綠色5G網(wǎng)絡(luò)

［申敏 毛文俊 向東南］

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綠色5G網(wǎng)絡(luò)

［申敏 毛文俊 向東南］

摘要

面向2020及未來，5G網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)已經(jīng)開始了。綠色發(fā)展是時代的要求，節(jié)能減排非常關(guān)鍵。因此，在5G研發(fā)過程中，科研工作者要充分衡量綠色網(wǎng)絡(luò)的重要性。在綠色5G網(wǎng)絡(luò)中，新型的綠色技術(shù)和高效的網(wǎng)絡(luò)策略成為了關(guān)鍵。未來5G網(wǎng)絡(luò)極有可能使用云架構(gòu)，并且采用基站分層部署和控制面/用戶面分離的部署策略。干擾消除問題一直是阻礙通信發(fā)展的頭號難題。這里介紹了2種極具潛力的干擾處理技術(shù)—FFR技術(shù)和SFR技術(shù)。在技術(shù)研發(fā)方面，介紹了幾種典型的綠色技術(shù)，包括massive MIMO、D2D、VLC以及綠色能源。這些技術(shù)都是5G的核心，都能實現(xiàn)綠色通信的要求。只有這樣，綠色5G網(wǎng)絡(luò)才會越來越受歡迎。

關(guān)鍵詞：5G 綠色網(wǎng)絡(luò) massive MIMO D2D VLC 綠色能源

申敏

女，博士生導(dǎo)師，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，教授，主要研究方向移動通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字信號處理及其應(yīng)用等。

毛文俊

向東南

女，碩士研究生，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，主要研究方向為移動通信及網(wǎng)絡(luò)安全。

引言

在過去幾十年里，移動通信經(jīng)歷了飛速發(fā)展，并取得了顯著成就。目前，LTE（Long Term Evolution）網(wǎng)絡(luò)已在全世界范圍大規(guī)模部署，商業(yè)化逐漸趨于成熟。為了滿足更高需求，未來5G網(wǎng)絡(luò)研發(fā)慢慢拉開了帷幕。來自不同國家和地區(qū)的各種組織機構(gòu)正在努力探索潛在的5G關(guān)鍵性技術(shù)方案。相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G將支持更加多樣化的場景，融合多種無線接入方式，并充分利用多種無線技術(shù)[1]。

綠色發(fā)展是時代的主題。通信行業(yè)的節(jié)能減排也要引起足夠的重視。因此，為了實現(xiàn)綠色通信，我們要在未來5G網(wǎng)絡(luò)研發(fā)中充分考慮綠色技術(shù)和綠色策略。

1　相關(guān)組織機構(gòu)的工作

在綠色網(wǎng)絡(luò)理念方面，歐洲電信委員首先作出反應(yīng)，并在其第七次框架項目（FP7）中提到能量效率網(wǎng)絡(luò)[6]。在2011年，F(xiàn)P7項目發(fā)起TREND（Towards Really Energy-efficient Network Design）Network of Excellence項目[6]。其目的是，建立一個歐洲研究共同體，并從長遠(yuǎn)的角度考慮綠色網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展問題。2013年，5GrEEn組織提出綠色移動網(wǎng)絡(luò)概念，旨在減少移動接入網(wǎng)絡(luò)的能量消耗[5]。他們認(rèn)為，相比2010的情況，未來的基站節(jié)點至少可以節(jié)省90％的能量消耗。EARTH（Energy Aware Radio and neTwork tecHnologies）項目開始于2010年，他們的目標(biāo)是“通過調(diào)查并提出有效的機制，用以實現(xiàn)大幅降低能源浪費和提高移動寬帶通信系統(tǒng)的能量效率，而不影響用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)和系統(tǒng)容量，并強調(diào)應(yīng)對全球環(huán)境的挑戰(zhàn)?！盙reen Radio項目強調(diào)頻譜效率和能量效率，致力于研究網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和綠色無線技術(shù)[7]。

2　綠色網(wǎng)絡(luò)策略

相對4G通信系統(tǒng)，未來的5G網(wǎng)絡(luò)將提供5倍的頻譜效率、20倍峰值速率、100～1000倍用戶體驗速率，以及移動速度提升至500Km/h，用戶時延降低一個數(shù)量級，達(dá)到1ms級別等等。為了實現(xiàn)這些需求，我們需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出新的基站部署策略，提升干擾管理方法等。

2.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，通信系統(tǒng)涵蓋了2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，各種網(wǎng)絡(luò)接口以及通信設(shè)備錯綜復(fù)雜，不利于系統(tǒng)間的互操作。而且，同一類型的網(wǎng)絡(luò)間由于部署環(huán)境的不同，各種通信設(shè)備無法實現(xiàn)最佳的性能，同樣也造成了網(wǎng)絡(luò)資源極大地浪費。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)，我們需要做出改變，尋求更高效、更綠色的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2010年4月，中國移動正式發(fā)布了面向綠色演進(jìn)的新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)C-RAN（cloud radio access network）白皮書。C-RAN融合了集中化處理、協(xié)作式無線電以及實時云計算技術(shù)[2]。如圖1，C-RAN架構(gòu)分開部署基站的基帶處理單元BBU(building base band unit，室內(nèi)基帶處理單元)與射頻單元RRU(remote radio unit，遠(yuǎn)端射頻單元)；多個BBU可以組合成基帶池，基帶池之間還可以進(jìn)一步組合成基帶池處理群。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大化地實現(xiàn)資源共享，節(jié)約了成本、提升了效率。

在C-RAN的基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將包括靈活的無線接入云、智能開放的控制云、高效低成本的轉(zhuǎn)發(fā)云三部分[2]，如圖1。接入云支持多種無線制式的接入，并且融合了集中式和分布式無線接入網(wǎng)架構(gòu)。同時，接入云能夠適應(yīng)各種回傳鏈路，支持更加靈活的組網(wǎng)部署策略和更高效的無線資源管理方法?？刂圃茖崿F(xiàn)會話控制、移動性管理和服務(wù)質(zhì)量保障，并提供支持差異化業(yè)務(wù)的開放接口。轉(zhuǎn)發(fā)云主要負(fù)責(zé)海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高可靠、低時延、均負(fù)載的高效傳輸。

基于“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得5G網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活、智能、高效和開放。

圖1　基于云的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]

2.2部署策略

2.2.1基站分層部署

近年來，通信流量呈指數(shù)增長，視頻業(yè)務(wù)需求逐漸超過傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)需求?；诤昊镜男^(qū)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)更加密集的趨勢。宏蜂窩基站(macro cell)通常被設(shè)計成增加覆蓋范圍，而不具備高速傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。于是在這種背景下，作為宏蜂窩基站的補充，我們可以引進(jìn)微蜂窩基站(micro cell)/皮蜂窩基站(pico cell)/室內(nèi)基站(femto cell)等小型基站?；痉謱硬渴鸱绞?，不僅可以拓寬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，而且可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅暇G色網(wǎng)絡(luò)的要求。這種典型的分層網(wǎng)絡(luò)部署如圖2。

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由宏蜂窩基站主導(dǎo)的微蜂窩/皮蜂窩基站主要用于密集通信場所，如商場、住宅小區(qū)、酒店以及火車站等人流量較大的場所[8]。相對于微蜂窩/皮蜂窩基站幾百米的覆蓋范圍，室內(nèi)基站的覆蓋半徑更小，通常只有數(shù)十米長?；痉謱硬渴鸩呗钥梢詷O大地提高頻譜效率和能量效率。典型的宏蜂窩基站需要5KW的功耗，而室內(nèi)基站可能只有10W左右，同時擁有功率放大器不超過100mw[9]。據(jù)OFCOM（英國監(jiān)管委員會）和Plextek公司的分析報告，在類似宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供的室內(nèi)覆蓋范圍，室內(nèi)基站僅僅只需要宏蜂窩基站七分之一的能量消耗[10]。文章[9]指出，相比只有宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò)，在宏蜂窩和皮蜂窩聯(lián)合部署的環(huán)境下，皮蜂窩僅僅只需要服務(wù)20％的用戶，就有可能減少60％的總能量消耗。

圖2　5G網(wǎng)絡(luò)場景

相比4G網(wǎng)絡(luò)，基站分層部署策略不僅了增加網(wǎng)絡(luò)容量，而且了提升了網(wǎng)絡(luò)效率，符合未來綠色發(fā)展的要求。

2.2.2控制面/用戶面(C/U plane )分離部署

在基站分層部署架構(gòu)中，通信小區(qū)呈現(xiàn)更加密集分布狀態(tài)。超致密部署低功率、小覆蓋范圍的基站，不僅可以極大改善無線鏈路損失問題，而且可以顯著提升人口密集場所的容量問題[11]。為了提高網(wǎng)絡(luò)效率，增強網(wǎng)絡(luò)安全性，GreenTouch組織提出了控制面與數(shù)據(jù)面分離的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)[4]。在這種架構(gòu)中，用戶可以借助就近基站完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而控制信令仍然來自宏基站。

如圖2，在控制信令方面，宏基站可以指導(dǎo)覆蓋范圍內(nèi)的其他基站進(jìn)行通信，合理調(diào)度資源。在數(shù)據(jù)傳輸方面，用戶直接通過就近的基站接入到核心網(wǎng)，而無需經(jīng)過宏基站得轉(zhuǎn)發(fā)。文章[12]表明，在C/U面分離架構(gòu)中，對于沒有數(shù)據(jù)傳輸需求的基站可以暫時進(jìn)入休眠模式，進(jìn)一步提高了能量效率。一旦有數(shù)據(jù)傳輸需求，這些處于休眠期的基站就可以立刻恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

與傳統(tǒng)通信方式不同的是，這種小基站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信的方式，改變了數(shù)據(jù)傳輸途徑，縮短了通信傳輸距離，減少了發(fā)射功率。因此，這種控制面/用戶面分離部署策略具有很大的可塑性。

2.3干擾管理

在無線通信中，干擾處理一直以來都是個令人頭疼的問題。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過給不同的小區(qū)分配不同的頻譜資源，來減少小區(qū)間的干擾[13-14]。然而，這種做法浪費了大量的頻譜資源。在LTE系統(tǒng)中，結(jié)合頻率復(fù)用與小區(qū)間干擾協(xié)作方案，極大地減輕了干擾問題[15]。

在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，考慮到頻譜資源的稀缺以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改變，我們可以考慮采用更高級的干擾管理方法。例如，在C-RAN架構(gòu)中，集中管理網(wǎng)絡(luò)頻譜，合理進(jìn)行資源調(diào)度。在基站分層部署策略中，可以考慮在不同的覆蓋層使用不同的頻譜資源。在控制面/數(shù)據(jù)面分離部署策略中，宏基站可以在其覆蓋范圍內(nèi)合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，使得小基站盡量減少相互間的干擾。同時，同一基站根據(jù)通信距離的不同，細(xì)化頻譜分配方案，靈活調(diào)整載波功率[16]。

相比4G網(wǎng)絡(luò)，未來網(wǎng)絡(luò)將采用更高級的通信技術(shù)和部署方案，因而干擾管理方法隨時都在提升。

3　綠色技術(shù)

3.1Massive-MIMO

Massive MIMO，也稱大規(guī)模MIMO，利用基站安裝成百上千根天線，運用相對簡單的處理技術(shù)，多個數(shù)量級地提升頻譜效率和能量效率[17]。Massive MIMO作為傳統(tǒng)多用戶MIMO技術(shù)的拓展和延伸，能夠保障未來寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。相比傳統(tǒng)多用戶MIMO，massive MIMO最為主要的特點就是其基站端放置的大規(guī)模天線陣列。理論上，當(dāng)基站天線數(shù)M趨于無窮時，massive MIMO具有很好的性質(zhì)[17]。當(dāng)M趨于無窮時，空間分開的不同用戶矢量信道將趨于正交 ，這樣就可以消除用戶間的干擾，同時使得多用戶信道容量之和達(dá)到上界。Massive MIMO可以大幅度降低基站的功耗和成本，可以實現(xiàn)比當(dāng)前基站更符合綠色節(jié)能的要求[18]。

由于massive MIMO具有更高的能量效率、頻譜效率，以及能夠保障通信安全，提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等如此多的優(yōu)點，所以引起了廣泛的關(guān)注和研究熱情。目前，關(guān)于massive MIMO系統(tǒng)的研究主要集中導(dǎo)頻設(shè)計、信道估計、預(yù)編碼等方面。文章[19]給出了massive MIMO的實際場景運用。在該場景下，基于匹配濾波非協(xié)作massive MIMO系統(tǒng)，在20MHzit系統(tǒng)帶寬下，40個用戶在上下行信道中都能達(dá)到17Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，每小區(qū)的平均吞吐量為730Mbit/s，平均頻譜效率為26.5bps/Hz。在文章[20]中，作者認(rèn)為，隨著天線數(shù)目的增加，用戶信道逐漸正交，Massive MIMO就可以使用低功耗的放大器，可以極大地節(jié)省能量。文章[21]認(rèn)為，在massive MIMO 系統(tǒng)中，隨著天線數(shù)目趨于無窮，信道就不存在噪聲干擾和小尺度衰落現(xiàn)象，唯一的限制因數(shù)就是導(dǎo)頻污染問題。

3.2D2D通信

D2D(Device-to-Device)，即終端直通技術(shù)，是指鄰近的終端可以在近距離范圍內(nèi)通過直連鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，而無需通過基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。D2D技術(shù)能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題[22]。D2D通信在某些場景下非常受歡迎，比如車載通信、就近通信等。我們還可以考慮把D2D通信運用到公共安全和災(zāi)難場景中，以解決網(wǎng)絡(luò)容量過載、網(wǎng)絡(luò)連接受限等難題。因此，D2D通信被認(rèn)為是未來綠色通信不可或缺的主流技術(shù)之一。

D2D通信技術(shù)既可以利用蜂窩頻譜(如in-band)，也可以利用非認(rèn)證頻譜(如out-band)。In-band D2D與蜂窩鏈路共享的蜂窩頻譜，以便提高頻譜利用率[23]。In-band D2D可分為underlay in-band D2D和overlay in-band D2D，如圖3。在Out-band D2D通信中，D2D鏈路使用不同于蜂窩鏈路的非認(rèn)證頻譜，以便消除與蜂窩鏈路之間的干擾問題。Out-band D2D也可進(jìn)一步分為controlled（可控的）和autonomous（自治的）D2D。需要注意的是，至少具有2個無線接口（如LTE和WiFi）的蜂窩設(shè)備才能使用out-band D2D通信。此時，該用戶同時能夠進(jìn)行D2D和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信[24]。

目前，3GPP把D2D通信當(dāng)做一種優(yōu)先服務(wù)的通信技術(shù)。特別的，在LTE中已經(jīng)研究了優(yōu)先服務(wù)的可行性、用戶場景以及所需要的增強架構(gòu)[23]。現(xiàn)階段，關(guān)于D2D通信的研究主要考慮使用蜂窩頻譜，即in-band D2D。文章[24]研究了D2D通信潛在提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的問題，同時介紹了D2D通信和蜂窩通信之間的干擾處理技術(shù)。文章[25]調(diào)查了有關(guān)D2D通信所面臨的挑戰(zhàn)和實現(xiàn)問題，作者指出，D2D通信將面臨功率消耗和資源分配的優(yōu)化問題。

圖3　D2D研究分類

3.3可見光通信

目前，無線移動通信主要采用射頻通信，即通過電磁波傳遞無線信號。然而，在許多地方，比如深水區(qū)、機艙等，射頻通信就受到了各種限制。此時，作為射頻通信的補充和替代，可見光通信(Visible Light Communication,VLC)出現(xiàn)了。最簡單的可見光通信是指，借助發(fā)光二極管(LED)的快速關(guān)閉和點亮，分別對應(yīng)數(shù)字0和1，以實現(xiàn)新型的數(shù)字通信技術(shù)[16]。

與傳統(tǒng)通信相比，VLC通信具有多方面的優(yōu)勢：

(1)可見光具有比無線電波大10000倍的頻譜資源，足以緩解頻譜匱乏的問題；(2)相對于傳統(tǒng)無線電頻率的限制，VLC系統(tǒng)擁有巨大的帶寬資源；(3)VLC通信不存在任何射頻干擾，相當(dāng)可靠；(4)不像射頻信號容易穿透墻壁，光被限制在由不透明邊界所包圍的區(qū)域內(nèi)，也就是說VLC系統(tǒng)很安全；(5)可見光的本質(zhì)并沒有被改變，仍然保持原有特性；(6)LED是高能效且高度可控的冷光源，并被當(dāng)做未來必選的綠色光源之一。因此，VLC被認(rèn)為是一種生態(tài)友好型的綠色通信技術(shù)。

據(jù)估計，超過50％的語音呼叫和超過70％的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)[27]。因此，LED照明燈可以被當(dāng)做室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)接入點。用戶可以在光源覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、寬帶接入業(yè)務(wù)等，類似wifi場景，如圖4。目前，關(guān)于D2D通信的研究主要包括會話建立、資源分配、功率控制以及干擾協(xié)調(diào)等方面。在通信速率方面，來自研究數(shù)據(jù)表明，基于快速的光源調(diào)制技術(shù)，IEEE 802.15.7支持的可見光通信的最高數(shù)據(jù)速率高達(dá)96 Mb/s[28]。在其他方面，D2D通信的研究也取得了不錯的進(jìn)展。作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，我們有必要發(fā)展好D2D通信。

3.4綠色能源

近年來，能源消耗和溫室氣體排放成了通信行業(yè)特別感興趣的熱點話題之一。面對日益枯竭的資源和逐漸惡化的自然環(huán)境，未來通信網(wǎng)絡(luò)可考慮引入可再生能源，例如太陽能、風(fēng)能、燃料電池等。

3.4.1太陽能/風(fēng)能

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1,369w/m2，太陽每小時向地球提供1.2×1014千瓦的能量，這相當(dāng)于人類一年消耗的能量總和[15]。目前，太陽能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。其中，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源利用方式。海拔較高地區(qū)，風(fēng)力資源比較豐富，可以用來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。目前，國內(nèi)外通信基站普遍采用風(fēng)光互補、風(fēng)光市電互補、風(fēng)光柴互補等供電方式。充分結(jié)合多種方式，實現(xiàn)高效地利用太陽能和風(fēng)能。

圖4　室內(nèi)可見光通信

3.4.2燃料電池

燃料電池（Fuel Cell）是一種將氫氣和氧氣相結(jié)合來產(chǎn)生電力、水和熱的電化學(xué)裝置。不同于一般的電池，只要能保障燃料源供給，燃料電池就會持續(xù)發(fā)電。燃料電池并不需要燃燒燃料，這使得化學(xué)反應(yīng)過程變得安靜、無污染，同時電池效率比燃燒高出2-3倍[29]。比如，基于燃料電池的能源服務(wù)器就采用了新型的分布式發(fā)電裝置[30]。燃料電池還具有其他方面的優(yōu)勢，比如，燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率比熱機和發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率高得多；減少污染排放，噪音低；具有高度的可靠性，模塊化便于維護(hù)；適用能力強 ，可以使用多種多樣的初級燃料等等。

5G時代，將會有更多設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，以及各種通信業(yè)務(wù)更加頻繁，傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)將不堪重負(fù)。所以，基于可再生能源的電力供應(yīng)方式將是不錯的選擇。

4　結(jié)論

面向未來5G網(wǎng)絡(luò)，我們有理由相信，它將是一場信息和技術(shù)革命。本文介紹了5G相關(guān)研發(fā)組織機構(gòu)，并分析了相關(guān)策略和綠色技術(shù)。文章立足于不同的視角，重在強調(diào)如何實現(xiàn)綠色5G網(wǎng)絡(luò)。對于接下來的工作，我們還需要更進(jìn)一步的研究，找出最佳的解決方案。

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收稿日期：（2016-01-29）

通信作者，男，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為移動通信及網(wǎng)絡(luò)安全。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.006