低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的研究與思考

蘇麗文

【摘要】 綠色低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的研究主要從綠色環(huán)保的主題著手，在對(duì)通信設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行分析的情況下，發(fā)現(xiàn)提高其使用壽命和減少其所造成的環(huán)境污染的方法，并對(duì)此做出總結(jié)和思考，進(jìn)一步助力移動(dòng)信息行業(yè)進(jìn)入綠色低碳產(chǎn)業(yè)的范疇。本文以一名學(xué)生的視角，對(duì)低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)研究添磚加瓦。

【關(guān)鍵詞】 移動(dòng)通信技術(shù) 節(jié)能減排 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了第一代到4G的演進(jìn)，手機(jī)用戶(hù)越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)制式越來(lái)越復(fù)雜，各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存，由此引起的蜂窩網(wǎng)的覆蓋也越密集。同時(shí)，移動(dòng)通信支持的速率由幾kbit/s將上升到未來(lái)的Gbit/s量級(jí)，移動(dòng)通信的寬帶化促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的翻倍增長(zhǎng)。如此多的用戶(hù)、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)部署使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能耗不斷增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(luò)設(shè)備和環(huán)境維護(hù)的費(fèi)用約為150億美元。因此需要不斷倡導(dǎo)低碳通信，在關(guān)注通信速率、頻譜利用率的提高和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的縮短的同時(shí)，也應(yīng)重點(diǎn)考慮通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題。

對(duì)于一個(gè)典型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言，基站是其網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)地位。一個(gè)典型的3G基站其功率大約為500W，這將導(dǎo)致一年的電能消耗為4.5MWh。設(shè)有12000個(gè)基站的3G系統(tǒng)，年消耗電能可達(dá)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。

一、認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與綠色無(wú)線通信

認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線電，它能和周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互而改變發(fā)射機(jī)參數(shù)，達(dá)到某種系統(tǒng)優(yōu)化的效果。它的首要任務(wù)是頻譜感知，也就是在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)無(wú)線電頻譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，伺機(jī)接入授權(quán)頻譜，在不對(duì)主用戶(hù)干擾的情況下共享頻譜資源。認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)這種方式極大的提高了頻譜利用率，解決了頻譜匱乏問(wèn)題。于是根據(jù)香農(nóng)容量公式：

通過(guò)香農(nóng)容量公式可知，在一定的通信容量下，所用功率和帶寬是互換的。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)頻譜進(jìn)行動(dòng)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(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)認(rèn)知無(wú)線環(huán)境，動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射機(jī)參數(shù)，比如，選擇信道衰落較小的頻譜和相應(yīng)的調(diào)制和編碼方式，可以降低所需的功率消耗。

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和低碳通信的關(guān)系包括兩點(diǎn)：一是基于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)元可通過(guò)認(rèn)知信息流獲取重配置因素；二是通過(guò)重配置可以統(tǒng)一的規(guī)劃和改變終端的軟件來(lái)省掉重復(fù)建設(shè)。在認(rèn)知無(wú)線電里需要聯(lián)合資源管理，包括在多域中的無(wú)線資源管理，調(diào)度的方式，以及以資源利用率和能量利用率為目標(biāo)的全局優(yōu)化。動(dòng)態(tài)的頻譜管理可以在認(rèn)知無(wú)線環(huán)境的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)選擇信道衰落相對(duì)較小的頻譜和相應(yīng)的發(fā)射方式進(jìn)行發(fā)射，使得發(fā)送功率最小，降低干擾，提高吞吐量。設(shè)計(jì)高效協(xié)議，降低信令等開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，也降低了多余的功耗，達(dá)到節(jié)能的環(huán)保目的。

二、基于分布式協(xié)同技術(shù)的高效節(jié)能系統(tǒng)

移動(dòng)通信的分布式天線系統(tǒng)較傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)能有效地增強(qiáng)頻譜效率和功率效率，比集中式分布系統(tǒng)有更高的容量，對(duì)創(chuàng)建環(huán)保型網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有前途的解決方案。協(xié)作分布式天線系統(tǒng)能有效解決傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)最顯著的問(wèn)題----小區(qū)邊緣問(wèn)題（在小區(qū)的邊緣頻譜效率和功率效率都很低，下行鏈路頻譜效率隨著基站與終端位置距離的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)，其重要原因就是終端接收功率本身隨距離增加的指數(shù)下降；上行鏈路手機(jī)需要的發(fā)射功率隨距離增加線性增加）。對(duì)于協(xié)作分布式天線系統(tǒng)，基站具有多個(gè)分布式天線收發(fā)點(diǎn)和集中的基站處理器.基站通過(guò)多個(gè)天線無(wú)線收發(fā)點(diǎn)與某一終端通信，光纖將各個(gè)無(wú)線收發(fā)點(diǎn)的遠(yuǎn)端處理單元RAU信號(hào)集中到基站處理單元BPU進(jìn)行聯(lián)合信號(hào)處理，如圖2所示。系統(tǒng)將天線分散在整個(gè)小區(qū)，使得分散的電波對(duì)小區(qū)均勻覆蓋，用戶(hù)就近接入基站，通過(guò)各個(gè)分散的天線的協(xié)同工作，提高了頻譜效率，同時(shí)減少了發(fā)送功率，從而提高了功率效率。

通過(guò)香農(nóng)容量公式計(jì)算分析，分布式系統(tǒng)容量在高信噪比下逼近正態(tài)分布，低信噪比下逼近對(duì)數(shù)正態(tài)分布。結(jié)合分布式天線系統(tǒng)分析，由于分布式天線的物理位置分散性，多用戶(hù)干擾問(wèn)題顯著減小，更加有利于多用戶(hù)MIMO的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，在典型場(chǎng)景下，達(dá)到相同的頻譜效率，協(xié)作分布式天線系統(tǒng)的手機(jī)發(fā)射功率可降低10dB。在相同的小區(qū)覆蓋范圍和相同數(shù)目的天線情況下，分布式天線系統(tǒng)將基站的發(fā)射功率均勻地分散在小區(qū)內(nèi)，提高了平均小區(qū)容量，降低了需要的發(fā)送功率，從而有效提高了頻譜效率和功率效率。因此，協(xié)作分布式天線系統(tǒng)中，終端總是能夠找到最近分布的遠(yuǎn)端天線，找到最近天線系統(tǒng)進(jìn)行通信，非常便捷高效，是一個(gè)極有前景的技術(shù)，能夠大量節(jié)省網(wǎng)絡(luò)需要的發(fā)射能量，從而達(dá)到綠色網(wǎng)絡(luò)的目的。

三、從追求寬帶高速到追求效率和環(huán)保

隨著我國(guó) 4G 移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)獲得國(guó)際認(rèn)可并在國(guó)內(nèi)大規(guī)模部署網(wǎng)絡(luò)，以及業(yè)已啟動(dòng)研究計(jì)劃的面向 2020 年商用的未來(lái) 5G 系統(tǒng)，移動(dòng)通信將持續(xù)成為高能量消費(fèi)行業(yè)。綠色通信已經(jīng)上升到國(guó)家整體規(guī)劃層面，“十二五”規(guī)劃綱要已經(jīng)把降低污染物排放與總耗能量作為節(jié)能減排的目標(biāo)?？v觀無(wú)線通信的發(fā)展歷史，基站覆蓋的縮小化為無(wú)線通信系統(tǒng)帶來(lái)了能量效率與系統(tǒng)容量跨數(shù)量級(jí)的提升。第四代移動(dòng)通信，我國(guó)采用 TDD 制式 LTE，在人口密集城區(qū)場(chǎng)景下覆蓋范圍 500-1000m，其上下行峰值速率可分別達(dá)到50Mbps/100Mbps。除系統(tǒng)容量增益外，基站覆蓋的縮小化也會(huì)直接帶來(lái)能源效率的增益。用戶(hù)與基站之間的傳輸鏈路縮短，改善了基站原來(lái)長(zhǎng)距離鏈路傳輸?shù)母呗窂綋p耗，從而可采用較低發(fā)射功率。另外，小區(qū)覆蓋范圍縮小后，一些不適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)母哳l段資源得以利用，擴(kuò)展了系統(tǒng)可用帶寬。由此可以看出，在過(guò)去幾十年中，我們不遺余力地追求更高的信息傳輸能力、更高的頻譜資源利用率和新的頻譜資源，并且已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。對(duì)未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信，要努力建立更有效的信息傳輸體系，開(kāi)發(fā)更有效的應(yīng)用頻譜的技術(shù)，和更有效的信息應(yīng)用方法。

四、對(duì)低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的思考

在大力倡導(dǎo)構(gòu)建節(jié)能減排社會(huì)時(shí)，低碳無(wú)線通信已成為了一種潮流，使我們?cè)陉P(guān)注通信系統(tǒng)容量時(shí)也注重其能量效率。但就低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)在我國(guó)目前并沒(méi)有得到廣泛運(yùn)用。在作者看來(lái)一是由于我國(guó)低碳無(wú)線通信技術(shù)還在整個(gè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)成熟階段，缺少得到商業(yè)運(yùn)用的成品，所以其是否具有足夠的社會(huì)價(jià)值和使用價(jià)值還沒(méi)有定數(shù)，假若沒(méi)有得到實(shí)踐驗(yàn)證的就去貿(mào)然推廣這樣不利于整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展；另一方面就是成本較大，也是由于技術(shù)上還沒(méi)有成熟定性的產(chǎn)品，其商用化的成本一定會(huì)十分的昂貴，同時(shí)對(duì)于其匹配的基礎(chǔ)終端設(shè)備也將提高其生產(chǎn)成本，造成商用化的趨勢(shì)微小。總之這些原因都會(huì)導(dǎo)致原有用戶(hù)的大量流失，阻礙通信行業(yè)快速發(fā)展的腳步。因此，我們應(yīng)當(dāng)加大投入盡快研發(fā)出技術(shù)成熟的低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，并努力提高其性?xún)r(jià)比，使其盡快的走入千家萬(wàn)戶(hù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著技術(shù)成熟度、產(chǎn)品性?xún)r(jià)比的逐漸提升，低碳無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)終將會(huì)成為通信行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。本文簡(jiǎn)要介紹了低碳無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，包括認(rèn)知無(wú)線電、基于分布式協(xié)同技術(shù)的高效節(jié)能系統(tǒng)及從追求寬帶高速到追求效率和環(huán)保。當(dāng)然各種技術(shù)都有自己的缺點(diǎn)，這有待于我們?nèi)タ朔Ｏ嘈旁诓痪玫膶?lái)，低碳無(wú)線通信將會(huì)普及，為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)做貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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