5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望

宋穎

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5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望

宋穎

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510630

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，通信質(zhì)量也不斷提升，5G時代聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目逐漸增多，能耗也越來越大。在5G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時代，必須積極研究如何控制通信系統(tǒng)的能耗。因此，對5G通信網(wǎng)絡(luò)的特點進(jìn)行了分析，并且對5G通信網(wǎng)絡(luò)綠色發(fā)展技術(shù)進(jìn)行了分析，旨在為5G通信網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。

5G通信；綠色網(wǎng)絡(luò)；云計算；能量效率

引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)是人們生活中常用的通信交流載體。從當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來看，4G是使用最多的技術(shù)。在4G的基礎(chǔ)上，通信行業(yè)又開始加強(qiáng)5G通信技術(shù)的研究。簡單來講，5G通信技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、終端、無線和各種業(yè)務(wù)的進(jìn)一步融合。與4G相比，其性能有很大程度的提升。5G通信可以使人在感知方面獲取更強(qiáng)的控制能力，而且5G通信的服務(wù)對象將從公眾用戶向行業(yè)用戶拓展，網(wǎng)絡(luò)也將變得更加智能化，其覆蓋范圍也將更加廣泛。從當(dāng)前的研究情況來看，2012年開始正式研究5G通信技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)取得了一定成就。各個國家已經(jīng)在5G通信的概念以及關(guān)鍵技術(shù)上達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識。這為5G通信技術(shù)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。與當(dāng)前普遍通用的4G技術(shù)相比較而言，5G通信技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，比如傳輸速率更快、聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目增加、可靠性大幅度提升等。

1 5G時代的能量損耗

5G通信技術(shù)快速發(fā)展的同時，信息與通信行業(yè)的能量損耗問題也越來越嚴(yán)重，占全球能耗總量的10%左右，如此巨大的能耗成為通信行業(yè)發(fā)展的一個重要阻礙。在節(jié)能型社會發(fā)展過程中，必須加強(qiáng)對能耗的控制，以低能耗、低成本作為出發(fā)點和落腳點，不斷改善信息與通信技術(shù)的研發(fā)方向，減少其能耗。對于5G通信技術(shù)而言，其能耗主要體現(xiàn)在各種通信業(yè)務(wù)的負(fù)載上。隨著用戶數(shù)量不斷增多，通信能耗也將呈現(xiàn)幾何式增長。為了給人們帶來更加良好的通信體驗，各大運(yùn)營商的基站數(shù)量不斷增加，比如2010年電信的基站數(shù)量為30萬個，到2015年增加為40萬個，移動的基站數(shù)量從2010年的55萬個增加到2015年的120萬個[1]。由此可見，用戶數(shù)量增加，必然也會導(dǎo)致通信移動運(yùn)營商的運(yùn)營成本增加，基站數(shù)量以及基站在日常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能耗巨大。對于即將到來的5G通信時代，通信業(yè)務(wù)量還會進(jìn)一步增長，幾乎呈爆炸式增長，通信設(shè)備的能耗問題會更嚴(yán)重。相關(guān)資料顯示，信息和通信行業(yè)將成為未來全球第五大能耗產(chǎn)業(yè)。5G通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是信息通信行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此，在未來的發(fā)展過程中，如何研究控制5G通信技術(shù)的能耗，實現(xiàn)5G通信網(wǎng)絡(luò)綠色發(fā)展，是一個亟待解決的問題。

2 5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信的關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

加強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)的研究是未來通信行業(yè)研究的重點內(nèi)容。當(dāng)前確定的基本方向是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)部署、資源充分調(diào)度、鏈路級技術(shù)等方面著手，減少5G通信網(wǎng)絡(luò)的能耗。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，主要采用扁平化IP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)比較簡單，而且可以在不同的層次之間實現(xiàn)分布式架構(gòu)，使各種無線資源被更高效地管理起來，使得用戶可以在核心網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換。扁平化IP形式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以減少傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一些比較冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)通道中的網(wǎng)元數(shù)量和傳輸過程中的能量損耗不斷減少，從而縮減整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的成本。同時，5G通信網(wǎng)絡(luò)還會接觸云計算建設(shè)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括操作十分靈活的接入云、開放智能的控制云、高效低成本的轉(zhuǎn)發(fā)云等部分，通過云計算技術(shù)可以充分利用各種資源，進(jìn)行劃分和管理，并且通過云端的無線接入以及節(jié)點的虛化過程，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)傳輸盡量降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。軟件定義網(wǎng)絡(luò)還可以將路由器中的路由決策功能從設(shè)備中分離出來，由中心控制器對其進(jìn)行統(tǒng)一控制，從而實現(xiàn)控制過程和轉(zhuǎn)發(fā)過程的相互分離，使控制過程變得更靈活、更簡便。

2.2 網(wǎng)絡(luò)部署

在5G通信網(wǎng)絡(luò)中采用基站分層部署的策略，可以提高通信效率，降低能耗。具體來講，通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新部署分配，可以設(shè)置家庭基站、微微蜂窩基站、微蜂窩、中繼等多種節(jié)點。這些節(jié)點的功率較低，但是系統(tǒng)的容量較高。當(dāng)前常用的宏基站主要是為了擴(kuò)大通信信號的覆蓋范圍，但是微蜂窩以及微微蜂窩與宏基站正好相反，可以用于通信頻率較高的密集場所，與宏基站相互配合，在宏基站覆蓋范圍之內(nèi)，采用各種功率較低的節(jié)點，提高人們的通信質(zhì)量，而且通過這些微小的節(jié)點可以將通信站點之間的距離縮小到10?m甚至是更小的范圍之內(nèi)，形成超級密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提高人們的通信質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，分層基站部署方式可以大大降低通信網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。一個宏基站大約需要5?kW的功率，但是一個微微蜂窩基站大約只需要10?W的功率。即使安裝多個微蜂窩或者微微蜂窩，其總能耗也達(dá)不到一個宏基站的能耗，對于人流量比較大的區(qū)域十分適用[2]。

2.3 資源調(diào)度

通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，初期一般會按照網(wǎng)絡(luò)流量的高峰期來進(jìn)行資源需求設(shè)計和分配，但是在實際應(yīng)用過程中會發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)流量是隨時變化的，不同的地區(qū)有不同的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出來的流量高峰期也是隨時不定的。人們通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)流量一般會出現(xiàn)“晝高夜低”的現(xiàn)象，但是在工作區(qū)和住宅區(qū)其實是正好相反的，網(wǎng)絡(luò)流量和基站的冗余量相關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量降低的時候，基站的容量冗余嚴(yán)重，造成的能量損耗也比較嚴(yán)重。所以，如何實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的有效控制，是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中的重點。當(dāng)基站的負(fù)載較低的時候，可以通過信令控制發(fā)出指令，讓一部分基站開始進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時相鄰基站承擔(dān)休眠基站之前所覆蓋的區(qū)域的業(yè)務(wù)傳輸和容量補(bǔ)償。這種相互配合、相互合作的方式可以讓一部分基站“休息”，而剩余的基站也可以完成相應(yīng)的工作，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的合并過程。

2.4 鏈路級技術(shù)

5G通信網(wǎng)絡(luò)還可以采用先進(jìn)的鏈路技術(shù)對能耗進(jìn)行控制，主要有以下幾種。

第一，高階MIMO技術(shù)。這種技術(shù)是通過在基站端放置大規(guī)模天線陣列，使得用戶之間的矢量信息趨于正交，從而消除用戶之間的干擾，實現(xiàn)信息有效傳輸。高階MIMO對于基站的能耗以及成本的控制有十分重要的作用。隨著基站天線的數(shù)量不斷增加，基站可以對放大器進(jìn)行更換，盡量選擇一些能耗較低的放大器，達(dá)到信號放大的目的，同時降低能耗。

第二，設(shè)備到設(shè)備技術(shù)。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中有一種新技術(shù)，即直接實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備之間的傳輸，不需要基站就可以實現(xiàn)通信。這種方法對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接和通信方式進(jìn)行擴(kuò)展，使得信道的質(zhì)量更高，資源的利用頻率也不斷提高，鏈路變得越來越靈活，網(wǎng)絡(luò)也越來越可靠。

第三，非正交多址接入。這種技術(shù)是將同一個資源分配給不同用戶的技術(shù)，可以提高資源的利用率，間接實現(xiàn)能耗的控制。

2.5 同時同頻全雙工技術(shù)

同時同頻全雙工技術(shù)在通信領(lǐng)域中受到的關(guān)注程度很高。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢來看，這種技術(shù)得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，利用這種技術(shù)可以實現(xiàn)在相同頻譜上，同時接收信號和發(fā)射信號，從而大大提高通信的效率，減少能耗。與傳統(tǒng)的TDD和FDD方式相比較而言，這種技術(shù)可以使頻譜效率提高一倍以上，而且可以突破傳統(tǒng)技術(shù)中的品牌資源的使用限制問題，使頻譜資源的利用更靈活。但需要注意的是，全雙工技術(shù)對抗干擾能力的要求較高，必須加強(qiáng)對抗干擾技術(shù)的研究。在多組天線以及組網(wǎng)的情況下，干擾較為嚴(yán)重，這種技術(shù)應(yīng)用的難度也比較大。

3 5G綠色通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向

從上文的分析可以看出，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過多種技術(shù)實現(xiàn)綠色通信，減少通信過程中的能耗。但是也必須要注意相關(guān)的問題，因為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實施過程中一般都是按照網(wǎng)絡(luò)流量的峰值來計算的，從而對通信基站進(jìn)行部署，沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)的“潮汐效應(yīng)”，所以在實際應(yīng)用過程中的難度較大，還很容易造成資源利用率較低、能耗較高的情況。因此在未來的研究和發(fā)展過程中，可以加強(qiáng)對大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)能量效率，對用戶行為和業(yè)務(wù)特征進(jìn)行研究，并且建立相應(yīng)的大數(shù)據(jù)模型，對大數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析。當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要集中在應(yīng)用層面，未來需要對無線網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、分析，合理地布置采集數(shù)據(jù)的接點。通過對各種數(shù)據(jù)的采集和深度挖掘，研究用戶的行為以及各種業(yè)務(wù)的特征，建立完整的時空模型，從而為研究網(wǎng)絡(luò)流量的特征提供幫助，計算得出合理的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測模型[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著5G時代的來臨，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也越來越深入。為了獲得較高的傳輸效率，對5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究必須從多方面著手，在提高通信傳輸水平的同時還要注意通信過程中的能耗，提高綠色節(jié)能技術(shù)，結(jié)合節(jié)能減排的理念，促進(jìn)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)快速發(fā)展。

[1]游思晴，齊兆群. 5G網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望[J]. 移動通信，2016，40（20）：31-35.

[2]王胡成，徐暉，程志密. 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 電信科學(xué)，2015，31（9）：149-155.

[3]甄仲強(qiáng). 5G移動網(wǎng)絡(luò)綠色通信關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2016（28）：1638.

Current Research and Prospect of 5G Network GreenCommunication Technology

Song Ying

Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

With the continuous development of the mobile communication network, the communication quality has been continuously improved. The number of connected devices in the era of 5G has gradually increased, and the energy consumption is increasing. In the development of 5G communication network, it is necessary to actively study how to control the energy consumption of communication system. The paper analyzes the characteristics of 5G communication network and analyzes the green development technology of 5G communication network, aiming at providing theoretical support for the development of 5G communication network research technology.

5G communication; green networks; cloud computing; energy efficiency

TN929.5

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