5G網(wǎng)絡綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究及展望

游思晴+齊兆群

【摘 要】5G時代聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)目增多，能量消耗激增，如何實現(xiàn)綠色通信是5G時代的重要研究方向。首先介紹了5G通信特點及其帶來的能耗增加，分析國內(nèi)外關(guān)于移動通信綠色節(jié)能的政策導向和各企業(yè)的節(jié)能措施，討論了5G可用于綠色通信的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展狀況，并提出未來可行的研究方向。

【關(guān)鍵詞】能量效率 扁平化IP網(wǎng)絡架構(gòu) 云計算

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.006 中圖分類號：TN915.81 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0031-05

1 引言

2010年，以LTE-Advance[1]為標準的4G網(wǎng)絡已經(jīng)在全球范圍內(nèi)商用，預計在未來十年，無線數(shù)據(jù)量將每年增加一倍，國際電信聯(lián)盟正在加緊制定5G的全球標準，并計劃在2020年實現(xiàn)商用。

相比于4G，5G具有如下的基本特征：

（1）數(shù)據(jù)流量增長百倍，峰值吞吐量至少達到100 Gbps/km2；

（2）聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)目增長百倍，達到100萬/km2；

（3）峰值速率至少達到10 Gbps；

（4）用戶可獲得的速率達到10 Mbps；

（5）短時延和高可靠性；

（6）頻譜利用率較4G提升5～10倍；

（7）網(wǎng)絡能耗低[2]。

5G高速發(fā)展的同時，信息與通信行業(yè)的能量損耗問題日趨嚴重，預計在2020年能量損耗將達到1430噸，占到全球能源損耗的10%[3]，這將是全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)。我國《通信業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出，通信業(yè)萬元電信業(yè)務總量能耗要實現(xiàn)下降10%的目標，研究5G網(wǎng)絡綠色通信迫在眉睫。

2 5G時代的能量損耗

通信設備的能耗很大程度上取決于業(yè)務負載。隨著用戶數(shù)量上升，通信能耗將呈幾何級增長。2010年，我國三大運營商部署的3G基站數(shù)量分別是中國電信30萬個、中國移動55萬個、中國聯(lián)通36萬個[4]。根據(jù)中國聯(lián)通發(fā)布的2015年下半年服務質(zhì)量報告，到2015年底，中國聯(lián)通4G基站整體規(guī)模約為40萬個，而同期中國移動達到了120萬個，中國電信達到了46萬個。以一個傳統(tǒng)基站能耗的兩大主體（主設備和溫控系統(tǒng)）為主要計算對象，一天的耗電量約為100 kWh，一年耗電約3.5×104 kWh。在2015年一年，三大運營商就帶來7×1010 kWh新增電能能耗。據(jù)研究報告，大量的無線接入設備占到整個通信網(wǎng)絡80%～90%的能耗。而即將到來的5G時代，通信業(yè)務量將爆炸式增長，通信設備的能耗問題將更為嚴重。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，信息和通信行業(yè)將是全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)，其中，移動通信網(wǎng)絡占到ICT產(chǎn)業(yè)總能耗的43%。同時，5G已經(jīng)開始嘗試在物聯(lián)網(wǎng)（車聯(lián)網(wǎng)）、智能樓宇等對網(wǎng)絡能耗要求較高的場景下部署，在這些場景下，降低能耗更是比時延、命中率更加重要的優(yōu)化目標。

另一方面，文獻[5]指出目前網(wǎng)絡骨干鏈路的寬帶利用率不到40%，但是由于沒有采取有效措施，通信網(wǎng)絡大部分時間工作在低負載高能耗的模式下。

綜上所述，如何在未來合理部署5G網(wǎng)絡實現(xiàn)綠色通信，這是一個亟待解決的問題。

3 國內(nèi)外綠色通信政策導向和發(fā)展戰(zhàn)略

5G通信即將帶來的巨大能量損耗已經(jīng)引起國內(nèi)外通信業(yè)的關(guān)注。歐洲電信委員會在第七次框架項目（FP7）發(fā)起面向真實能效的網(wǎng)絡設計項目TREND、基于節(jié)能的認知無線電和協(xié)作技術(shù)研究項目（C2P0WER）。法國電信發(fā)起了移動無線網(wǎng)絡節(jié)能優(yōu)化項目（OPERA-NET），計劃在2020年節(jié)能20%[6]。英國MVCE提出Green Radio項目，該項目致力于研究網(wǎng)絡架構(gòu)和綠色無線技術(shù)[7]。

在通信節(jié)能減排方面，我國國家發(fā)改委建立了節(jié)能減排統(tǒng)計監(jiān)測指標。國資委根據(jù)能耗貢獻量，在2010年將三大運營商由節(jié)能減排“一般企業(yè)”調(diào)整為“關(guān)注類企業(yè)”。工信部提出大力發(fā)展綠色ICT產(chǎn)業(yè)，推廣綠色IDC和綠色基站。以上措施表明我國政府對通信實現(xiàn)綠色節(jié)能的強制性要求。

為了引起全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)于綠色通信的關(guān)注，我國國資委、發(fā)改委、工信部從2008年起組織一年一度的綠色通信大會。2012年，大會以“問道綠色發(fā)展 構(gòu)建高效運營”為主題，設立了“綠色通信規(guī)劃與基礎網(wǎng)絡節(jié)能”、“綠色通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與路徑實現(xiàn)”兩大主題論壇。2013年，大會以“綠通信的創(chuàng)新與實踐”為主題，聚焦綠色通信的網(wǎng)絡建設與運營，交流探討產(chǎn)業(yè)鏈綠通信的產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和方案創(chuàng)新。同年2月，工業(yè)和信息化部正式印發(fā)了“進一步加強通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導意見”。2014年，大會以“綠色4G網(wǎng)絡建設與節(jié)能創(chuàng)新”為主題，圍繞新形勢下的節(jié)能減排需求與挑戰(zhàn)，聚焦4G網(wǎng)絡建設，分享通信行業(yè)節(jié)能解決方案與實踐典范。2015年，工信部組織通信行業(yè)節(jié)能減排大會，大會以“互聯(lián)網(wǎng)+下的綠色通信”為主題，以“互聯(lián)網(wǎng)+”下的通信行業(yè)、節(jié)能創(chuàng)新成果應用發(fā)布及經(jīng)驗交流等熱門話題展開經(jīng)驗分享與技術(shù)交流。

在實現(xiàn)綠色通信方面，我國三大運營商也采取了戰(zhàn)略措施。中國電信通過“綠色通信、綠色產(chǎn)品、綠色采購”實現(xiàn)節(jié)能減排，分別采取了光網(wǎng)城市、高耗能設備改造、推廣分布式基站、云網(wǎng)絡等措施。中國移動從發(fā)展C-RAN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、推廣無機房基站建設模式、采用綠色能源等措施實現(xiàn)“綠色行動計劃”。中國聯(lián)通推廣分布式基站、智能節(jié)能關(guān)斷技術(shù)完善來進行節(jié)能減排。

在各國政府、行業(yè)協(xié)會、運營商和產(chǎn)業(yè)鏈各方的努力推動下，綠色通信概念將在5G時代得到良好的發(fā)展。

4 5G網(wǎng)絡綠色通信的關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

目前國內(nèi)外關(guān)于5G綠色通信的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：網(wǎng)絡架構(gòu)、網(wǎng)絡部署、資源調(diào)度、鏈路級技術(shù)等方面。

4.1 網(wǎng)絡架構(gòu)

在5G時代將采用偏平化的IP網(wǎng)絡，網(wǎng)絡層次簡單，實現(xiàn)分布式架構(gòu)，使得無線資源管理更加靈活高效，實現(xiàn)用戶在核心網(wǎng)的無縫切換。扁平化IP網(wǎng)絡架構(gòu)減少了數(shù)據(jù)通道中的網(wǎng)元數(shù)量和傳輸過程中的能量損耗，降低了建網(wǎng)和運營成本。

5G網(wǎng)絡還將是一個基于云計算的異構(gòu)網(wǎng)絡。中國移動在2010年4月發(fā)布了C-RAN（Cloud Radio Access Network），采用了集中處理、協(xié)作無線電和及時云技術(shù)。在此基礎上，5G網(wǎng)絡架構(gòu)將包含靈活操作的無線接入云、開放智能的控制云、高效低成本的轉(zhuǎn)發(fā)云[8]。通過將網(wǎng)絡資源云化可實現(xiàn)資源劃分和管理。通過云端將無線接入和節(jié)點虛化，利用SDN（軟件定義網(wǎng)絡）傳輸，可大大降低網(wǎng)絡建設和運營成本。其中SDN將路由器中的路由決策等控制功能從設備中分離出來，統(tǒng)一由中心控制器通過軟件進行控制，實現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)發(fā)的分離，使得控制更加靈活，設備更加簡單。

4.2 網(wǎng)絡部署

5G采用基站分層部署的策略。通過部署包括家庭基站（HeNB）、微微蜂窩基站（Pico Cell）、微蜂窩（Micro Cell）、中繼（Relay）等多種低功率節(jié)點的方式提升系統(tǒng)容量，如圖1所示，宏基站（Marco Cell）設計用來增加覆蓋范圍，而微蜂窩（Micro Cell）和微微蜂窩基站用于密集通信場所。在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，各種低功率節(jié)點的部署密度將達到現(xiàn)有站點部署密度的10倍以上，站點之間的距離將縮小到10 m甚至更小，支持每平方米高達上萬數(shù)量的用戶，最終形成激活用戶數(shù)和服務站點數(shù)1：1的超級密集異構(gòu)網(wǎng)絡。

分層基站部署將大幅度降低能量損耗。文獻[9]、文獻[10]指出宏基站大概需要5 kW的功率，而微微蜂窩基站只需要10 W左右。如果采用多個微微蜂窩基站達到宏基站相同的覆蓋面積，能量損耗只有采用宏基站覆蓋方式的七分之一。文獻[11]提出在高用戶密度區(qū)域增加微微蜂窩基站部署，可以提高整個網(wǎng)絡的能量效率。

以上研究均是采用較為簡單的業(yè)務模型和單一的用戶行為特征分布，采用最優(yōu)化算法進行資源調(diào)度，得出5G的分層基站部署能夠在一定程度上降低網(wǎng)絡能耗的結(jié)論。該結(jié)論具有片面性，與實際場景出入較大。后續(xù)研究能夠利用目前大數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢，對海量數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，得出更加有效的適合復雜情景的算法。

4.3 資源調(diào)度

通信網(wǎng)絡建設初期，通常按照網(wǎng)絡流量高峰期的資源需求原則進行規(guī)劃設計。

在實際應用中，網(wǎng)絡流量會隨時間變化，不同的小區(qū)有不同的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出高低起伏的“潮汐效應”。比如，網(wǎng)絡流量一般會出現(xiàn)“晝高夜低”的現(xiàn)象，而工作區(qū)和住宅區(qū)會出現(xiàn)“此消彼長”的特性。當網(wǎng)絡流量降低時，基站容量冗余，就導致能量的浪費。

如何在合適的時機對網(wǎng)絡資源進行控制，這是提高網(wǎng)絡能量效率的有效解決方案。小區(qū)的開關(guān)技術(shù)是解決潮汐現(xiàn)象的常用方法，在基站業(yè)務量低時，通過信令控制部分基站休眠，由相鄰基站承擔休眠基站原先的覆蓋區(qū)域的業(yè)務傳輸和容量補償。針對5G網(wǎng)絡，文獻[12]提出將流量分布擬合成關(guān)于時間的正弦分布函數(shù)，動態(tài)調(diào)整基站的工作狀態(tài)。文獻[13]提出了一種基于網(wǎng)絡流量預測的基站休眠節(jié)能方法，通過流量預測方法，對網(wǎng)絡流量進行合并，通過鏈路和節(jié)點開關(guān)的方式，使得處在低利用率的鏈路休眠。文獻[14]提出了Poisson-Vorono i-Tessellation（PVT）的隨機蜂窩網(wǎng)絡運行效能模型。

綜上所述，目前的研究結(jié)果都是基于假設小區(qū)接入用戶和業(yè)務均勻分布，小區(qū)覆蓋均勻等前提下得到的，與實際場景出入較大。

未來只有在保證Qos條件下實時監(jiān)測網(wǎng)絡負載，同時在參考業(yè)務流量長期歷史數(shù)據(jù)的基礎上，有效進行網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化的參數(shù)設計，在運行階段提前預留相鄰基站資源來接收休眠小區(qū)用戶，才有可能提高整個網(wǎng)絡的能量效率。

4.4 鏈路級技術(shù)

5G采用了大量的先進技術(shù)來提高用戶速率、降低時延、減少能耗。主要包括以下幾種：

（1）高階MIMO，又稱為Massive MIMO，通過在基站端放置大規(guī)模天線陣列，使得用戶矢量信道趨于正交，消除用戶間干擾。文獻[15]證明高階MIMO能夠大幅度降低基站的功耗和成本。文獻[16]提出隨著天線數(shù)目的增加，基站可以使用低功耗的放大器。

（2）D2D（設備到設備）無需基站即可實現(xiàn)通信終端之間的直接通信，擴展了網(wǎng)絡鏈接和接入方式。該方式信道質(zhì)量高，頻率資源利用效率高，提高了鏈路靈活性和網(wǎng)絡可靠性。但D2D通信還存在功率消耗和資源分配優(yōu)化的問題。

（3）NOMA（非正交多址接入）將一個資源分配給多個用戶，提高了資源利用率。

5 5G時代綠色通信可能的研究方向

從以上分析可以看出，5G通過扁平化IP網(wǎng)絡架構(gòu)、分層基站部署、先進的鏈路技術(shù)可以實現(xiàn)綠色通信。但是正如上文分析的一樣，由于網(wǎng)絡規(guī)劃實施階段都是按照峰值流量進行基站部署的，沒有考慮網(wǎng)絡的“潮汐效應”，造成網(wǎng)絡資源利用率低，能耗高的情況，在未來建議可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高網(wǎng)絡能量效率。開展面向用戶行為和業(yè)務特征的無線網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)建模和分析。目前網(wǎng)絡采集的業(yè)務數(shù)據(jù)都是應用層面的，需要對無線網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的獲取、管理和分析重新進行設計，合理布置數(shù)據(jù)采集節(jié)點。通過對采集數(shù)據(jù)的分析和深度挖掘，研究用戶行為和業(yè)務特征的時空模型，進一步研究不同業(yè)務類型網(wǎng)絡流量的時間相似性和周期性、空間相關(guān)性和低秩性。提出合理的網(wǎng)絡流量預測模型，使流量預測能夠準確跟蹤實時流量數(shù)據(jù)的空時特性。在此基礎上，有效優(yōu)化網(wǎng)絡資源，用最少的網(wǎng)絡資源，來保證通信質(zhì)量。

6 結(jié)束語

隨著5G時代的臨近，用戶將獲得更高的傳輸速率，通信技術(shù)也將更加普及，通信能量損耗已經(jīng)成為不可忽視的問題，引起國內(nèi)外政府、電信企業(yè)、學術(shù)機構(gòu)的重視，各國紛紛出臺支持移動通信綠色節(jié)能技術(shù)發(fā)展的政策，業(yè)界提出有效的節(jié)能減排措施，隨著研究的深入，在不久的將來我們將感受到5G為我們帶來的綠色生活。

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