低碳无线移动通信技术的研究与思考

苏丽文

【摘要】 绿色低碳无线移动通信技术的研究主要从绿色环保的主题着手，在对通信设备的现状进行分析的情况下，发现提高其使用寿命和减少其所造成的环境污染的方法，并对此做出总结和思考，进一步助力移动信息行业进入绿色低碳产业的范畴。本文以一名学生的视角，对低碳无线移动通信技术进行分析，旨在为无线移动通信技术研究添砖加瓦。

【关键词】 移动通信技术 节能减排 网络设计规划

随着通信技术的迅猛发展，移动通信系统经历了第一代到4G的演进，手机用户越来越多，网络制式越来越复杂，各种异构网络并存，由此引起的蜂窝网的覆盖也越密集。同时，移动通信支持的速率由几kbit/s将上升到未来的Gbit/s量级，移动通信的宽带化促进了移动互联网业务的翻倍增长。如此多的用户、业务和网络部署使得蜂窝网络的能耗不断增长，据统计，信息通信产业已成为全球第五大耗能产业，其CO2的排放量占全球的2%左右，每年用于网络设备和环境维护的费用约为150亿美元。因此需要不断倡导低碳通信，在关注通信速率、频谱利用率的提高和网络时延的缩短的同时，也应重点考虑通信网络的能耗问题。

对于一个典型的蜂窝网络而言，基站是其网络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调耗电又占主导地位。一个典型的3G基站其功率大约为500W，这将导致一年的电能消耗为4.5MWh。设有12000个基站的3G系统，年消耗电能可达50GWh，并产生大量 CO2。

要提高通信系统的能量效率，包括减少基站的能量消耗，可以有多种方法。

一、认知无线网络与绿色无线通信

认知无线电是一个智能无线电，它能和周围环境进行交互而改变发射机参数，达到某种系统优化的效果。它的首要任务是频谱感知，也就是在认知节点通过对无线电频谱进行监测，发现频谱空穴，伺机接入授权频谱，在不对主用户干扰的情况下共享频谱资源。认知无线电通过这种方式极大的提高了频谱利用率，解决了频谱匮乏问题。于是根据香农容量公式：

通过香农容量公式可知，在一定的通信容量下，所用功率和带宽是互换的。也就是说，通过对频谱进行动态管理，获取更大的信道带宽，就可以极大的节约功率资源，达到节能的目的。同时，认知无线电通过认知无线环境，动态地调整发射机参数，比如，选择信道衰落较小的频谱和相应的调制和编码方式，可以降低所需的功率消耗。

认知无线网络和低碳通信的关系包括两点：一是基于认知无线网络，网元可通过认知信息流获取重配置因素；二是通过重配置可以统一的规划和改变终端的软件来省掉重复建设。在认知无线电里需要联合资源管理，包括在多域中的无线资源管理，调度的方式，以及以资源利用率和能量利用率为目标的全局优化。动态的频谱管理可以在认知无线环境的基础上，自适应选择信道衰落相对较小的频谱和相应的发射方式进行发射，使得发送功率最小，降低干扰，提高吞吐量。设计高效协议，降低信令等开销的同时，也降低了多余的功耗，达到节能的环保目的。

二、基于分布式协同技术的高效节能系统

移动通信的分布式天线系统较传统蜂窝系统能有效地增强频谱效率和功率效率，比集中式分布系统有更高的容量，对创建环保型网络来说是一个很有前途的解决方案。协作分布式天线系统能有效解决传统蜂窝移动通信系统的一个最显著的问题----小区边缘问题（在小区的边缘频谱效率和功率效率都很低，下行链路频谱效率随着基站与终端位置距离的增加呈指数下降趋势，其重要原因就是终端接收功率本身随距离增加的指数下降；上行链路手机需要的发射功率随距离增加线性增加）。对于协作分布式天线系统，基站具有多个分布式天线收发点和集中的基站处理器.基站通过多个天线无线收发点与某一终端通信，光纤将各个无线收发点的远端处理单元RAU信号集中到基站处理单元BPU进行联合信号处理，如图2所示。系统将天线分散在整个小区，使得分散的电波对小区均匀覆盖，用户就近接入基站，通过各个分散的天线的协同工作，提高了频谱效率，同时减少了发送功率，从而提高了功率效率。

通过香农容量公式计算分析，分布式系统容量在高信噪比下逼近正态分布，低信噪比下逼近对数正态分布。结合分布式天线系统分析，由于分布式天线的物理位置分散性，多用户干扰问题显著减小，更加有利于多用户MIMO的应用。仿真结果表明，在典型场景下，达到相同的频谱效率，协作分布式天线系统的手机发射功率可降低10dB。在相同的小区覆盖范围和相同数目的天线情况下，分布式天线系统将基站的发射功率均匀地分散在小区内，提高了平均小区容量，降低了需要的发送功率，从而有效提高了频谱效率和功率效率。因此，协作分布式天线系统中，终端总是能够找到最近分布的远端天线，找到最近天线系统进行通信，非常便捷高效，是一个极有前景的技术，能够大量节省网络需要的发射能量，从而达到绿色网络的目的。

三、从追求宽带高速到追求效率和环保

随着我国 4G 移动通信标准获得国际认可并在国内大规模部署网络，以及业已启动研究计划的面向 2020 年商用的未来 5G 系统，移动通信将持续成为高能量消费行业。绿色通信已经上升到国家整体规划层面，“十二五”规划纲要已经把降低污染物排放与总耗能量作为节能减排的目标。纵观无线通信的发展历史，基站覆盖的缩小化为无线通信系统带来了能量效率与系统容量跨数量级的提升。第四代移动通信，我国采用 TDD 制式 LTE，在人口密集城区场景下覆盖范围 500-1000m，其上下行峰值速率可分别达到50Mbps/100Mbps。除系统容量增益外，基站覆盖的缩小化也会直接带来能源效率的增益。用户与基站之间的传输链路缩短，改善了基站原来长距离链路传输的高路径损耗，从而可采用较低发射功率。另外，小区覆盖范围缩小后，一些不适合长距离传输的高频段资源得以利用，扩展了系统可用带宽。由此可以看出，在过去几十年中，我们不遗余力地追求更高的信息传输能力、更高的频谱资源利用率和新的频谱资源，并且已经取得了很大的进展。对未来无线移动通信，要努力建立更有效的信息传输体系，开发更有效的应用频谱的技术，和更有效的信息应用方法。

四、对低碳无线移动通信技术的思考

在大力倡导构建节能减排社会时，低碳无线通信已成为了一种潮流，使我们在关注通信系统容量时也注重其能量效率。但就低碳无线移动通信技术在我国目前并没有得到广泛运用。在作者看来一是由于我国低碳无线通信技术还在整个技术的开发成熟阶段，缺少得到商业运用的成品，所以其是否具有足够的社会价值和使用价值还没有定数，假若没有得到实践验证的就去贸然推广这样不利于整个社会经济的健康发展；另一方面就是成本较大，也是由于技术上還没有成熟定性的产品，其商用化的成本一定会十分的昂贵，同时对于其匹配的基础终端设备也将提高其生产成本，造成商用化的趋势微小。总之这些原因都会导致原有用户的大量流失，阻碍通信行业快速发展的脚步。因此，我们应当加大投入尽快研发出技术成熟的低碳无线移动通信技术，并努力提高其性价比，使其尽快的走入千家万户。

五、结束语

综上所述，随着技术成熟度、产品性价比的逐渐提升，低碳无线移动通信技术终将会成为通信行业发展的主流趋势。本文简要介绍了低碳无线通信的关键技术，包括认知无线电、基于分布式协同技术的高效节能系统及从追求宽带高速到追求效率和环保。当然各种技术都有自己的缺点，这有待于我们去克服。相信在不久的将来，低碳无线通信将会普及，为建设环境友好型社会做贡献。

参 考 文 献

[1]朱近康. 新兴发展的无线通信技术和网络[J]. 中国科学技术大学学报，2008，07：735-744.

[2]田金凤，郑小盈，胡宏林，尤肖虎. 中国下一代移动通信研究[J]. 科学通报，2012，05：299-313.