摘要：5G网络实现万物互联，能耗问题备受关注。如何实现绿色网络将成为下一代5G移动网络进一步发展的重要驱动力，本文将分析绿色通信技术的发展趋势和优缺点，为未来移动网络中绿色无线电架构如何设计以及需要应对的挑战提供考虑方向。
关键词：能量效率，频谱效率，认知无线电，异构网络
I引言
根据Cisco预测[1]，到2020年，全球移动用户数量将达到55亿，预计将比2015年增长12%。此外，到2020年，移动连接的平均速度将从2015年的2.5 Mbps提高到6.5 Mbps。为了满足“万物互联”带来的流量激增需求，需要下一代信息与通信技术能够提供一个应对各种网络变化并提供服务的新系统。该新系统应允许人和物标准化连接的同时，保持大规模关键设备间的连接性，支持新的频段以及能提供高速移动电话服务。
到2020年，流量的增加导致的能耗增长将引起近4%全球二氧化碳排放量。因此，能耗将成为未来无线网络的一个重要经济成本因素，并将对创建旨在减少二氧化碳排放的绿色网络构成关键挑战[2]。
根据香农定律可知，容量变化主要受带宽影响。在现有网络环境下，由于供使用的频宽及频谱资源有限，因此，如何有效规划网络是提高容量的一个首选方案。
根据香农定律，我们可以将容量表达式写为：
容量=频谱*频谱效率*频谱再利用率
因此，为适应呈指数增长的数据传输需求，从低时延通信（Low Latency Communications，LLC）方面考虑，在保证服务质量（Quality of Service，QoS）的前提下，可从以下几个方面入手以提高容量：频谱资源（如新无线电频谱的使用），频谱效率（如新频谱接入方案），以及频谱再利用（如异构网络）等。
从上面的分析可知，提高频谱效率（Spectrum Efficiency，SE）和利用新能效方案能有效提高网络容量，以满足移动设备指数增长带来的传输需求。根据Chen 等人提出的能效和频谱效率之间的关系[3]：
其中， 
定义为EE，表示每单位传输功率（bits/s/watts）可获得的数据速率，
定义为SE，表示每单位带宽（bits/s/Hz）的网络吞吐量。明显地，网络密度会导致网络容量的增加，但是，由此引起的移动基站数量的增加会引起更大的回程电力消耗。
此外，为得到更合适的目标时延QoS，需要增加传输功率。时延需求越低，能耗则越高，进而引起能效越低。因此，需要在设计传输方案时考虑EE和LLC间的基本权衡。为此，移动运营商在网络设计时需要考虑基于LLC保证所需的QoS限制，并通过增强SE和DE（Design Efficiency，EE）来提高网络容量，同时将EE指标作为移动网络设计的一个关键考虑问题。由此看来，提高能效研究将是无线移动网络标准中需要关注的最重要领域。
为在有限网络资源下满足绿色5G移动网络中极高的容量需求和一些关键性能指标（Key Performance Indicators，KPI），首先需要考虑增加SE和蜂窝基站。但是，这些方案将会带来新的能量效率问题挑战。因此，为有效利用下一代移动网络资源，能量效率必须被提高。
II绿色通信
1.频谱资源管理
为解决频谱资源短缺这一现状，有必要寻求额外的新频段（高于6GHz）资源，并研究相应的频谱接入方案。而6GHz以下频谱资源具有授权共享访问（Licensed Shared Access，LSA）、共同接入以及光接入等特点，因此，需要为整个频谱设计一种新的访问管理概念。
未来通信需要比当前网络更大的带宽和带宽速度，因此在设计未来通信技术时充分利用大频谱块。由于6GHz以下频谱已经用于未来移动服务，故低频段很难找到大频谱块。因此，考虑到信号带宽和数据速率间的强相关性，应充分发挥高频带宽在数据速率增长过程中起的重要作用。6GHz以上频带具有更大的连续频块，并且频谱碎片更少，所以比低于6GHz的频带更有可能满足数据速率增长的需求。
高效识别6GHz以上频谱主要基于以下两个前提：移动无线电资源分配管理和至少1GHz连续带宽。据[4]所知，初始标准里的频谱带约占频谱的60.8GHz。为确保完整性和一致性，标准频带内包含军用和民用频谱。尽管如此，但这些频带已被安排用于其他服务和特殊用途，频谱资源管理将面临如何在不损害当前频谱使用前提下找到适合用户需求的新的挑战。现有关于频谱资源的研究主要集中在使用不同的方法共享频谱上。此外，低延迟和超可靠性也将是未来无线通信中频谱资源设计的关注主题之一。
2.频谱效率提升
大多数无线通信网络在6GHz以下频段运行。为满足5G通信网络的容量需求，迫切需要充分利用6 GHz以上频谱。目前定义的毫米波频谱（mmWave）[5]提供30 GHz到300 GHz频段的高频率。6GHz以上频段对应更大的带宽，可提供更高的吞吐量，且能提高频谱效率。短波长在1毫米到10毫米之间，衰减和传播损耗较大，所以这个波段可以用于短距离通信。此外，此频段通信中障碍物很难引起散射和衍射。因此，无许可和标准可行的6GHz是一个强有力的解决方案。
当然，对于短距离传输路径和相邻单元间的高传输损耗，需要采用频谱复用方式，同时也需要有效控制干扰量。因此，使用小型天线将信号集中成高度动态聚焦的光束是必要的，如，用较长路径来克服传播损耗。现有网络通信中已经将毫米波技术与微波频率有效融合。同时，高效的访问模式可提供有效的回程模型，以提高能量效率。为了最大限度地提高吞吐量和降低能耗，[6]的作者提出了一种支持WIFI（2.4 GHz）和毫米波频段的网络基础设施，使用2.4 GHz范围的全向天线进行处理，使用60 GHz频段的定向天线进行数据传输。
其次，大规模MIMO技术[7-8]也是提高频谱效率的关键手段，主要通过大规模的基站天线（高达几百天线）服务，移动用户使用同样的时间和频率资源以及大型多路复用增益和分集增益数组。与传统的多输入多输出系统相比，使用大波束扇区需要大功率放大器（Higher Power Amplifiers，HPA），这将会消耗大量的基站能量，大规模 MIMO 利用窄波束将无线能量定向到目标用户，可减少大规模HPA的使用。
大规模MIMO技术能显著提高吞吐量、频谱效率、可靠性以及能量效率。未来移动网络中最重要的大规模MIMO技术就是针对选择性波束形成传输使用大规模天线。进一步，通过选择性波束形成方法降低干扰数量并扩大覆盖区域。此外，大规模MIMO技术可将能量聚焦到目标移动用户时，因此辐射功率会降低。因此，在大规模MIMO技术中使用窄波波束可以替代传统HPA系统，同时在成本和能源消耗方面更具优势。
3.加强频谱再利用
频谱再利用的可行方法主要有D2D通信和异构网络。D2D通信旨在实现负载平衡和提高能效，进而达到期望的绿色通信吞吐量。移动设备由于其固有电池约束问题，无法长时间维持5G网络中D2D通信，因此，实现D2D通信的关键挑战是设备的能耗。
除D2D技术外，异构网络是另一个提高频谱再利用的可行方法。预计到2020年，移动网络需要以一种低成本方式每天为每个用户提供1GB的个性化数据传输，将支持100 Mb/s 服务，流量达到目前的10000 倍。与现有蜂窝通信相比，密集网络也是满足容量需求的关键技术之一。Web2.0时代，用户需求日益增长，未来通信网络必将密集化、多层化。同时，在部署超密集网络时，运营商需要考虑新环境下降低运营总成本的同时，如何减少为提供高QoS服务而引起的干扰。
异构网络中，不同的用户有不同的QoS需求、不同的信道状态以及安全级别，加权和能效（Weighted Sum Energy Efficiency，WSEE）可作为提高能效的有效法则。
III绿色通信关键技术
1.绿色超密集网络
从运营商方面考虑，一个可考虑的解决方案就是，充分利用异构网络，即通过在宏蜂窝网络区域增加低功率小蜂窝基站，以扩大覆盖范围并减小干扰。与传统异构网络（HetNet）相比，超密集异构网络（ultra-dense HetNet，UDHetNet）[10]包含数以百计的额外节点（如微微蜂窝，微蜂窝，中继），这些节点被部署在局域网区域。本节的绿色超密集网络指的是权衡频谱效率提高和能效的超密集网络，这种新的网络结构旨在提高整个网络容量，提供有效的覆盖，容量扩张以及绿色无线电解决方案。
显然，为满足达到绿色通信的容量要求，站点的数量需要超过100个/Km2，这就需要站点之间的距离保持在100米左右。但是，如果运营商采用这种新网络部署，会面临更大的挑战：频谱接入、回程链路、干扰和能量消耗等方面。因此，在设计超密集异构网络时首要考虑不同级别节点间的无干扰共存。因此，要实现EE-DE权衡应通过功率节省和干扰减弱来实现能效提高，但这不利于频谱效率的提高。
2.绿色认知无线电
现有网络中时间、位置和服务被统一频谱分配，所有的专有频带未被合理充分使用，因此充分利用未使用频带，且动态管理自然频谱来提高频谱效率是非常必要的。一个二级用户（secondary user，SU）服务于主要用户（primary user，PU），并没有权限接入资源，但可以在任何时间使用不被PU占用的频谱资源。因此，一旦SU完成了它的服务或PU需要传输，分配的资源就应该转移给其他用户。该技术主要基于嵌入在认知无线电终端中的软件智能，可被设计成具有自我意识和自主能力，能够感知现有的频谱，分析感测数据并动态适应其环境。
认知无线电网络的引入，使得5G网络容量将在主次网络共享动态频谱资源的基础上得到提升。为了实现理想绿色通信网络，需要进一步扩展研究，设计其他自主频谱管理和控制协议。这些控制协议应该保证SUs能正确有效利用现有频谱，并自适应进入数据传输，同时与同一CRN中的其他SU公平共享频谱资源。
3.绿色认知密集网络
联合权衡问题的有效解决方案可使用频谱检测方法来识别任何非激活的物理资源。与已有频谱检测方案不同，超密集异构网络可能需要不同的方法感知、检测和利用未被使用的频谱。因此，为获得能量效率、部署和频谱效率间的期望平衡值，可有效利用超密集异构网络中认知无线电技术。
IV 总结
未来十年，无线网络服务和联网移动设备的数目会呈现大趋势增加，为满足新出现的宽频服务所需QoS，需要高效发展绿色通信技术，有效地满足所需的容量需求。但这些技术正面临重大挑战，特别是能源效率方面。因此，如何创建绿色5G通信网络显得尤为重要。
参考文献：
[1] https：//www.mobileworldlive.com/cn/p2yt4k-zai/
[2] 游思晴，齐兆群，5G网络绿色通信技术现状研究及展望[J]，移动通信，2016，20：31-35.
[3] Y. Chen，S. Zhang，S. Xu，and G. Y. Li，``Fundamental trade-offs on green wireless networks，'' IEEE Communications Magazine.，vol. 49，no. 6，pp. 30-37，Jun. 2011.
[4] Ofcom.（2015）. Spectrum Above 6 GHz for Future Mobile Communications. [Online]. https：//www.ofcom.org.uk/___data/assets/pdf_file/0023/69422/spectrum_above_6_ghz_cfi.pdf.[5] 文凯，陈永丽等. 毫米波5G 网络中一种D2D通信的资源分配方案[J]. 计算机应用研究，2019，36（3）：1-7.
[6] H. Park，Y. Kim，T. Song，and S. Pack，``Multiband directional neighbor discovery in self-organized mmWave ad hoc networks，'' IEEE Transactions on Vehicular Technology，vol. 64，no. 3，pp. 1143-1155，Mar. 2015.
[7] E. G. Larsson，O. Edfors，F. Tufvesson，and T. L. Marzetta，``Massive MIMO for next generation wireless systems，'' IEEE Communications Magazine，vol. 52，no. 2，pp. 186-195，Feb. 2014.
[8] 刘明霞. 5G系统中大规模MIMO和非正交接入技术研究[D]. 东南大学，2018
[9] 钱志鸿，王雪. 面向5G通信网的D2D技术综述[J]. 通信学报，2016，37（7）：1-14.
[10] 李渝舟，江涛，曹洋，李赞. 5G绿色超密集无线异构网络：理念、技术及挑战[J]. 电信科学，2017，33（6）：34-40.
论文作者:唐浴光
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第34期
论文发表时间:2019/11/15
标签：频谱论文; 网络论文; 效率论文; 容量论文; 密集论文; 频段论文; 通信论文; 《建筑模拟》2019年第34期论文;