5G超密集網(wǎng)絡(luò)能效問(wèn)題的有效研究

張達(dá)志

[摘? ? 要] 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會(huì)環(huán)境下，人們對(duì)通信能效的要求越來(lái)越高。本文共分為四個(gè)部分：前三個(gè)部分對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)、超密集網(wǎng)絡(luò)及基站休眠的算法類別進(jìn)行介紹;第四部分針對(duì)5G超密集網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)的能效問(wèn)題進(jìn)行分析，旨在為同行業(yè)相關(guān)人士提供參考建議。

[關(guān)鍵詞] 5G網(wǎng)絡(luò);超密集網(wǎng)絡(luò);能效;基站休眠

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 073

[中圖分類號(hào)]? TP393? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）17- 0190- 02

0? ? ? 前? ? 言

現(xiàn)階段，基于智能設(shè)備的終端網(wǎng)絡(luò)使用量不斷增長(zhǎng)，為人們的生活和工作帶來(lái)了便捷的服務(wù)。為了提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，研究人員開(kāi)始致力于研發(fā)新型的通信技術(shù)，超密集網(wǎng)絡(luò)就是其中的主要代表。但隨著應(yīng)用不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜化，網(wǎng)絡(luò)耗能較高的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，不利于網(wǎng)絡(luò)整體發(fā)展的向下推進(jìn)。

1? ? ? 5G概述

3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織和ITU標(biāo)準(zhǔn)化組織是5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化中的決定性因素。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織是基于ITU標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)要求形成的專業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)范和技術(shù)規(guī)范;ITU標(biāo)準(zhǔn)化組織是聯(lián)合國(guó)官方的相關(guān)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)部門(mén)齊全，具有多個(gè)功能的工作組，其中ITU-RWP5D是制定5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向和檢測(cè)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)度的重要決策人。當(dāng)下，該部門(mén)已經(jīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的時(shí)間表進(jìn)行階段性制定：

第一階段：在2016年年初，以宏觀為描繪點(diǎn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)、技術(shù)發(fā)展、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行描述，并且獲得相關(guān)的發(fā)展資源。

第二階段：在2018年年初，爭(zhēng)取完成技術(shù)層面的相關(guān)準(zhǔn)備工作。ITU開(kāi)始在全世界發(fā)送技術(shù)征集的相關(guān)通知，并在結(jié)束后對(duì)收集到的技術(shù)進(jìn)行評(píng)估和移交候選。

第三階段：即當(dāng)下，是5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)選擇階段，由各大有實(shí)力的企業(yè)和國(guó)家向部門(mén)提出各種應(yīng)用方案，ITU聯(lián)合各個(gè)互聯(lián)網(wǎng)專家對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估和選擇，最終找出可行性較高的應(yīng)用方案。這些流程預(yù)計(jì)將在2020年完成，屆時(shí)公布5G網(wǎng)絡(luò)的最終技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

現(xiàn)階段，5G通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面：

一是多天線的新型傳輸方式。為了拓展通信網(wǎng)絡(luò)的最大容納量，滿足各個(gè)接入的需求，研發(fā)人員將傳統(tǒng)的二維天線技術(shù)擴(kuò)大到三維，將無(wú)源變成有源，提升了網(wǎng)絡(luò)整體的發(fā)展質(zhì)量，已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度最高的技術(shù)之一。這種技術(shù)可以滿足大量用戶在同一時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了用戶的等待時(shí)間。同時(shí)這些天線相互交錯(cuò)，能夠提升網(wǎng)絡(luò)的能耗，降低不同鏈路間的能量發(fā)射頻率，維護(hù)用戶間的信道關(guān)系，弱化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的干擾和雜音。

二是同頻同時(shí)通信。這種技術(shù)可以將發(fā)射終端和接收終端以相同的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，沖破了傳統(tǒng)分時(shí)雙工模式和分頻雙工模式的固有約束。理論上，這種技術(shù)可以將頻譜的工作效率提升整整一倍。但干擾問(wèn)題也是影響通信網(wǎng)絡(luò)工作效能的重要因素，因此工作人員通常采用天線消除干擾技術(shù)和數(shù)字消除干擾技術(shù)約束干擾問(wèn)題。

三是D2D通信。這是一種類似于蜂窩形狀的傳輸技術(shù)，適用于近距離且直接的傳輸工作，基站在這個(gè)通信過(guò)程中不再參與信息的中轉(zhuǎn)傳輸和處理。D2D通信技術(shù)的主要特點(diǎn)就是傳輸速度非常高效、能夠降低用戶終端設(shè)備的能耗和接收延時(shí)，繼而優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

四是超密集網(wǎng)絡(luò)。擁有10倍以上的網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離小于10的網(wǎng)絡(luò)就叫作超密集網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)與基站間形成相對(duì)獨(dú)立的立體結(jié)構(gòu)，不僅改善了基站壓力較大的問(wèn)題，還弱化了網(wǎng)絡(luò)覆蓋形成的相關(guān)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接。

五是新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了能夠滿足通信網(wǎng)絡(luò)的各種功能需求，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)始以扁平化、高效率、高安全為基準(zhǔn)形成網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。5G通信網(wǎng)絡(luò)分離了核心網(wǎng)絡(luò)和接口接入技術(shù)，將其他可應(yīng)用的技術(shù)充分融合到核心技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中去，滿足了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓展需求，增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的靈活度。

2? ? ? 超密集網(wǎng)絡(luò)概述

當(dāng)下，信息數(shù)據(jù)的傳輸呈爆炸式增長(zhǎng)趨勢(shì)，現(xiàn)有的基站同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能夠滿足用戶的個(gè)性化需求，開(kāi)始朝著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠降低節(jié)點(diǎn)的耗能，對(duì)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁窟M(jìn)行分流，緩解網(wǎng)絡(luò)形成的各種壓力。超密集網(wǎng)絡(luò)中的小小區(qū)的工作能耗較低，組網(wǎng)形式比較靈活，應(yīng)用比較廣泛，尤其適用于盲點(diǎn)覆蓋和熱點(diǎn)追蹤。小小區(qū)的技術(shù)種類較多，如微蜂窩、小微蜂窩、天線分布技術(shù)和基站家庭式服務(wù)等等，這些技術(shù)都可以幫助5G網(wǎng)絡(luò)分流數(shù)據(jù)流量[2]。

3? ? ? 基站休眠的具體算法

一是集中式基站的休眠算法。具體流程如下：其一將含載量為空的小基站用集合的形式標(biāo)記，命名為集合D，將其他的小基站關(guān)閉;如果系統(tǒng)中沒(méi)有載量為空的小基站，就將初始化集合D定為空集合。其二，系統(tǒng)服務(wù)器將通信網(wǎng)絡(luò)中所有小基站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄和整合，計(jì)算出最終的能耗量，并以此為基礎(chǔ)對(duì)小基站進(jìn)行排序。其三，在排序后的小基站序列中選擇出低能效比例為a的基站，并關(guān)閉其集合T，初始化的小基站關(guān)閉數(shù)量為0。其四，將集合T中最大能耗的基站進(jìn)行關(guān)閉，并將其覆蓋的小基站進(jìn)行轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)移，使其執(zhí)行相關(guān)通信工作。其五，如果已經(jīng)關(guān)閉的小基站無(wú)法以其他形式通信，就必須要保持其運(yùn)行的狀態(tài)，即S=S+{M}。其六，若已關(guān)閉的小基站用戶均以其他方式完成轉(zhuǎn)移，則完全關(guān)閉該基站，并在系統(tǒng)中更新用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)，即D=D+{M}、offcount=offcount+1。其七，確定M小基站的開(kāi)關(guān)情況，用集合來(lái)對(duì)其關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，集合為T(mén)=T-{M}，若測(cè)試結(jié)果不為零，則返回第四步驟重新開(kāi)始。其八，若offcount/N的值小于設(shè)定的域值，則算法不成立，返回第二步重新進(jìn)行計(jì)算;結(jié)果相反，即算法成立且結(jié)束[3]。

二是分布式基站的休眠算法。第一以每個(gè)小基站的周圍情況為基礎(chǔ)，累加其相鄰基站的數(shù)量，并將其作為基站的度。第二將度值最大的小基站和度值最小的小基站進(jìn)行統(tǒng)一劃分，形成小基站集合。第三未劃分的小基站應(yīng)按照第二個(gè)流程循環(huán)劃分集合，直到所有小基站都劃分完全。第四針對(duì)每個(gè)基站集合的效能數(shù)據(jù)進(jìn)行能效比計(jì)算。將每個(gè)集合內(nèi)最小的基站作為測(cè)試基站進(jìn)行關(guān)閉處理，并嘗試轉(zhuǎn)移基站內(nèi)的所有用戶，如果轉(zhuǎn)移成功，基站集合就會(huì)被關(guān)閉;反之則會(huì)保持原有的狀態(tài)。第五將所有組合的基站進(jìn)行重新計(jì)算，比較統(tǒng)一基站的新舊能效值。若新集合的能效比值較大，則可以對(duì)基站進(jìn)行關(guān)閉處理，并重新執(zhí)行第4步;若新集合的能效比值較小，則終止算法。

4? ? ? 5G超密集網(wǎng)絡(luò)能效問(wèn)題在不同情況下的具體研究

4.1? ?基于超密集網(wǎng)絡(luò)的非鄰關(guān)系集合的基站集中式休眠算法

5G超密集網(wǎng)絡(luò)想要提升系統(tǒng)的總?cè)萘浚鎸?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全方面覆蓋，就必須要布置較多耗能較低的基站，這也充分說(shuō)明了復(fù)雜多變且龐大的網(wǎng)絡(luò)容易消耗大量的能量。同時(shí)在超密集網(wǎng)絡(luò)工作的過(guò)程中，由于用戶使用位置的不確定性，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)生負(fù)載量偏移和傾斜的問(wèn)題，僅僅有一少部分仍保持正常的工作狀態(tài)，容易造成資源的多重浪費(fèi)。因此，5G超密集網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)，將基站進(jìn)行休眠處理能夠緩解網(wǎng)絡(luò)耗能較大的問(wèn)題，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行能效。

根據(jù)本文的研究課題可知，需要將多個(gè)蜂窩和小蜂窩組成超密集網(wǎng)絡(luò)模型，覆蓋整個(gè)蜂窩區(qū)域。每個(gè)區(qū)域需要由基站的天線設(shè)備劃分三個(gè)定向的扇形區(qū)域，而小蜂窩采用無(wú)區(qū)域劃分制管理，并允許所有用戶以開(kāi)放的方式進(jìn)行接入。另外，基站需要時(shí)刻維持工作狀態(tài)，并對(duì)小基站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，以負(fù)載量為參考值決定其是否可以進(jìn)行休眠。

為了滿足不相鄰小蜂窩的分組需求，需要完成如下幾個(gè)步驟：一是對(duì)已經(jīng)處于等待分組狀態(tài)的小蜂窩進(jìn)行特殊標(biāo)記，區(qū)分相似小蜂窩?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不同選擇不同的標(biāo)記方式，例如根據(jù)小蜂窩周邊相鄰區(qū)域個(gè)數(shù)的奇偶來(lái)選擇標(biāo)記方式，需要注意的是，最多選擇四種標(biāo)記方式。二是將標(biāo)記相同的小蜂窩區(qū)域進(jìn)行分組，達(dá)到不相鄰小蜂窩分組的目的。

在結(jié)束分組后，為了降低系統(tǒng)整體的算法難度，省略基站不必要的測(cè)試次數(shù)，可以采用判決潛在休眠基站的機(jī)制執(zhí)行相關(guān)算法。潛在的休眠基站在進(jìn)行休眠嘗試工作時(shí)，需要考慮用戶所在基站工作的覆蓋面積是否可以對(duì)休眠起到?jīng)Q定性影響。因此，相關(guān)人員必須要參照用戶的實(shí)際活動(dòng)位置，選擇適合的基站運(yùn)行模式。對(duì)于臨近基站周邊的用戶，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移;但對(duì)于離基站位置較遠(yuǎn)的用戶，短時(shí)間內(nèi)是不可能完成轉(zhuǎn)移工作的，這就造成了極大的資源能源浪費(fèi)。基站運(yùn)行的判決機(jī)制能夠根據(jù)小蜂窩的覆蓋情況對(duì)基站的休眠狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，安排用戶進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)移工作。由于小蜂窩基站消耗的功率較低，不能夠采用調(diào)節(jié)檔位較多的發(fā)射設(shè)備進(jìn)行發(fā)射工作，基于此，基站在工作時(shí)需要選擇功率收縮模式，功率消耗量為原來(lái)的一半以上[4]。

4.2? ?基于5G超密集網(wǎng)絡(luò)的D2D中繼節(jié)能算法

為了防止休眠算法在實(shí)踐過(guò)程中增加網(wǎng)絡(luò)總體的耗能，還需要在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)加入D2D中繼通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶的低能耗轉(zhuǎn)移。在D2D中繼通信連接鏈路時(shí)，需要按照標(biāo)準(zhǔn)選擇節(jié)點(diǎn)位置，研究人員經(jīng)過(guò)多年的研究找到一種D2D中繼通信的最優(yōu)質(zhì)連接方式，從根本上優(yōu)化了信息數(shù)據(jù)的傳輸頻率，滿足了用戶的個(gè)性化需求，但由于沒(méi)有將節(jié)點(diǎn)耗能問(wèn)題進(jìn)行充分考慮，在多次應(yīng)用后被改進(jìn)，形成了全新的以能耗為關(guān)注度的D2D中繼選擇方式，為5G超密集網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

由于課題的限制，基站和小蜂窩集合組成的超密集網(wǎng)絡(luò)立體模式是我們探究的核心。由于基站位于本區(qū)域的中心點(diǎn)，方便其對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，而小蜂窩集合處于覆蓋區(qū)域的邊緣位置，局部覆蓋的需求較大，再加上資源的限制，因此應(yīng)采用復(fù)式蜂窩鏈路的上行頻率完成D2D的中繼通信。另外，小蜂窩集合的覆蓋面積較小，容易產(chǎn)生較多的干擾，為了保障通信網(wǎng)絡(luò)的效能，就必須要采用單中繼D2D的雙跳模式進(jìn)行工作。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基站休眠式算法的融合應(yīng)用既可以保障中繼線路的正常通信，還可以降低線路運(yùn)行的能源損耗，達(dá)到節(jié)能的終極目標(biāo)。

5? ? ? 結(jié)? ? 論

綜上所述，基于5G環(huán)境下的超密集網(wǎng)絡(luò)能效問(wèn)題是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。由基站耗能和用戶終端耗能兩個(gè)方面為切入點(diǎn)對(duì)基站休眠時(shí)的中繼算法進(jìn)行分析。工作人員在實(shí)際工作的過(guò)程中，需要參考上述理論選擇耗能量最適合的中繼算法，選擇耗能量最少、算法簡(jiǎn)便的方式保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的終極目標(biāo)。

主要參考文獻(xiàn)

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