸，不需要基站就可以實(shí)現(xiàn)通信。這種方法對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接和通信方式進(jìn)行擴(kuò)展，使得信道的質(zhì)量更高，資源的利用頻率也不斷提高，鏈路變得越來(lái)越靈活，網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越可靠。

第三，非正交多址接入。這種技術(shù)是將同一個(gè)資源分配給不同用戶(hù)的技術(shù)，可以提高資源的利用率，間接實(shí)現(xiàn)能耗的控制。

2.5 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)在通信領(lǐng)域中受到的關(guān)注程度很高。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，這種技術(shù)得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，利用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在相同頻譜上，同時(shí)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)，從而大大提高通信的效率，減少能耗。與傳統(tǒng)的TDD和FDD方式相比較而言，這種技術(shù)可以使頻譜效率提高一倍以上，而且可以突破傳統(tǒng)技術(shù)中的品牌資源的使用限制問(wèn)題，使頻譜資源的利用更靈活。但需要注意的是，全雙工技術(shù)對(duì)抗干擾能力的要求較高，必須加強(qiáng)對(duì)抗干擾技術(shù)的研究。在多組天線(xiàn)以及組網(wǎng)的情況下，干擾較為嚴(yán)重，這種技術(shù)應(yīng)用的難度也比較大。

3 5G綠色通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向

從上文的分析可以看出，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過(guò)多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色通信，減少通信過(guò)程中的能耗。但是也必須要注意相關(guān)的問(wèn)題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施過(guò)程中一般都是按照網(wǎng)絡(luò)流量的峰值來(lái)計(jì)算的，從而對(duì)通信基站進(jìn)行部署，沒(méi)有考慮到網(wǎng)絡(luò)的“潮汐效應(yīng)”，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的難度較大，還很容易造成資源利用率較低、能耗較高的情況。因此在未來(lái)的研究和發(fā)展過(guò)程中，可以加強(qiáng)對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)能量效率，對(duì)用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)特征進(jìn)行研究，并且建立相應(yīng)的大數(shù)據(jù)模型，對(duì)大數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析。當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要集中在應(yīng)用層面，未來(lái)需要對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、分析，合理地布置采集數(shù)據(jù)的接點(diǎn)。通過(guò)對(duì)各種數(shù)據(jù)的采集和深度挖掘，研究用戶(hù)的行為以及各種業(yè)務(wù)的特征，建立完整的時(shí)空模型，從而為研究網(wǎng)絡(luò)流量的特征提供幫助，計(jì)算得出合理的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)模型[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也越來(lái)越深入。為了獲得較高的傳輸效率，對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究必須從多方面著手，在提高通信傳輸水平的同時(shí)還要注意通信過(guò)程中的能耗，提高綠色節(jié)能技術(shù)，結(jié)合節(jié)能減排的理念，促進(jìn)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

[1]游思晴，齊兆群. 5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望[J]. 移動(dòng)通信，2016，40（20）：31-35.

[2]王胡成，徐暉，程志密. 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電信科學(xué)，2015，31（9）：149-155.

[3]甄仲?gòu)?qiáng). 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)綠色通信關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（28）：1638.

Current Research and Prospect of 5G Network GreenCommunication Technology

Song Ying

Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

With the continuous development of the mobile communication network, the communication quality has been continuously improved. The number of connected devices in the era of 5G has gradually increased, and the energy consumption is increasing. In the development of 5G communication network, it is necessary to actively study how to control the energy consumption of communication system. The paper analyzes the characteristics of 5G communication network and analyzes the green development technology of 5G communication network, aiming at providing theoretical support for the development of 5G communication network research technology.

5G communication; green networks; cloud computing; energy efficiency

TN929.5

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