張達志

[摘? ? 要] 在社會經(jīng)濟高速發(fā)展的社會環(huán)境下，人們對通信能效的要求越來越高。本文共分為四個部分：前三個部分對5G網(wǎng)絡、超密集網(wǎng)絡及基站休眠的算法類別進行介紹;第四部分針對5G超密集網(wǎng)絡在運行時容易出現(xiàn)的能效問題進行分析，旨在為同行業(yè)相關人士提供參考建議。

[關鍵詞] 5G網(wǎng)絡;超密集網(wǎng)絡;能效;基站休眠

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 073

[中圖分類號]? TP393? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）17- 0190- 02

0? ? ? 前? ? 言

現(xiàn)階段，基于智能設備的終端網(wǎng)絡使用量不斷增長，為人們的生活和工作帶來了便捷的服務。為了提升網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，研究人員開始致力于研發(fā)新型的通信技術，超密集網(wǎng)絡就是其中的主要代表。但隨著應用不斷擴大，結構越來越復雜化，網(wǎng)絡耗能較高的問題越來越嚴重，不利于網(wǎng)絡整體發(fā)展的向下推進。

1? ? ? 5G概述

3GPP標準化組織和ITU標準化組織是5G網(wǎng)絡標準化中的決定性因素。3GPP標準化組織是基于ITU標準化的相關要求形成的專業(yè)的業(yè)務規(guī)范和技術規(guī)范;ITU標準化組織是聯(lián)合國官方的相關機構，該機構內(nèi)部結構部門齊全，具有多個功能的工作組，其中ITU-RWP5D是制定5G網(wǎng)絡發(fā)展方向和檢測5G網(wǎng)絡發(fā)展進度的重要決策人。當下，該部門已經(jīng)對5G網(wǎng)絡發(fā)展的時間表進行階段性制定：

第一階段：在2016年年初，以宏觀為描繪點對5G網(wǎng)絡的形態(tài)、技術發(fā)展、未來發(fā)展趨勢等進行描述，并且獲得相關的發(fā)展資源。

第二階段：在2018年年初，爭取完成技術層面的相關準備工作。ITU開始在全世界發(fā)送技術征集的相關通知，并在結束后對收集到的技術進行評估和移交候選。

第三階段：即當下，是5G網(wǎng)絡的技術選擇階段，由各大有實力的企業(yè)和國家向部門提出各種應用方案，ITU聯(lián)合各個互聯(lián)網(wǎng)專家對這些方案進行評估和選擇，最終找出可行性較高的應用方案。這些流程預計將在2020年完成，屆時公布5G網(wǎng)絡的最終技術標準[1]。

現(xiàn)階段，5G通信網(wǎng)絡的關鍵技術有以下幾個方面：

一是多天線的新型傳輸方式。為了拓展通信網(wǎng)絡的最大容納量，滿足各個接入的需求，研發(fā)人員將傳統(tǒng)的二維天線技術擴大到三維，將無源變成有源，提升了網(wǎng)絡整體的發(fā)展質(zhì)量，已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡關注度最高的技術之一。這種技術可以滿足大量用戶在同一時間傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了用戶的等待時間。同時這些天線相互交錯，能夠提升網(wǎng)絡的能耗，降低不同鏈路間的能量發(fā)射頻率，維護用戶間的信道關系，弱化系統(tǒng)運行時的干擾和雜音。

二是同頻同時通信。這種技術可以將發(fā)射終端和接收終端以相同的頻率進行實時通信，沖破了傳統(tǒng)分時雙工模式和分頻雙工模式的固有約束。理論上，這種技術可以將頻譜的工作效率提升整整一倍。但干擾問題也是影響通信網(wǎng)絡工作效能的重要因素，因此工作人員通常采用天線消除干擾技術和數(shù)字消除干擾技術約束干擾問題。

三是D2D通信。這是一種類似于蜂窩形狀的傳輸技術，適用于近距離且直接的傳輸工作，基站在這個通信過程中不再參與信息的中轉(zhuǎn)傳輸和處理。D2D通信技術的主要特點就是傳輸速度非常高效、能夠降低用戶終端設備的能耗和接收延時，繼而優(yōu)化通信網(wǎng)絡的整體性能。

四是超密集網(wǎng)絡。擁有10倍以上的網(wǎng)絡傳輸節(jié)點，且每個節(jié)點間的距離小于10的網(wǎng)絡就叫作超密集網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡傳輸節(jié)點與基站間形成相對獨立的立體結構，不僅改善了基站壓力較大的問題，還弱化了網(wǎng)絡覆蓋形成的相關盲區(qū)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的無縫銜接。

五是新型網(wǎng)絡結構。為了能夠滿足通信網(wǎng)絡的各種功能需求，網(wǎng)絡結構開始以扁平化、高效率、高安全為基準形成網(wǎng)絡機制。5G通信網(wǎng)絡分離了核心網(wǎng)絡和接口接入技術，將其他可應用的技術充分融合到核心技術網(wǎng)絡中去，滿足了網(wǎng)絡結構的拓展需求，增加了網(wǎng)絡運行的靈活度。

2? ? ? 超密集網(wǎng)絡概述

當下，信息數(shù)據(jù)的傳輸呈爆炸式增長趨勢，現(xiàn)有的基站同構網(wǎng)絡已經(jīng)不能夠滿足用戶的個性化需求，開始朝著異構網(wǎng)絡的方向發(fā)展。這種網(wǎng)絡架構能夠降低節(jié)點的耗能，對信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁窟M行分流，緩解網(wǎng)絡形成的各種壓力。超密集網(wǎng)絡中的小小區(qū)的工作能耗較低，組網(wǎng)形式比較靈活，應用比較廣泛，尤其適用于盲點覆蓋和熱點追蹤。小小區(qū)的技術種類較多，如微蜂窩、小微蜂窩、天線分布技術和基站家庭式服務等等，這些技術都可以幫助5G網(wǎng)絡分流數(shù)據(jù)流量[2]。

3? ? ? 基站休眠的具體算法

一是集中式基站的休眠算法。具體流程如下：其一將含載量為空的小基站用集合的形式標記，命名為集合D，將其他的小基站關閉;如果系統(tǒng)中沒有載量為空的小基站，就將初始化集合D定為空集合。其二，系統(tǒng)服務器將通信網(wǎng)絡中所有小基站的運行狀態(tài)進行記錄和整合，計算出最終的能耗量，并以此為基礎對小基站進行排序。其三，在排序后的小基站序列中選擇出低能效比例為a的基站，并關閉其集合T，初始化的小基站關閉數(shù)量為0。其四，將集合T中最大能耗的基站進行關閉，并將其覆蓋的小基站進行轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)移，使其執(zhí)行相關通信工作。其五，如果已經(jīng)關閉的小基站無法以其他形式通信，就必須要保持其運行的狀態(tài)，即S=S+{M}。其六，若已關閉的小基站用戶均以其他方式完成轉(zhuǎn)移，則完全關閉該基站，并在系統(tǒng)中更新用戶的網(wǎng)絡服務狀態(tài)，即D=D+{M}、offcount=offcount+1。其七，確定M小基站的開關情況，用集合來對其關閉狀態(tài)進行測試，集合為T=T-{M}，若測試結果不為零，則返回第四步驟重新開始。其八，若offcount/N的值小于設定的域值，則算法不成立，返回第二步重新進行計算;結果相反，即算法成立且結束[3]。

二是分布式基站的休眠算法。第一以每個小基站的周圍情況為基礎，累加其相鄰基站的數(shù)量，并將其作為基站的度。第二將度值最大的小基站和度值最小的小基站進行統(tǒng)一劃分，形成小基站集合。第三未劃分的小基站應按照第二個流程循環(huán)劃分集合，直到所有小基站都劃分完全。第四針對每個基站集合的效能數(shù)據(jù)進行能效比計算。將每個集合內(nèi)最小的基站作為測試基站進行關閉處理，并嘗試轉(zhuǎn)移基站內(nèi)的所有用戶，如果轉(zhuǎn)移成功，基站集合就會被關閉;反之則會保持原有的狀態(tài)。第五將所有組合的基站進行重新計算，比較統(tǒng)一基站的新舊能效值。若新集合的能效比值較大，則可以對基站進行關閉處理，并重新執(zhí)行第4步;若新集合的能效比值較小，則終止算法。

4? ? ? 5G超密集網(wǎng)絡能效問題在不同情況下的具體研究

4.1? ?基于超密集網(wǎng)絡的非鄰關系集合的基站集中式休眠算法

5G超密集網(wǎng)絡想要提升系統(tǒng)的總容量，全面實現(xiàn)網(wǎng)絡的全方面覆蓋，就必須要布置較多耗能較低的基站，這也充分說明了復雜多變且龐大的網(wǎng)絡容易消耗大量的能量。同時在超密集網(wǎng)絡工作的過程中，由于用戶使用位置的不確定性，經(jīng)常會導致傳統(tǒng)靜態(tài)的網(wǎng)絡基站發(fā)生負載量偏移和傾斜的問題，僅僅有一少部分仍保持正常的工作狀態(tài)，容易造成資源的多重浪費。因此，5G超密集網(wǎng)絡已經(jīng)成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要關注點，將基站進行休眠處理能夠緩解網(wǎng)絡耗能較大的問題，優(yōu)化網(wǎng)絡的整體運行能效。

根據(jù)本文的研究課題可知，需要將多個蜂窩和小蜂窩組成超密集網(wǎng)絡模型，覆蓋整個蜂窩區(qū)域。每個區(qū)域需要由基站的天線設備劃分三個定向的扇形區(qū)域，而小蜂窩采用無區(qū)域劃分制管理，并允許所有用戶以開放的方式進行接入。另外，基站需要時刻維持工作狀態(tài)，并對小基站的運行狀態(tài)進行判斷，以負載量為參考值決定其是否可以進行休眠。

為了滿足不相鄰小蜂窩的分組需求，需要完成如下幾個步驟：一是對已經(jīng)處于等待分組狀態(tài)的小蜂窩進行特殊標記，區(qū)分相似小蜂窩?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡規(guī)模的不同選擇不同的標記方式，例如根據(jù)小蜂窩周邊相鄰區(qū)域個數(shù)的奇偶來選擇標記方式，需要注意的是，最多選擇四種標記方式。二是將標記相同的小蜂窩區(qū)域進行分組，達到不相鄰小蜂窩分組的目的。

在結束分組后，為了降低系統(tǒng)整體的算法難度，省略基站不必要的測試次數(shù)，可以采用判決潛在休眠基站的機制執(zhí)行相關算法。潛在的休眠基站在進行休眠嘗試工作時，需要考慮用戶所在基站工作的覆蓋面積是否可以對休眠起到?jīng)Q定性影響。因此，相關人員必須要參照用戶的實際活動位置，選擇適合的基站運行模式。對于臨近基站周邊的用戶，可以進行轉(zhuǎn)移;但對于離基站位置較遠的用戶，短時間內(nèi)是不可能完成轉(zhuǎn)移工作的，這就造成了極大的資源能源浪費。基站運行的判決機制能夠根據(jù)小蜂窩的覆蓋情況對基站的休眠狀態(tài)和運行狀態(tài)進行判斷，安排用戶進行合理的轉(zhuǎn)移工作。由于小蜂窩基站消耗的功率較低，不能夠采用調(diào)節(jié)檔位較多的發(fā)射設備進行發(fā)射工作，基于此，基站在工作時需要選擇功率收縮模式，功率消耗量為原來的一半以上[4]。

4.2? ?基于5G超密集網(wǎng)絡的D2D中繼節(jié)能算法

為了防止休眠算法在實踐過程中增加網(wǎng)絡總體的耗能，還需要在系統(tǒng)運行時加入D2D中繼通信技術實現(xiàn)用戶的低能耗轉(zhuǎn)移。在D2D中繼通信連接鏈路時，需要按照標準選擇節(jié)點位置，研究人員經(jīng)過多年的研究找到一種D2D中繼通信的最優(yōu)質(zhì)連接方式，從根本上優(yōu)化了信息數(shù)據(jù)的傳輸頻率，滿足了用戶的個性化需求，但由于沒有將節(jié)點耗能問題進行充分考慮，在多次應用后被改進，形成了全新的以能耗為關注度的D2D中繼選擇方式，為5G超密集網(wǎng)絡的發(fā)展奠定了良好的基礎。

由于課題的限制，基站和小蜂窩集合組成的超密集網(wǎng)絡立體模式是我們探究的核心。由于基站位于本區(qū)域的中心點，方便其對整個區(qū)域進行覆蓋，而小蜂窩集合處于覆蓋區(qū)域的邊緣位置，局部覆蓋的需求較大，再加上資源的限制，因此應采用復式蜂窩鏈路的上行頻率完成D2D的中繼通信。另外，小蜂窩集合的覆蓋面積較小，容易產(chǎn)生較多的干擾，為了保障通信網(wǎng)絡的效能，就必須要采用單中繼D2D的雙跳模式進行工作。大量實驗結果表明，基站休眠式算法的融合應用既可以保障中繼線路的正常通信，還可以降低線路運行的能源損耗，達到節(jié)能的終極目標。

5? ? ? 結? ? 論

綜上所述，基于5G環(huán)境下的超密集網(wǎng)絡能效問題是現(xiàn)階段研究的熱點問題之一。由基站耗能和用戶終端耗能兩個方面為切入點對基站休眠時的中繼算法進行分析。工作人員在實際工作的過程中，需要參考上述理論選擇耗能量最適合的中繼算法，選擇耗能量最少、算法簡便的方式保障網(wǎng)絡的正常運行，進而達到節(jié)能減排的終極目標。

主要參考文獻

[1]張建敏，謝偉良，楊峰義.5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡架構及實現(xiàn)[J].電信科學，2016，32（6）：36-43.

[2]楊洪.面向5G超密集網(wǎng)絡的分布式中繼選擇方法[J].電子質(zhì)量，2016（6）：7-11.

[3]程敏.面向5G超密集組網(wǎng)的網(wǎng)絡規(guī)劃新技術[J].移動通信，2016，40（17）：28-29.

[4]蘇雄生.面向5G網(wǎng)絡的超密集組網(wǎng)探討[J].電信快報，2017（12）：6-8.