绿色5G网络

［申敏 毛文俊 向东南］



绿色5G网络

［申敏 毛文俊 向东南］

摘要

面向2020及未来，5G网络的研发已经开始了。绿色发展是时代的要求，节能减排非常关键。因此，在5G研发过程中，科研工作者要充分衡量绿色网络的重要性。在绿色5G网络中，新型的绿色技术和高效的网络策略成为了关键。未来5G网络极有可能使用云架构，并且采用基站分层部署和控制面/用户面分离的部署策略。干扰消除问题一直是阻碍通信发展的头号难题。这里介绍了2种极具潜力的干扰处理技术—FFR技术和SFR技术。在技术研发方面，介绍了几种典型的绿色技术，包括massive MIMO、D2D、VLC以及绿色能源。这些技术都是5G的核心，都能实现绿色通信的要求。只有这样，绿色5G网络才会越来越受欢迎。

关键词：5G 绿色网络 massive MIMO D2D VLC 绿色能源

申敏

女，博士生导师，重庆邮电大学通信与信息工程学院，教授，主要研究方向移动通信系统及关键技术、数字信号处理及其应用等。

毛文俊

向东南

女，硕士研究生，重庆邮电大学通信与信息工程学院，主要研究方向为移动通信及网络安全。

引言

在过去几十年里，移动通信经历了飞速发展，并取得了显著成就。目前，LTE（Long Term Evolution）网络已在全世界范围大规模部署，商业化逐渐趋于成熟。为了满足更高需求，未来5G网络研发慢慢拉开了帷幕。来自不同国家和地区的各种组织机构正在努力探索潜在的5G关键性技术方案。相比4G网络，5G将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用多种无线技术[1]。

绿色发展是时代的主题。通信行业的节能减排也要引起足够的重视。因此，为了实现绿色通信，我们要在未来5G网络研发中充分考虑绿色技术和绿色策略。

1　相关组织机构的工作

在绿色网络理念方面，欧洲电信委员首先作出反应，并在其第七次框架项目（FP7）中提到能量效率网络[6]。在2011年，FP7项目发起TREND（Towards Really Energy-efficient Network Design）Network of Excellence项目[6]。其目的是，建立一个欧洲研究共同体，并从长远的角度考虑绿色网络的发展问题。2013年，5GrEEn组织提出绿色移动网络概念，旨在减少移动接入网络的能量消耗[5]。他们认为，相比2010的情况，未来的基站节点至少可以节省90％的能量消耗。EARTH（Energy Aware Radio and neTwork tecHnologies）项目开始于2010年，他们的目标是“通过调查并提出有效的机制，用以实现大幅降低能源浪费和提高移动宽带通信系统的能量效率，而不影响用户服务质量(QoS)和系统容量，并强调应对全球环境的挑战。”Green Radio项目强调频谱效率和能量效率，致力于研究网络架构和绿色无线技术[7]。

2　绿色网络策略

相对4G通信系统，未来的5G网络将提供5倍的频谱效率、20倍峰值速率、100～1000倍用户体验速率，以及移动速度提升至500Km/h，用户时延降低一个数量级，达到1ms级别等等。为了实现这些需求，我们需要改变现有网络架构，提出新的基站部署策略，提升干扰管理方法等。

2.1网络架构

目前，通信系统涵盖了2G/3G/4G网络，各种网络接口以及通信设备错综复杂，不利于系统间的互操作。而且，同一类型的网络间由于部署环境的不同，各种通信设备无法实现最佳的性能，同样也造成了网络资源极大地浪费。在未来的5G网络，我们需要做出改变，寻求更高效、更绿色的网络架构。

2010年4月，中国移动正式发布了面向绿色演进的新型无线网络架构C-RAN（cloud radio access network）白皮书。C-RAN融合了集中化处理、协作式无线电以及实时云计算技术[2]。如图1，C-RAN架构分开部署基站的基带处理单元BBU(building base band unit，室内基带处理单元)与射频单元RRU(remote radio unit，远端射频单元)；多个BBU可以组合成基带池，基带池之间还可以进一步组合成基带池处理群。这种网络架构最大化地实现资源共享，节约了成本、提升了效率。

在C-RAN的基础上，5G网络架构将包括灵活的无线接入云、智能开放的控制云、高效低成本的转发云三部分[2]，如图1。接入云支持多种无线制式的接入，并且融合了集中式和分布式无线接入网架构。同时，接入云能够适应各种回传链路，支持更加灵活的组网部署策略和更高效的无线资源管理方法。控制云实现会话控制、移动性管理和服务质量保障，并提供支持差异化业务的开放接口。转发云主要负责海量数据业务的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

基于“三朵云”的网络架构使得5G网络变得更加灵活、智能、高效和开放。

图1　基于云的网络架构[2]

2.2部署策略

2.2.1基站分层部署

近年来，通信流量呈指数增长，视频业务需求逐渐超过传统的语音业务需求。基于宏基站的小区网络呈现更加密集的趋势。宏蜂窝基站(macro cell)通常被设计成增加覆盖范围，而不具备高速传输数据的优势。于是在这种背景下，作为宏蜂窝基站的补充，我们可以引进微蜂窝基站(micro cell)/皮蜂窝基站(pico cell)/室内基站(femto cell)等小型基站。基站分层部署方式，不仅可以拓宽网络的覆盖范围，而且可以满足高速数据传输的需求，符合绿色网络的要求。这种典型的分层网络部署如图2。

在移动通信网络中，由宏蜂窝基站主导的微蜂窝/皮蜂窝基站主要用于密集通信场所，如商场、住宅小区、酒店以及火车站等人流量较大的场所[8]。相对于微蜂窝/皮蜂窝基站几百米的覆盖范围，室内基站的覆盖半径更小，通常只有数十米长。基站分层部署策略可以极大地提高频谱效率和能量效率。典型的宏蜂窝基站需要5KW的功耗，而室内基站可能只有10W左右，同时拥有功率放大器不超过100mw[9]。据OFCOM（英国监管委员会）和Plextek公司的分析报告，在类似宏蜂窝网络提供的室内覆盖范围，室内基站仅仅只需要宏蜂窝基站七分之一的能量消耗[10]。文章[9]指出，相比只有宏蜂窝的网络，在宏蜂窝和皮蜂窝联合部署的环境下，皮蜂窝仅仅只需要服务20％的用户，就有可能减少60％的总能量消耗。

图2　5G网络场景

相比4G网络，基站分层部署策略不仅了增加网络容量，而且了提升了网络效率，符合未来绿色发展的要求。

2.2.2控制面/用户面(C/U plane )分离部署

在基站分层部署架构中，通信小区呈现更加密集分布状态。超致密部署低功率、小覆盖范围的基站，不仅可以极大改善无线链路损失问题，而且可以显著提升人口密集场所的容量问题[11]。为了提高网络效率，增强网络安全性，GreenTouch组织提出了控制面与数据面分离的网络部署架构[4]。在这种架构中，用户可以借助就近基站完成数据业务，而控制信令仍然来自宏基站。

如图2，在控制信令方面，宏基站可以指导覆盖范围内的其他基站进行通信，合理调度资源。在数据传输方面，用户直接通过就近的基站接入到核心网，而无需经过宏基站得转发。文章[12]表明，在C/U面分离架构中，对于没有数据传输需求的基站可以暂时进入休眠模式，进一步提高了能量效率。一旦有数据传输需求，这些处于休眠期的基站就可以立刻恢复到正常的工作状态。

与传统通信方式不同的是，这种小基站负责数据业务通信的方式，改变了数据传输途径，缩短了通信传输距离，减少了发射功率。因此，这种控制面/用户面分离部署策略具有很大的可塑性。

2.3干扰管理

在无线通信中，干扰处理一直以来都是个令人头疼的问题。传统蜂窝网络通过给不同的小区分配不同的频谱资源，来减少小区间的干扰[13-14]。然而，这种做法浪费了大量的频谱资源。在LTE系统中，结合频率复用与小区间干扰协作方案，极大地减轻了干扰问题[15]。

在未来5G网络中，考虑到频谱资源的稀缺以及网络架构的改变，我们可以考虑采用更高级的干扰管理方法。例如，在C-RAN架构中，集中管理网络频谱，合理进行资源调度。在基站分层部署策略中，可以考虑在不同的覆盖层使用不同的频谱资源。在控制面/数据面分离部署策略中，宏基站可以在其覆盖范围内合理分配网络资源，使得小基站尽量减少相互间的干扰。同时，同一基站根据通信距离的不同，细化频谱分配方案，灵活调整载波功率[16]。

相比4G网络，未来网络将采用更高级的通信技术和部署方案，因而干扰管理方法随时都在提升。

3　绿色技术

3.1Massive-MIMO

Massive MIMO，也称大规模MIMO，利用基站安装成百上千根天线，运用相对简单的处理技术，多个数量级地提升频谱效率和能量效率[17]。Massive MIMO作为传统多用户MIMO技术的拓展和延伸，能够保障未来宽带网络的发展。相比传统多用户MIMO，massive MIMO最为主要的特点就是其基站端放置的大规模天线阵列。理论上，当基站天线数M趋于无穷时，massive MIMO具有很好的性质[17]。当M趋于无穷时，空间分开的不同用户矢量信道将趋于正交 ，这样就可以消除用户间的干扰，同时使得多用户信道容量之和达到上界。Massive MIMO可以大幅度降低基站的功耗和成本，可以实现比当前基站更符合绿色节能的要求[18]。

由于massive MIMO具有更高的能量效率、频谱效率，以及能够保障通信安全，提升网络稳定性等如此多的优点，所以引起了广泛的关注和研究热情。目前，关于massive MIMO系统的研究主要集中导频设计、信道估计、预编码等方面。文章[19]给出了massive MIMO的实际场景运用。在该场景下，基于匹配滤波非协作massive MIMO系统，在20MHzit系统带宽下，40个用户在上下行信道中都能达到17Mbit/s的数据速率，每小区的平均吞吐量为730Mbit/s，平均频谱效率为26.5bps/Hz。在文章[20]中，作者认为，随着天线数目的增加，用户信道逐渐正交，Massive MIMO就可以使用低功耗的放大器，可以极大地节省能量。文章[21]认为，在massive MIMO 系统中，随着天线数目趋于无穷，信道就不存在噪声干扰和小尺度衰落现象，唯一的限制因数就是导频污染问题。

3.2D2D通信

D2D(Device-to-Device)，即终端直通技术，是指邻近的终端可以在近距离范围内通过直连链路进行数据传输的方式，而无需通过基站进行转发。D2D技术能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题[22]。D2D通信在某些场景下非常受欢迎，比如车载通信、就近通信等。我们还可以考虑把D2D通信运用到公共安全和灾难场景中，以解决网络容量过载、网络连接受限等难题。因此，D2D通信被认为是未来绿色通信不可或缺的主流技术之一。

D2D通信技术既可以利用蜂窝频谱(如in-band)，也可以利用非认证频谱(如out-band)。In-band D2D与蜂窝链路共享的蜂窝频谱，以便提高频谱利用率[23]。In-band D2D可分为underlay in-band D2D和overlay in-band D2D，如图3。在Out-band D2D通信中，D2D链路使用不同于蜂窝链路的非认证频谱，以便消除与蜂窝链路之间的干扰问题。Out-band D2D也可进一步分为controlled（可控的）和autonomous（自治的）D2D。需要注意的是，至少具有2个无线接口（如LTE和WiFi）的蜂窝设备才能使用out-band D2D通信。此时，该用户同时能够进行D2D和蜂窝网络的通信[24]。

目前，3GPP把D2D通信当做一种优先服务的通信技术。特别的，在LTE中已经研究了优先服务的可行性、用户场景以及所需要的增强架构[23]。现阶段，关于D2D通信的研究主要考虑使用蜂窝频谱，即in-band D2D。文章[24]研究了D2D通信潜在提升蜂窝网络频谱效率的问题，同时介绍了D2D通信和蜂窝通信之间的干扰处理技术。文章[25]调查了有关D2D通信所面临的挑战和实现问题，作者指出，D2D通信将面临功率消耗和资源分配的优化问题。

图3　D2D研究分类

3.3可见光通信

目前，无线移动通信主要采用射频通信，即通过电磁波传递无线信号。然而，在许多地方，比如深水区、机舱等，射频通信就受到了各种限制。此时，作为射频通信的补充和替代，可见光通信(Visible Light Communication,VLC)出现了。最简单的可见光通信是指，借助发光二极管(LED)的快速关闭和点亮，分别对应数字0和1，以实现新型的数字通信技术[16]。

与传统通信相比，VLC通信具有多方面的优势：

(1)可见光具有比无线电波大10000倍的频谱资源，足以缓解频谱匮乏的问题；(2)相对于传统无线电频率的限制，VLC系统拥有巨大的带宽资源；(3)VLC通信不存在任何射频干扰，相当可靠；(4)不像射频信号容易穿透墙壁，光被限制在由不透明边界所包围的区域内，也就是说VLC系统很安全；(5)可见光的本质并没有被改变，仍然保持原有特性；(6)LED是高能效且高度可控的冷光源，并被当做未来必选的绿色光源之一。因此，VLC被认为是一种生态友好型的绿色通信技术。

据估计，超过50％的语音呼叫和超过70％的数据业务发生在室内[27]。因此，LED照明灯可以被当做室内网络接入点。用户可以在光源覆盖范围内进行移动数据业务、宽带接入业务等，类似wifi场景，如图4。目前，关于D2D通信的研究主要包括会话建立、资源分配、功率控制以及干扰协调等方面。在通信速率方面，来自研究数据表明，基于快速的光源调制技术，IEEE 802.15.7支持的可见光通信的最高数据速率高达96 Mb/s[28]。在其他方面，D2D通信的研究也取得了不错的进展。作为物联网的一部分，我们有必要发展好D2D通信。

3.4绿色能源

近年来，能源消耗和温室气体排放成了通信行业特别感兴趣的热点话题之一。面对日益枯竭的资源和逐渐恶化的自然环境，未来通信网络可考虑引入可再生能源，例如太阳能、风能、燃料电池等。

3.4.1太阳能/风能

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/m2，太阳每小时向地球提供1.2×1014千瓦的能量，这相当于人类一年消耗的能量总和[15]。目前，太阳能的利用主要有光热转换和光电转换两种方式。其中，太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。海拔较高地区，风力资源比较丰富，可以用来进行风力发电。目前，国内外通信基站普遍采用风光互补、风光市电互补、风光柴互补等供电方式。充分结合多种方式，实现高效地利用太阳能和风能。

图4　室内可见光通信

3.4.2燃料电池

燃料电池（Fuel Cell）是一种将氢气和氧气相结合来产生电力、水和热的电化学装置。不同于一般的电池，只要能保障燃料源供给，燃料电池就会持续发电。燃料电池并不需要燃烧燃料，这使得化学反应过程变得安静、无污染，同时电池效率比燃烧高出2-3倍[29]。比如，基于燃料电池的能源服务器就采用了新型的分布式发电装置[30]。燃料电池还具有其他方面的优势，比如，燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多；减少污染排放，噪音低；具有高度的可靠性，模块化便于维护；适用能力强 ，可以使用多种多样的初级燃料等等。

5G时代，将会有更多设备接入网络，以及各种通信业务更加频繁，传统的电网系统将不堪重负。所以，基于可再生能源的电力供应方式将是不错的选择。

4　结论

面向未来5G网络，我们有理由相信，它将是一场信息和技术革命。本文介绍了5G相关研发组织机构，并分析了相关策略和绿色技术。文章立足于不同的视角，重在强调如何实现绿色5G网络。对于接下来的工作，我们还需要更进一步的研究，找出最佳的解决方案。

参考文献

1IMT-2020(5G)推进组,5G无线技术架构白皮书.2013.

2IMT-2020(5G)推进组,5G网络技术架构白皮书.2013.

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30杨为.分布式电源的优化调度.合肥工业大学,安徽,2010

收稿日期：（2016-01-29）

通信作者，男，重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为移动通信及网络安全。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.006