低碳無線移動通信技術的研究與思考

蘇麗文

【摘要】 綠色低碳無線移動通信技術的研究主要從綠色環保的主題著手，在對通信設備的現狀進行分析的情況下，發現提高其使用壽命和減少其所造成的環境污染的方法，并對此做出總結和思考，進一步助力移動信息行業進入綠色低碳產業的范疇。本文以一名學生的視角，對低碳無線移動通信技術進行分析，旨在為無線移動通信技術研究添磚加瓦。

【關鍵詞】 移動通信技術 節能減排 網絡設計規劃

隨著通信技術的迅猛發展，移動通信系統經歷了第一代到4G的演進，手機用戶越來越多，網絡制式越來越復雜，各種異構網絡并存，由此引起的蜂窩網的覆蓋也越密集。同時，移動通信支持的速率由幾kbit/s將上升到未來的Gbit/s量級，移動通信的寬帶化促進了移動互聯網業務的翻倍增長。如此多的用戶、業務和網絡部署使得蜂窩網絡的能耗不斷增長，據統計，信息通信產業已成為全球第五大耗能產業，其CO2的排放量占全球的2%左右，每年用于網絡設備和環境維護的費用約為150億美元。因此需要不斷倡導低碳通信，在關注通信速率、頻譜利用率的提高和網絡時延的縮短的同時，也應重點考慮通信網絡的能耗問題。

對于一個典型的蜂窩網絡而言，基站是其網絡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耗電又占主導地位。一個典型的3G基站其功率大約為500W，這將導致一年的電能消耗為4.5MWh。設有12000個基站的3G系統，年消耗電能可達50GWh，并產生大量 CO2。

要提高通信系統的能量效率，包括減少基站的能量消耗，可以有多種方法。

一、認知無線網絡與綠色無線通信

認知無線電是一個智能無線電，它能和周圍環境進行交互而改變發射機參數，達到某種系統優化的效果。它的首要任務是頻譜感知，也就是在認知節點通過對無線電頻譜進行監測，發現頻譜空穴，伺機接入授權頻譜，在不對主用戶干擾的情況下共享頻譜資源。認知無線電通過這種方式極大的提高了頻譜利用率，解決了頻譜匱乏問題。于是根據香農容量公式：

通過香農容量公式可知，在一定的通信容量下，所用功率和帶寬是互換的。也就是說，通過對頻譜進行動態管理，獲取更大的信道帶寬，就可以極大的節約功率資源，達到節能的目的。同時，認知無線電通過認知無線環境，動態地調整發射機參數，比如，選擇信道衰落較小的頻譜和相應的調制和編碼方式，可以降低所需的功率消耗。

認知無線網絡和低碳通信的關系包括兩點：一是基于認知無線網絡，網元可通過認知信息流獲取重配置因素；二是通過重配置可以統一的規劃和改變終端的軟件來省掉重復建設。在認知無線電里需要聯合資源管理，包括在多域中的無線資源管理，調度的方式，以及以資源利用率和能量利用率為目標的全局優化。動態的頻譜管理可以在認知無線環境的基礎上，自適應選擇信道衰落相對較小的頻譜和相應的發射方式進行發射，使得發送功率最小，降低干擾，提高吞吐量。設計高效協議，降低信令等開銷的同時，也降低了多余的功耗，達到節能的環保目的。

二、基于分布式協同技術的高效節能系統

移動通信的分布式天線系統較傳統蜂窩系統能有效地增強頻譜效率和功率效率，比集中式分布系統有更高的容量，對創建環保型網絡來說是一個很有前途的解決方案。協作分布式天線系統能有效解決傳統蜂窩移動通信系統的一個最顯著的問題----小區邊緣問題（在小區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下降趨勢，其重要原因就是終端接收功率本身隨距離增加的指數下降；上行鏈路手機需要的發射功率隨距離增加線性增加）。對于協作分布式天線系統，基站具有多個分布式天線收發點和集中的基站處理器.基站通過多個天線無線收發點與某一終端通信，光纖將各個無線收發點的遠端處理單元RAU信號集中到基站處理單元BPU進行聯合信號處理，如圖2所示。系統將天線分散在整個小區，使得分散的電波對小區均勻覆蓋，用戶就近接入基站，通過各個分散的天線的協同工作，提高了頻譜效率，同時減少了發送功率，從而提高了功率效率。

通過香農容量公式計算分析，分布式系統容量在高信噪比下逼近正態分布，低信噪比下逼近對數正態分布。結合分布式天線系統分析，由于分布式天線的物理位置分散性，多用戶干擾問題顯著減小，更加有利于多用戶MIMO的應用。仿真結果表明，在典型場景下，達到相同的頻譜效率，協作分布式天線系統的手機發射功率可降低10dB。在相同的小區覆蓋范圍和相同數目的天線情況下，分布式天線系統將基站的發射功率均勻地分散在小區內，提高了平均小區容量，降低了需要的發送功率，從而有效提高了頻譜效率和功率效率。因此，協作分布式天線系統中，終端總是能夠找到最近分布的遠端天線，找到最近天線系統進行通信，非常便捷高效，是一個極有前景的技術，能夠大量節省網絡需要的發射能量，從而達到綠色網絡的目的。

三、從追求寬帶高速到追求效率和環保

隨著我國 4G 移動通信標準獲得國際認可并在國內大規模部署網絡，以及業已啟動研究計劃的面向 2020 年商用的未來 5G 系統，移動通信將持續成為高能量消費行業。綠色通信已經上升到國家整體規劃層面，“十二五”規劃綱要已經把降低污染物排放與總耗能量作為節能減排的目標。縱觀無線通信的發展歷史，基站覆蓋的縮小化為無線通信系統帶來了能量效率與系統容量跨數量級的提升。第四代移動通信，我國采用 TDD 制式 LTE，在人口密集城區場景下覆蓋范圍 500-1000m，其上下行峰值速率可分別達到50Mbps/100Mbps。除系統容量增益外，基站覆蓋的縮小化也會直接帶來能源效率的增益。用戶與基站之間的傳輸鏈路縮短，改善了基站原來長距離鏈路傳輸的高路徑損耗，從而可采用較低發射功率。另外，小區覆蓋范圍縮小后，一些不適合長距離傳輸的高頻段資源得以利用，擴展了系統可用帶寬。由此可以看出，在過去幾十年中，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，并且已經取得了很大的進展。對未來無線移動通信，要努力建立更有效的信息傳輸體系，開發更有效的應用頻譜的技術，和更有效的信息應用方法。

四、對低碳無線移動通信技術的思考

在大力倡導構建節能減排社會時，低碳無線通信已成為了一種潮流，使我們在關注通信系統容量時也注重其能量效率。但就低碳無線移動通信技術在我國目前并沒有得到廣泛運用。在作者看來一是由于我國低碳無線通信技術還在整個技術的開發成熟階段，缺少得到商業運用的成品，所以其是否具有足夠的社會價值和使用價值還沒有定數，假若沒有得到實踐驗證的就去貿然推廣這樣不利于整個社會經濟的健康發展；另一方面就是成本較大，也是由于技術上還沒有成熟定性的產品，其商用化的成本一定會十分的昂貴，同時對于其匹配的基礎終端設備也將提高其生產成本，造成商用化的趨勢微小。總之這些原因都會導致原有用戶的大量流失，阻礙通信行業快速發展的腳步。因此，我們應當加大投入盡快研發出技術成熟的低碳無線移動通信技術，并努力提高其性價比，使其盡快的走入千家萬戶。

五、結束語

綜上所述，隨著技術成熟度、產品性價比的逐漸提升，低碳無線移動通信技術終將會成為通信行業發展的主流趨勢。本文簡要介紹了低碳無線通信的關鍵技術，包括認知無線電、基于分布式協同技術的高效節能系統及從追求寬帶高速到追求效率和環保。當然各種技術都有自己的缺點，這有待于我們去克服。相信在不久的將來，低碳無線通信將會普及，為建設環境友好型社會做貢獻。

參 考 文 獻

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[2]田金鳳，鄭小盈，胡宏林，尤肖虎. 中國下一代移動通信研究[J]. 科學通報，2012，05：299-313.