唐偉 陳婷 周明珠

深圳市國電科技通信有限公司 廣東 深圳 518109

引言

隨著5G通信的快速發(fā)展，其在人們的日常生活和工作中的應用越來越廣泛。然而，隨之而來的是5G通信系統(tǒng)所消耗的大量能源，給環(huán)境帶來了一定的壓力。因此，在5G通信工程的實際應用中，如何降低網(wǎng)絡的能耗成為一個亟待解決的問題。

1 5G移動通信技術的應用優(yōu)勢

1.1 更高的數(shù)據(jù)傳輸速率

5G網(wǎng)絡具有更高的傳輸速度，可以提供比4G網(wǎng)絡更快的數(shù)據(jù)下載和上傳速度。這對于高清視頻、虛擬現(xiàn)實、云服務等應用來說非常重要，用戶可以更流暢地觀看高質量的視頻內容，進行實時云計算和協(xié)同工作[1]。

1.2 更低的網(wǎng)絡延遲

5G網(wǎng)絡的延遲更低，通信響應更快。這對于實時應用非常關鍵，如自動駕駛車輛、智能工業(yè)控制系統(tǒng)和遠程醫(yī)療等。較低的延遲可以提供更高的實時性和精確性，為這些應用帶來更好的用戶體驗和可靠性。

1.3 更大的容量連接

5G網(wǎng)絡支持更大規(guī)模的設備連接，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用中海量設備的需求。這對于智慧城市、智慧家居、智慧工廠等應用來說非常重要，可以實現(xiàn)更廣泛的設備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。

1.4 多樣化的應用場景

5G網(wǎng)絡不僅可以滿足移動通信的需求，還可以廣泛應用于智能交通、工業(yè)自動化、醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等領域。通過5G技術，可以實現(xiàn)遠程手術、智能交通管理、智能制造等創(chuàng)新應用，推動各行各業(yè)的數(shù)字化轉型和發(fā)展。雖然5G移動通信技術帶來了許多應用優(yōu)勢，但同時也需要重視其能耗問題。

2 5G基站的能耗特點

2.1 增加的功耗

5G基站相比于4G基站，在傳輸數(shù)據(jù)和計算能力上有了顯著提升。這主要是由于5G的高頻率、大帶寬及更高的數(shù)據(jù)處理需求所致。因此，5G基站的功耗相對較高。

2.2 小尺寸和高密度

為了實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡容量和覆蓋范圍，5G基站需要在城市和人口密集地區(qū)部署大量的小型基站。這些基站通常具有小尺寸和高密度，雖然其能耗相對較低。然而基站數(shù)量的增加導致了整體的能耗增加。

2.3 多天線系統(tǒng)

5G基站采用了多天線系統(tǒng)，如Massive MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）技術，以提供更好的信號質量和網(wǎng)絡性能。多天線系統(tǒng)將導致更高的能耗，因為需要更多的天線和功放等設備來處理信號。

2.4 超密集組網(wǎng)

5G網(wǎng)絡中往往采用超密集組網(wǎng)的方式，即基站之間的距離更近，以提供更高的容量和更低的時延。超密集組網(wǎng)可能導致基站之間的干擾增加，從而需要更多的功率來傳輸和接收信號。

為了應對5G基站的高能耗，通過技術和能源管理的不斷優(yōu)化，可以在保障應用優(yōu)勢的同時，降低5G技術的能源消耗。

3 5G網(wǎng)絡中的節(jié)能技術

3.1 5G AAU深度休眠技術

網(wǎng)絡節(jié)能技術則是解決這一問題的有效途徑之一[2]。其中，5G AAU深度休眠技術是目前被廣泛采用的一種網(wǎng)絡節(jié)能技術。

首先，5G AAU深度休眠技術可以對5G基站中的射頻單元和數(shù)字單元進行分別的控制，實現(xiàn)差異化管理。只有當數(shù)據(jù)傳輸時才開啟AAU的數(shù)字單元，而射頻單元休眠，從而實現(xiàn)節(jié)能。同時，該技術還采用了定時喚醒、預熱等創(chuàng)新策略，加速AAU從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的切換。

其次，5G AAU深度休眠技術還采用了隨機振蕩技術。在AAU休眠狀態(tài)下，通過周期性地調整休眠時間，使得休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的切換更加隨機，避免了所有AAU同時喚醒造成的網(wǎng)絡擁堵問題。該技術還可以自適應、動態(tài)調整AAU的休眠和喚醒時間，以達到更好的網(wǎng)絡平衡和能效。

最后，5G AAU深度休眠技術是一個比較創(chuàng)新的網(wǎng)絡節(jié)能技術，通過差異化管理、定時喚醒、預熱、隨機振蕩等手段，實現(xiàn)了5G基站的能耗控制。此外，該技術還具有智能性、自適應性和靈活性等多種優(yōu)勢，使得其在5G通信工程中的應用更為廣泛。

3.2 符號關斷節(jié)能技術

在5G網(wǎng)絡中，有許多節(jié)能技術被用于減少基站和終端設備的能耗。其中，符號關斷節(jié)能技術是一項重要的技術之一。

符號關斷節(jié)能技術，即在無須傳輸數(shù)據(jù)時將發(fā)送符號的發(fā)射功率降低或關閉，以達到節(jié)能的目的。這種節(jié)能技術可以在空閑時段或低負載時關閉部分或全部發(fā)射符號，從而減少了無用的電力消耗。具體來說，符號關斷節(jié)能技術有以下幾個方面的應用。

空閑時段的符號關斷：在5G網(wǎng)絡中，空閑時段是指某些時候沒有用戶數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臅r段。在這些時段，基站可以選擇關閉發(fā)送符號的功放器件，從而降低功耗。

低負載時的符號關斷：在需要傳輸數(shù)據(jù)但負載較低的情況下，可以通過降低發(fā)送符號的發(fā)射功率來實現(xiàn)節(jié)能。例如，在需要傳輸短數(shù)據(jù)包或低速率數(shù)據(jù)時，可以選擇降低發(fā)送符號的發(fā)射功率，從而達到節(jié)能的效果。

動態(tài)調整符號關斷策略：符號關斷節(jié)能技術也可以根據(jù)網(wǎng)絡負載情況進行動態(tài)調整。通過應用符號關斷節(jié)能技術，5G網(wǎng)絡可以有效降低基站和終端設備的能耗，提高整個網(wǎng)絡的能源利用效率。這將有助于減少對電力資源的需求，降低運營成本，并對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

3.3 通道關斷節(jié)能技術

通道關斷奇偶位判決（Channel State Information Feedback /Feedback with Acknowledgement（CSI-FB））是一種5G通信中的高效能耗控制方法。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)常需要進行差錯糾正，因此需要使用復雜的前向糾錯編碼技術，在這種情況下，每一個通道都要保持打開的狀態(tài)并處于傳輸狀態(tài)，以便及時檢測和糾正錯誤[3]。

而在5G通信系統(tǒng)中，通過在設備端和網(wǎng)絡端應用CSI-FB技術，可以在數(shù)據(jù)傳輸沒有錯誤時關閉通道，從而實現(xiàn)節(jié)能。具體而言，CSI-FB技術通過在通信過程中定期請求通道狀態(tài)信息，并對通道狀態(tài)進行監(jiān)測和反饋，可以動態(tài)地根據(jù)不同的通信質量和數(shù)據(jù)需求來關閉或開啟傳輸通道，從而降低不必要的能耗。

3.4 儲能技術應用

5G通信是一種高能耗的應用場景，在網(wǎng)絡建設和設備制造加速發(fā)展的同時，如何實現(xiàn)高傳輸質量和低能耗之間的平衡是一個重要的課題。儲能技術的應用可以有效地解決此問題。在5G通信工程中，儲能技術可以通過以下兩種方式應用。

3.4.1 能量自回收技術。能量自回收技術在5G通信的基站和用戶終端設備中都可以應用。當設備間進行通信時，其產(chǎn)生的無線信號被接收到并轉換成電能，經(jīng)過放大和處理后，可以用于提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，降低設備的能耗。

3.4.2 瞬間突發(fā)模式管理技術。瞬間突發(fā)模式管理技術適用于應對5G通信中突發(fā)性的高負載場景。當網(wǎng)絡中存在大量傳輸任務需要同時完成時，通信設備需要快速響應和處理數(shù)據(jù)，此時往往會導致設備的功耗飆升。通過結合儲能技術，可以將網(wǎng)絡中閑置的能量儲存起來，以應對突發(fā)性的高負載場景，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。

總之，儲能技術的應用可以有效地減少網(wǎng)絡中的能耗，提高5G通信的穩(wěn)定性和可靠性，在未來的5G應用中具有廣泛的應用前景[4]。

3.5 D2D通信技術應用

D2D（設備到設備）通信技術是5G通信中的一項重要技術，它可以實現(xiàn)設備之間直接通信，減少對網(wǎng)絡基礎設施的依賴，從而降低能量消耗，實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)能。在5G通信工程中，D2D通信技術可以通過以下方式實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)能。

3.5.1 直接通信。D2D技術可以讓設備之間直接通信，不需要借助基站進行轉發(fā)和傳輸數(shù)據(jù)，因此可以減少網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸路徑和設備功耗。這種直接通信的方式可以在緩解網(wǎng)絡擁塞的同時，減少能量消耗和降低網(wǎng)絡延遲，促進網(wǎng)絡節(jié)能效果的實現(xiàn)。

3.5.2 資源共享。D2D通信技術還可以讓設備共享資源，如共享設備的存儲空間、處理器等硬件資源。通過這種方式，可以實現(xiàn)節(jié)約網(wǎng)絡能源，在不影響通信信號傳輸質量的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)絡性能的提升。

3.5.3 群組通信。D2D通信技術還可以支持群組通信，即設備之間可以形成局域網(wǎng)，促進信息溝通和交流。由于群組通信是在設備之間進行，不需要傳輸?shù)交具M行處理，因此能夠降低網(wǎng)絡擁塞和網(wǎng)絡延遲，同時實現(xiàn)了節(jié)能效果。

綜上所述，D2D通信技術是5G通信工程中的一項重要技術，它可以有效地促進網(wǎng)絡節(jié)能，降低網(wǎng)絡能耗，提高網(wǎng)絡性能。同時，D2D通信技術還可以支持實時通信、群組通信等應用場景，為用戶提供更好的使用體驗。

3.6 共建5G專網(wǎng)

共建5G專網(wǎng)是5G通信工程中的一項網(wǎng)絡節(jié)能技術，可以通過讓不同行業(yè)之間共建、共享5G網(wǎng)絡基礎設施，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)能。具體來說，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡建設中，每個企業(yè)或機構都需要獨立建設自己的網(wǎng)絡基礎設施，包括基站和光纜等。這種方式雖然可以為企業(yè)提供更好的網(wǎng)絡服務，但每個企業(yè)都需要獨立承擔網(wǎng)絡建設成本和能耗，造成了資源和能源浪費。共建5G專網(wǎng)則能夠解決此問題，因為不同行業(yè)之間可以共建、共享5G網(wǎng)絡基礎設施。

4 5G通信工程應用前景

5G通信工程在應用前景方面表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展?jié)摿?，具體包括以下幾個方面。

物聯(lián)網(wǎng)連接：5G技術將大幅提升物聯(lián)網(wǎng)的連接性能和可擴展性。通過支持大規(guī)模設備連接和低時延通信，5G可以實現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)應用，從智慧城市到工業(yè)自動化等領域都將得到進一步推動。

車聯(lián)網(wǎng)和智能交通：5G通信能夠為車輛間、車輛與基礎設施之間的通信提供高速、低時延、可靠的能力，從而支持智能交通系統(tǒng)的實現(xiàn)。通過實時數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同決策，5G可促進交通流量管理、智能駕駛和車輛安全等方面的創(chuàng)新應用。

遠程醫(yī)療和健康監(jiān)護：5G通信提供的高帶寬和低時延特性，使得遠程醫(yī)療和健康監(jiān)護應用更加可行。醫(yī)生可以通過高清視頻和實時傳感器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)遠程診斷和手術指導，同時患者也能得到更方便、及時的醫(yī)療服務。

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實：5G的大容量和低時延使得虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術得到進一步發(fā)展。用戶可以更流暢地享受沉浸式游戲、虛擬旅游、遠程教育等體驗，同時應用于工業(yè)設計在內的領域也將得到推動。

5 結束語

隨著5G通信的快速發(fā)展，網(wǎng)絡節(jié)能技術在其中的應用變得越來越重要。網(wǎng)絡節(jié)能技術可以有效地降低5G通信系統(tǒng)的能耗，提高網(wǎng)絡的效率和可靠性。但是，在實際應用中，仍然存在一些技術上的瓶頸和工程上的挑戰(zhàn)，需要更進一步的研究和探索。因此，今后的研究方向和發(fā)展應該是更加注重將各種節(jié)能技術結合起來，打造全面的網(wǎng)絡節(jié)能解決方案，并通過實際應用驗證其可行性和有效性。只有這樣，才能夠真正實現(xiàn)5G通信系統(tǒng)的綠色發(fā)展，為人們帶來更加高效、穩(wěn)定和環(huán)保的網(wǎng)絡服務。