淺談綠色無線通信技術

楊隨虎

摘要：目前，移動通信正朝著綠色通信的方向發(fā)展，網(wǎng)絡中的基站節(jié)能是綠色無線通信的重點。該文簡要介紹了網(wǎng)絡節(jié)能的相關技術，包括認知無線電、協(xié)作中繼、小區(qū)縮放及云計算等，這些技術將在綠色通信的發(fā)展中起到巨大的作用。

關鍵詞：綠色通信； 認知無線電； 協(xié)作中繼； 小區(qū)縮放； 云計算

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）31-7298-02

Abstract： The mobile communications is developing towards the green communications nowadays in which the energy saving of base stations in networks is the focuses. The relevant technologies of the network energy saving is discussed， including cognitive radio， cooperative relaying， cell zooming and cloud computing. These techniques will play a big role in developing the green communications.

Key words： green communication； cognitive radio； cooperative relaying； cloud computing

隨著通信技術的迅猛發(fā)展，移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了第一代到4G的演進，手機用戶越來越多，網(wǎng)絡制式越來越復雜，各種異構網(wǎng)絡并存，由此引起的蜂窩網(wǎng)的覆蓋也越密集。同時，移動通信支持的速率由幾kbit/s將上升到未來的Gbit/s量級，移動通信的寬帶化促進了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的翻倍增長。如此多的用戶、業(yè)務和網(wǎng)絡部署使得蜂窩網(wǎng)絡的能耗不斷增長，據(jù)統(tǒng)計，信息通信產(chǎn)業(yè)已成為全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)，其[CO2]的排放量占全球的2%左右，每年用于網(wǎng)絡設備和環(huán)境維護的費用約為150億美元。因此需要不斷倡導綠色通信，在關注通信速率、頻譜利用率的提高和網(wǎng)絡時延的縮短的同時，也應重點考慮通信網(wǎng)絡的能耗問題。

對于一個典型的蜂窩網(wǎng)絡而言，基站是其網(wǎng)絡各元素中能量消耗比例最大的，接近60%，而基站中的功放和空調(diào)耗電又占主導地位。一個典型的3G基站其功率大約為500W，這將導致一年的電能消耗為4.5MWh。設有12000個基站的3G系統(tǒng)，年消耗電能可達50GWh，并產(chǎn)生大量[CO2]。

要提高通信系統(tǒng)的能量效率，包括減少基站的能量消耗，可以有多種方法。包括有效的網(wǎng)絡架構設計，基站協(xié)作功率管理，認知無線電，中繼等。我們將簡要探討這些節(jié)能技術。

1 綠色無線通信技術

1.1 認知無線電

認知無線電是一個智能無線電，它能和周圍環(huán)境進行交互而改變發(fā)射機參數(shù)，達到某種系統(tǒng)優(yōu)化的效果。它的首要任務是頻譜感知，也就是在認知節(jié)點通過對無線電頻譜進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，伺機接入授權頻譜，在不對主用戶干擾的情況下共享頻譜資源。認知無線電通過這種方式極大的提高了頻譜利用率，解決了頻譜匱乏問題。于是根據(jù)香農(nóng)容量公式，在一定的通信容量下，所用功率和帶寬是互換的。也就是說，通過對頻譜進行動態(tài)管理，獲取更大的信道帶寬，就可以極大的節(jié)約功率資源，達到節(jié)能的目的。同時，認知無線電通過認知無線環(huán)境，動態(tài)地調(diào)整發(fā)射機參數(shù)，比如，選擇信道衰落較小的頻譜和相應的調(diào)制和編碼方式，可以降低所需的功率消耗。

當然，認知無線電不僅在頻譜利用方面綠色節(jié)能，在網(wǎng)絡方面的認知和重配置也將對綠色通信起到巨大的作用[1]。目前，無線移動通信領域技術體制和標準眾多，出現(xiàn)了各種獨立的系統(tǒng)和網(wǎng)絡平臺，這在一定程度上滿足了各種業(yè)務需求。但這種異構無線接入技術并存的現(xiàn)象導致了網(wǎng)絡建設成本的增加和運營管理的困難，用戶也不能獲得無縫而滿意的服務，造成電力能源的極大消耗。為了解決網(wǎng)絡異構性融合問題，構建統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結構，需要采取認知無線網(wǎng)絡技術。認知無線網(wǎng)絡通過對無線資源、網(wǎng)絡、業(yè)務等多域信息進行交互，改變網(wǎng)元屬性，進行自適應管理、資源優(yōu)化和重配置，形成新網(wǎng)絡。認知無線網(wǎng)絡和綠色無線通信的關系表現(xiàn)在：網(wǎng)元通過認知信息流獲取重配置因素，從而通過重配置進行統(tǒng)一規(guī)劃和改變終端軟件來省掉重復建設。因此將極大地節(jié)約資源和能源，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.2 協(xié)作中繼

在無線信道進行信息傳輸時，會發(fā)生路徑損耗、陰影效應和各種衰落。要達到可靠的數(shù)據(jù)連接，基站必須發(fā)射足夠的功率來保證小區(qū)覆蓋，這種大功率的發(fā)送導致基站和手機的耗能大大增加。然而，如果采用多跳通信，也就是中繼的方式，將基站和移動用戶之間的路徑分為若干較短的鏈路，則可以降低各種損耗和衰落對無線信號的影響。研究表明，中繼方式可以減小系統(tǒng)的傳輸功率和延長電池壽命。

協(xié)作中繼通信可分為兩種方式[2]，一種是設置固定的中繼節(jié)點，另一種是設計網(wǎng)絡和終端，使移動用戶成為中繼。在網(wǎng)絡覆蓋內(nèi)的中繼節(jié)點，作為一個網(wǎng)元，擁有對數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、調(diào)度和路由功能，而不僅僅起到放大發(fā)送的作用。對于固定中繼，可以通過提升基站密度的方式來實現(xiàn)，此時也可達到降低能耗的目的，但建設新基站將浪費大量資源。而協(xié)作中繼節(jié)點卻有良好的特性。它可以在覆蓋一定區(qū)域的條件下以較低的高度和低功率發(fā)送，和基站及移動用戶無線連接，省去了繁雜線路和接口，還有不需要復雜的路由算法等。對于移動用戶中繼節(jié)點，其擁有位置靈活，可以增加數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)的穩(wěn)健性，不需要專門設置固定中繼等優(yōu)點，但終端需要有算法和協(xié)議的支持，增加了系統(tǒng)的復雜度。

1.3 小區(qū)縮放

隨著移動通信的發(fā)展和用戶對高數(shù)據(jù)速率的要求，蜂窩網(wǎng)絡由單一制的宏小區(qū)逐漸向微小區(qū)、微微小區(qū)和家庭基站等形式演變，這在一定程度上減少了系統(tǒng)的功耗，但由于移動業(yè)務地理上的波動性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)性，基站的能耗還是浪費很大。比如，居民區(qū)白天的流量較小而晚上較大，而市中心白天的流量要大得多。如果通過流量均衡關閉一些流量較小的基站，則可實現(xiàn)能耗的大幅降低。

小區(qū)縮放技術可以實現(xiàn)上述功能[3]。假定移動用戶隨機分布在蜂窩網(wǎng)絡內(nèi)，網(wǎng)絡內(nèi)有若干個小區(qū)。當多個移動用戶移入某小區(qū)時，使該小區(qū)變得擁擠，則該小區(qū)會自動縮小其覆蓋范圍，進而降低該小區(qū)的擁擠程度，同時該小區(qū)周圍的小區(qū)會自動增大，來滿足該小區(qū)未能覆蓋的用戶，避免出現(xiàn)覆蓋空洞。相反，當多個移動用戶移出某小區(qū)，則該小區(qū)周圍的小區(qū)會自動縮小而該小區(qū)會自動增大。當相鄰小區(qū)容量較大，沒有必要進行小區(qū)縮小，這時移動用戶都可在相鄰小區(qū)內(nèi)進行服務，因此可以關閉該小區(qū)的基站，使基站處于休眠模式，達到降低能耗的目的。

小區(qū)縮放服務器（CS）控制整個小區(qū)的縮放過程。CS可以設置于網(wǎng)關或基站中，通過檢測網(wǎng)絡流量大小、信道狀況、用戶需求等來進行小區(qū)縮放。具體實現(xiàn)是通過物理器件調(diào)整、基站協(xié)作、中繼等來完成的。比如，小區(qū)擴大可以通過提高基站發(fā)射功率來完成，基站協(xié)作可以形成基站簇，從而降低了小區(qū)間的干擾。

1.4 云計算

分布式計算，也即云計算技術，是指通過網(wǎng)絡將龐大的計算處理程序自動拆分成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統(tǒng)，經(jīng)搜尋、計算分析之后將處理結果回傳給用戶。通過此項技術，網(wǎng)絡服務提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)處理數(shù)以千萬計的信息。由于移動設備體積小，處理信息、運算和存儲能力有限，要高速處理多媒體信息，利用云計算，可以在移動互聯(lián)網(wǎng)的條件下，完成所需的任務。和云計算相關的技術有軟件無線電技術和射頻拉遠技術。

軟件無線電是一項發(fā)展較快的無線通信技術，它采用開放的模塊化結構，基帶處理可通過不同的軟件模塊來實現(xiàn)，并且軟件可以隨著器件和技術的發(fā)展不斷更新或擴展?；谕ㄓ锰幚砥鞯能浖o線電系統(tǒng)可以降低通信系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的復雜度，極大地節(jié)約硬件成本和人力成本。

射頻拉遠技術是將基站分為遠端無線射頻單元和基帶單元[4]。無線射頻單元通過光纖或光傳送網(wǎng)與基帶單元相連，負責無線信號的發(fā)送與接收，放置于遠離基帶單元的遠端站點，體積小巧?；鶐卧撠熁鶐盘柕奶幚?，多個基帶單元可形成集中式基站，其內(nèi)包含一個高容量、低時延的交換網(wǎng)絡來支持多個基帶載波單元的互聯(lián)互通。集中式基站可以避免基帶單元負載的不均衡，提高設備利用率。

云計算和軟件無線電及射頻拉遠的關系在于，集中式的基帶單元經(jīng)過軟件化，通過高帶寬、低時延的網(wǎng)絡，可組成一個巨大的實時云計算基帶池。這樣，遠端射頻單元收發(fā)無線信號，實現(xiàn)多種無線網(wǎng)絡覆蓋，光纖和負載轉(zhuǎn)換器連接遠端射頻單元和虛擬基站，虛擬基站利用實時云計算基帶池動態(tài)分配計算資源以實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理。

2 結束語

在大力倡導構建節(jié)能減排社會時，綠色無線通信已成為了一種潮流，使我們在關注通信系統(tǒng)容量時也注重其能量效率。該文簡要介紹了綠色無線通信的關鍵技術，包括認知無線電、協(xié)作中繼、小區(qū)縮放和云計算等及其在降低系統(tǒng)能耗時的作用。當然各種技術都有自己的缺點，這有待于我們?nèi)タ朔?。相信在不久的將來，綠色無線通信將會普及，為建設環(huán)境友好型社會做貢獻。

參考文獻：

[1] 尤肖虎，王京，張平，李少謙，朱近康.對綠色無線通信技術的研究和思考[J].中國科技大學學報，2009，10，39（10） ：1009-1015.

[2] Wei， Yifei，Mei Song， Baoling Liu，Xiaojun Wang，Yong Li. Energy efficient cooperative relaying and cognitive radio technologies to deliver green communication [C]. 2011 6th International Conference on Pervasive Computing and Applications （ICPCA）， 2011， Page（s）： 105-109.

[3] Zhisheng Niu，Yiqun Wu，Jie Gong，Zexi Yang. Cell zooming for cost-efficient green cellular networks[J]. Communication Magzine， IEEE， Volume：48， Issue：11，2010， Page（s）： 74 -79.

[4] 侯延昭，陶曉峰.面向綠色無線通信的基站體系結構[J].中興通信技術，2010，16（6）：16-19.