依托于無線接入網(wǎng)的綠色無線通信技術(shù)研究

董云亮，戴 鵬，殷文君

（安徽信息工程學(xué)院新蕪校區(qū)，安徽 蕪湖 241100）

0 引 言

無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為多媒體業(yè)務(wù)的高效開展提供了基礎(chǔ)條件，能確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效傳輸。但隨著網(wǎng)民數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的增加，通信網(wǎng)絡(luò)能耗問題日益突出，對(duì)環(huán)境與能源保護(hù)帶來了不利影響。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，通信行業(yè)年均能耗在全球總能耗中比重較大，必須加大通信網(wǎng)絡(luò)能源的合理使用研究，推進(jìn)無線通信網(wǎng)絡(luò)朝著綠色節(jié)能方向發(fā)展。

1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的能耗構(gòu)成與優(yōu)化重點(diǎn)

基站產(chǎn)生的能耗在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的比重較大，因此要應(yīng)注對(duì)基站能耗組成的分析，找出影響能源使用效率的因素，提高無線接入網(wǎng)的能源利用率。但需注意的是，目前針對(duì)無線接入網(wǎng)能耗的研究主要集中在輸出功率上，研究結(jié)果較片面。針對(duì)這一問題，可采取全方位分析基站能耗構(gòu)成的研究方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行無線接入網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的基站功率建模法，是將基站功率與輸出功率間的線性關(guān)系表示出來，從而對(duì)基站工作時(shí)產(chǎn)生的功率進(jìn)行全面分析。傳輸功率主要與傳輸相關(guān)功率及偏置功率有關(guān)，傳輸相關(guān)功率是指基站在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要達(dá)到的輸出功率，不僅包含射頻傳輸功率，還與天線與功放等部位運(yùn)行時(shí)需要的功率有關(guān)，是基站能耗的主要組成部分。可通過優(yōu)化功放功率達(dá)到提高基站能源利用率的目的。而偏置功率與系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送有關(guān)，當(dāng)基站內(nèi)部器件開始運(yùn)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)能耗。這類能源消耗由系統(tǒng)參數(shù)與部件參數(shù)等因素決定，應(yīng)在保證基站傳輸效率滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需求的條件下，進(jìn)行基站偏置功率的優(yōu)化處理。

2 器件級(jí)能量的優(yōu)化處理

2.1 提高基站器件的能量運(yùn)用效率

通常將基站器件分為基帶、饋線及射頻等，在對(duì)各部分能耗量進(jìn)行分析時(shí)，可發(fā)現(xiàn)射頻能耗占總耗能的較大比重。在目前已建立的無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，還無法充分發(fā)揮功率放大器功能，無法提升網(wǎng)絡(luò)能量使用效率[1]。要提高功率放大器運(yùn)行效果，可采取提升線性及功率效率等措施，將先進(jìn)的功放器件應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中。如Doherty功率放大器主要是利用B/C型放大器及相應(yīng)的輔助放大器，將效率控制在指定范圍內(nèi)，保障基站功放能量的充分利用。同時(shí)，可通過信號(hào)處理方法來提升功放能量使用率。例如，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)做峰值因子縮減操作，可進(jìn)一步減少無效數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)而提高無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率及能量使用效率。

2.2 加大基站動(dòng)態(tài)功率的管理

為實(shí)現(xiàn)器件級(jí)能量的優(yōu)化處理，還需注重對(duì)基站業(yè)務(wù)特性的掌握，對(duì)基站動(dòng)態(tài)功率進(jìn)行有效管理。現(xiàn)行無線通信基站在執(zhí)行各項(xiàng)業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)業(yè)務(wù)特點(diǎn)的把握不夠充分，可根據(jù)峰值業(yè)務(wù)產(chǎn)生的流量值，制定相應(yīng)的傳輸效率及功率，保證能量配置效率，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸受阻情況。無線通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)體現(xiàn)出空間布局特性，部分時(shí)間段內(nèi)的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量需求不高，造成能源浪費(fèi)。為解決這一問題，要求網(wǎng)絡(luò)基站中各部件要結(jié)合業(yè)務(wù)特性，自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敼β省Ｈ鐚⒍喙β拾l(fā)射機(jī)電路運(yùn)用到無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，促使各線路能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行流量及能源需求，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率等級(jí)，達(dá)到傳輸能耗的目的。另外，還需盡快解決基站能耗部件持續(xù)啟動(dòng)的問題，在業(yè)務(wù)需求較少階段，應(yīng)確保閑置線路處于關(guān)閉狀態(tài)，減少基站能耗。

3 鏈路級(jí)能量的優(yōu)化處理

3.1 無線資源及傳輸能耗折中

在無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，要合理選擇傳輸容量，傳輸信道帶寬與運(yùn)輸功率等因素決定了系統(tǒng)的傳輸容量。由于網(wǎng)絡(luò)線路傳輸容量和傳輸帶寬間呈線性關(guān)系，因此可采取折中處理方式。如在速率約束確定的情況下，通多提高帶寬來減少傳輸功率。做到帶寬資源與能耗折中，關(guān)注無線頻譜資源的開發(fā)及運(yùn)用，為數(shù)據(jù)傳輸提供多種信道[2]。無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為無線頻譜資源的挖掘提供了良好條件。GSM通信系統(tǒng)的帶寬可達(dá)200 Hz，能根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需求，合理設(shè)置信道帶寬，UMTS系統(tǒng)的帶寬為5 MHz，其信號(hào)傳輸能力較強(qiáng)。

在時(shí)間資源與系統(tǒng)功率的折中處理上，應(yīng)認(rèn)識(shí)到時(shí)間是一種主要的通信資源，當(dāng)通信系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)量增多后，需要增加數(shù)據(jù)傳送信道，但這在一定程度上加大了基站能耗。這時(shí)需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間資源的合理使用，實(shí)現(xiàn)時(shí)間資源和傳輸功率折中的目標(biāo)。將數(shù)據(jù)傳送時(shí)間作為變量，隨著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的變化，數(shù)據(jù)傳輸效率將產(chǎn)生變化，因此需要從延長(zhǎng)業(yè)務(wù)辦理時(shí)間角度出發(fā)，充分利用時(shí)間資源。例如，目前常用的排隊(duì)理論，在綜合考慮業(yè)務(wù)空間分布特點(diǎn)及服務(wù)延時(shí)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)傳輸功率的動(dòng)態(tài)調(diào)整性能，使通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征，有效利用時(shí)間資源。

3.2 業(yè)務(wù)傳輸性能及功耗折中

從業(yè)務(wù)傳輸性能及功耗折中方面著手，可發(fā)現(xiàn)要提高通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)辦理能力，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)，要保證無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的頻譜效率與服務(wù)延時(shí)等性能指標(biāo)符合系統(tǒng)運(yùn)行要求。以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信系統(tǒng)為例，在對(duì)該系統(tǒng)的傳輸效率及頻譜效率等性能指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)性能指標(biāo)和功率折中處理這一角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸功率的目標(biāo)。傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)是以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能為基礎(chǔ)，進(jìn)行性能指標(biāo)的優(yōu)化處理，沒有做到性能指標(biāo)與各類業(yè)務(wù)辦理要求的充分結(jié)合，這就需要在全面掌握系統(tǒng)業(yè)務(wù)特征的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地強(qiáng)調(diào)性能指標(biāo)，以便充分發(fā)揮無線通信網(wǎng)絡(luò)功能，避免出現(xiàn)功率浪費(fèi)現(xiàn)象。

4 網(wǎng)絡(luò)級(jí)能量的優(yōu)化處理

4.1 異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)的能量?jī)?yōu)化處理時(shí)，應(yīng)從異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)。通過在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上添加低能耗的微蜂窩或家庭基站等無線接入站點(diǎn)，形成異構(gòu)無線通信系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能滿足各類業(yè)務(wù)辦理需求，并充分利用網(wǎng)絡(luò)能量。要充分發(fā)揮異構(gòu)無線通信系統(tǒng)的運(yùn)用價(jià)值，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)對(duì)流量及功率的需求，配置對(duì)應(yīng)的微區(qū)服務(wù)或家庭基站，為系統(tǒng)內(nèi)大容量業(yè)務(wù)的高效完成奠定基礎(chǔ)[3]。微站點(diǎn)與家庭教育基站等無線接入點(diǎn)具有運(yùn)行功耗低的特點(diǎn)，將其作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)執(zhí)行的能量供應(yīng)接點(diǎn)，有利于提高能量運(yùn)用效率。但在原有通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入過多接入點(diǎn)，會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不利于提高能量使用效率，當(dāng)用戶實(shí)施各項(xiàng)操作時(shí)，各節(jié)點(diǎn)間頻繁切換，會(huì)加大系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度。因此，應(yīng)合理設(shè)置接入點(diǎn)密度，并根據(jù)無線通信系統(tǒng)實(shí)際需求確定異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立高效的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4.2 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)

協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)被看作是無線通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的方向之一，其分布式天線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)作中繼傳輸?shù)燃夹g(shù)，在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗方面有現(xiàn)實(shí)意義[4]。其中分布式天線網(wǎng)絡(luò)能借助各小型基站協(xié)調(diào)運(yùn)行，通過協(xié)調(diào)不同基站的發(fā)射信號(hào)，減少外部干擾信號(hào)，提高通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理效率，確保基站能量的有效利用。例如，協(xié)作基站處理信息的無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化處理技術(shù)，能縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，提高無線通信系統(tǒng)運(yùn)行效率，避免出現(xiàn)能量浪費(fèi)現(xiàn)象。基站協(xié)作技術(shù)，可利用中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的放大及解碼操作等，確保通信系統(tǒng)為數(shù)據(jù)傳輸提供適當(dāng)信道。

4.3 無線資源分類

網(wǎng)絡(luò)能量利用程度與各類資源分配是否合理有緊密聯(lián)系，應(yīng)從無線資源分類角度出發(fā)，為網(wǎng)絡(luò)能量的充分利用提供有效途徑。決定無線通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素在信道狀態(tài)信息，要在收集和整理信道狀況信息的基礎(chǔ)上，合理分配無線資源，提升無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。要在充分了解用戶需求的基礎(chǔ)上合理分配無線資源，科學(xué)配置無線信道及網(wǎng)絡(luò)能量等資源，使無線信道根據(jù)數(shù)據(jù)處理量進(jìn)行能量調(diào)整，可提高系統(tǒng)資源利用率。在進(jìn)行系統(tǒng)資源分配時(shí)，還應(yīng)考慮協(xié)作網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的引進(jìn)對(duì)原有通信系統(tǒng)的影響，信道數(shù)量的增加使接入點(diǎn)分布更加密集，因此，應(yīng)綜合考察時(shí)間資源和空間資源等因素，制定具體的網(wǎng)絡(luò)資源分配方案。

5 結(jié) 論

綜上所述，在全球能源壓力及環(huán)境污染等問題不斷加劇的情況下，綠色節(jié)能已成為社會(huì)各行業(yè)的發(fā)展主題，在遵循節(jié)能減排原則的基礎(chǔ)上，促進(jìn)綠色無線通信的發(fā)展，為通信行業(yè)發(fā)展注入活力。從能耗角度出發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò)中無線接入網(wǎng)能耗較大，因此，需要對(duì)無線接入技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行深入研究，減小無線接入網(wǎng)能耗，做到綠色通信，真正落實(shí)節(jié)能減排理念。