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5G网络绿色通信技术现状研究及展望

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【摘 要】5G时代联网设备数目增多,能量消耗激增,如何实现绿色通信是5G时代的重要研究方向。首先介绍了5G通信特点及其带来的能耗增加,分析国内外关于移动通信绿色节能的政策导向和各企业的节能措施,讨论了5G可用于绿色通信的关键技术和发展状况,并提出未来可行的研究方向。
  【关键词】能量效率 扁平化IP网络架构 云计算
  doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.006 中图分类号:TN915.81 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2016)20-0031-05
  1 引言
  2010年,以LTE-Advance[1]为标准的4G网络已经在全球范围内商用,预计在未来十年,无线数据量将每年增加一倍,国际电信联盟正在加紧制定5G的全球标准,并计划在2020年实现商用。
  相比于4G,5G具有如下的基本特征:
  (1)数据流量增长百倍,峰值吞吐量至少达到100 Gbps/km2;
  (2)联网设备数目增长百倍,达到100万/km2;
  (3)峰值速率至少达到10 Gbps;
  (4)用户可获得的速率达到10 Mbps;
  (5)短时延和高可靠性;
  (6)频谱利用率较4G提升5~10倍;
  (7)网络能耗低[2]。
  5G高速发展的同时,信息与通信行业的能量损耗问题日趋严重,预计在2020年能量损耗将达到1430吨,占到全球能源损耗的10%[3],这将是全球第五大耗能产业。我国《通信业“十二五”发展规划》明确提出,通信业万元电信业务总量能耗要实现下降10%的目标,研究5G网络绿色通信迫在眉睫。
  2 5G时代的能量损耗
  通信设备的能耗很大程度上取决于业务负载。随着用户数量上升,通信能耗将呈几何级增长。2010年,我国三大运营商部署的3G基站数量分别是中国电信30万个、中国移动55万个、中国联通36万个[4]。根据中国联通发布的2015年下半年服务质量报告,到2015年底,中国联通4G基站整体规模约为40万个,而同期中国移动达到了120万个,中国电信达到了46万个。以一个传统基站能耗的两大主体(主设备和温控系统)为主要计算对象,一天的耗电量约为100 kWh,一年耗电约3.5×104 kWh。在2015年一年,三大运营商就带来7×1010 kWh新增电能能耗。据研究报告,大量的无线接入设备占到整个通信网络80%~90%的能耗。而即将到来的5G时代,通信业务量将爆炸式增长,通信设备的能耗问题将更为严重。据相关资料统计,信息和通信行业将是全球第五大耗能产业,其中,移动通信网络占到ICT产业总能耗的43%。同时,5G已经开始尝试在物联网(车联网)、智能楼宇等对网络能耗要求较高的场景下部署,在这些场景下,降低能耗更是比时延、命中率更加重要的优化目标。
  另一方面,文献[5]指出目前网络骨干链路的宽带利用率不到40%,但是由于没有采取有效措施,通信网络大部分时间工作在低负载高能耗的模式下。
  综上所述,如何在未来合理部署5G网络实现绿色通信,这是一个亟待解决的问题。
  3 国内外绿色通信政策导向和发展战略
  5G通信即将带来的巨大能量损耗已经引起国内外通信业的关注。欧洲电信委员会在第七次框架项目(FP7)发起面向真实能效的网络设计项目TREND、基于节能的认知无线电和协作技术研究项目(C2P0WER)。法国电信发起了移动无线网络节能优化项目(OPERA-NET),计划在2020年节能20%[6]。英国MVCE提出Green Radio项目,该项目致力于研究网络架构和绿色无线技术[7]。
  在通信节能减排方面,我国国家发改委建立了节能减排统计监测指标。国资委根据能耗贡献量,在2010年将三大运营商由节能减排“一般企业”调整为“关注类企业”。工信部提出大力发展绿色ICT产业,推广绿色IDC和绿色基站。以上措施表明我国政府对通信实现绿色节能的强制性要求。
  为了引起全产业链关于绿色通信的关注,我国国资委、发改委、工信部从2008年起组织一年一度的绿色通信大会。2012年,大会以“问道绿色发展 构建高效运营”为主题,设立了“绿色通信规划与基础网络节能”、“绿色通信的关键环节与路径实现”两大主题论坛。2013年,大会以“绿通信的创新与实践”为主题,聚焦绿色通信的网络建设与运营,交流探讨产业链绿通信的产品创新、技术创新和方案创新。同年2月,工业和信息化部正式印发了“进一步加强通信业节能减排工作的指导意见”。2014年,大会以“绿色4G网络建设与节能创新”为主题,围绕新形势下的节能减排需求与挑战,聚焦4G网络建设,分享通信行业节能解决方案与实践典范。2015年,工信部组织通信行业节能减排大会,大会以“互联网+下的绿色通信”为主题,以“互联网+”下的通信行业、节能创新成果应用发布及经验交流等热门话题展开经验分享与技术交流。
  在实现绿色通信方面,我国三大运营商也采取了战略措施。中国电信通过“绿色通信、绿色产品、绿色采购”实现节能减排,分别采取了光网城市、高耗能设备改造、推广分布式基站、云网络等措施。中国移动从发展C-RAN网络结构、推广无机房基站建设模式、采用绿色能源等措施实现“绿色行动计划”。中国联通推广分布式基站、智能节能关断技术完善来进行节能减排。
  在各国政府、行业协会、运营商和产业链各方的努力推动下,绿色通信概念将在5G时代得到良好的发展。
  4 5G网络绿色通信的关键技术研究状况
  目前国内外关于5G绿色通信的关键技术研究包括:网络架构、网络部署、资源调度、链路级技术等方面。
  4.1 网络架构
  在5G时代将采用偏平化的IP网络,网络层次简单,实现分布式架构,使得无线资源管理更加灵活高效,实现用户在核心网的无缝切换。扁平化IP网络架构减少了数据通道中的网元数量和传输过程中的能量损耗,降低了建网和运营成本。  5G网络还将是一个基于云计算的异构网络。中国移动在2010年4月发布了C-RAN(Cloud Radio Access Network),采用了集中处理、协作无线电和及时云技术。在此基础上,5G网络架构将包含灵活操作的无线接入云、开放智能的控制云、高效低成本的转发云[8]。通过将网络资源云化可实现资源划分和管理。通过云端将无线接入和节点虚化,利用SDN(软件定义网络)传输,可大大降低网络建设和运营成本。其中SDN将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来,统一由中心控制器通过软件进行控制,实现控制和转发的分离,使得控制更加灵活,设备更加简单。
  4.2 网络部署
  5G采用基站分层部署的策略。通过部署包括家庭基站(HeNB)、微微蜂窝基站(Pico Cell)、微蜂窝(Micro Cell)、中继(Relay)等多种低功率节点的方式提升系统容量,如图1所示,宏基站(Marco Cell)设计用来增加覆盖范围,而微蜂窝(Micro Cell)和微微蜂窝基站用于密集通信场所。在宏基站的覆盖范围内,各种低功率节点的部署密度将达到现有站点部署密度的10倍以上,站点之间的距离将缩小到10 m甚至更小,支持每平方米高达上万数量的用户,最终形成激活用户数和服务站点数1:1的超级密集异构网络。
  分层基站部署将大幅度降低能量损耗。文献[9]、文献[10]指出宏基站大概需要5 kW的功率,而微微蜂窝基站只需要10 W左右。如果采用多个微微蜂窝基站达到宏基站相同的覆盖面积,能量损耗只有采用宏基站覆盖方式的七分之一。文献[11]提出在高用户密度区域增加微微蜂窝基站部署,可以提高整个网络的能量效率。
  以上研究均是采用较为简单的业务模型和单一的用户行为特征分布,采用最优化算法进行资源调度,得出5G的分层基站部署能够在一定程度上降低网络能耗的结论。该结论具有片面性,与实际场景出入较大。后续研究能够利用目前大数据分析的优势,对海量数据进行分析统计,得出更加有效的适合复杂情景的算法。
  4.3 资源调度
  通信网络建设初期,通常按照网络流量高峰期的资源需求原则进行规划设计。
  在实际应用中,网络流量会随时间变化,不同的小区有不同的变化规律,呈现出高低起伏的“潮汐效应”。比如,网络流量一般会出现“昼高夜低”的现象,而工作区和住宅区会出现“此消彼长”的特性。当网络流量降低时,基站容量冗余,就导致能量的浪费。
  如何在合适的时机对网络资源进行控制,这是提高网络能量效率的有效解决方案。小区的开关技术是解决潮汐现象的常用方法,在基站业务量低时,通过信令控制部分基站休眠,由相邻基站承担休眠基站原先的覆盖区域的业务传输和容量补偿。针对5G网络,文献[12]提出将流量分布拟合成关于时间的正弦分布函数,动态调整基站的工作状态。文献[13]提出了一种基于网络流量预测的基站休眠节能方法,通过流量预测方法,对网络流量进行合并,通过链路和节点开关的方式,使得处在低利用率的链路休眠。文献[14]提出了Poisson-Vorono i-Tessellation(PVT)的随机蜂窝网络运行效能模型。
  综上所述,目前的研究结果都是基于假设小区接入用户和业务均匀分布,小区覆盖均匀等前提下得到的,与实际场景出入较大。
  未来只有在保证Qos条件下实时监测网络负载,同时在参考业务流量长期历史数据的基础上,有效进行网络规划和优化的参数设计,在运行阶段提前预留相邻基站资源来接收休眠小区用户,才有可能提高整个网络的能量效率。
  4.4 链路级技术
  5G采用了大量的先进技术来提高用户速率、降低时延、减少能耗。主要包括以下几种:
  (1)高阶MIMO,又称为Massive MIMO,通过在基站端放置大规模天线阵列,使得用户矢量信道趋于正交,消除用户间干扰。文献[15]证明高阶MIMO能够大幅度降低基站的功耗和成本。文献[16]提出随着天线数目的增加,基站可以使用低功耗的放大器。
  (2)D2D(设备到设备)无需基站即可实现通信终端之间的直接通信,扩展了网络链接和接入方式。该方式信道质量高,频率资源利用效率高,提高了链路灵活性和网络可靠性。但D2D通信还存在功率消耗和资源分配优化的问题。
  (3)NOMA(非正交多址接入)将一个资源分配给多个用户,提高了资源利用率。
  5 5G时代绿色通信可能的研究方向
  从以上分析可以看出,5G通过扁平化IP网络架构、分层基站部署、先进的链路技术可以实现绿色通信。但是正如上文分析的一样,由于网络规划实施阶段都是按照峰值流量进行基站部署的,没有考虑网络的“潮汐效应”,造成网络资源利用率低,能耗高的情况,在未来建议可以利用大数据技术提高网络能量效率。开展面向用户行为和业务特征的无线网络大数据建模和分析。目前网络采集的业务数据都是应用层面的,需要对无线网络大数据的获取、管理和分析重新进行设计,合理布置数据采集节点。通过对采集数据的分析和深度挖掘,研究用户行为和业务特征的时空模型,进一步研究不同业务类型网络流量的时间相似性和周期性、空间相关性和低秩性。提出合理的网络流量预测模型,使流量预测能够准确跟踪实时流量数据的空时特性。在此基础上,有效优化网络资源,用最少的网络资源,来保证通信质量。
  6 结束语
  随着5G时代的临近,用户将获得更高的传输速率,通信技术也将更加普及,通信能量损耗已经成为不可忽视的问题,引起国内外政府、电信企业、学术机构的重视,各国纷纷出台支持移动通信绿色节能技术发展的政策,业界提出有效的节能减排措施,随着研究的深入,在不久的将来我们将感受到5G为我们带来的绿色生活。
  参考文献
  [1] Parkvall S, Dahlman E, Furuskar A, et al. LTE-Advanced-Evolving LTE Towards IMT-Advanced[A]. VTC fall[C]. 2008: 1-5.

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