基于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)下綠色通信關(guān)鍵技術(shù)的思考

付小華

摘? ?要：我國將于2020年實現(xiàn)5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的正式商用，但業(yè)界必須在此之前根本性解決5G移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的流量消耗大、網(wǎng)絡(luò)能效低等不足。因此，文章簡單分析了5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，并基于小站密集化部署技術(shù)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型，深入探討了高能效小站密集化部署技術(shù)，希望由此能夠為相關(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：5G;移動通信網(wǎng)絡(luò);綠色通信

隨著經(jīng)濟和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，通信行業(yè)存在的較高耗電量開始受到各界關(guān)注，近年來通信行業(yè)年耗能量在全球總耗能量中所占據(jù)的比例不斷擴大。隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的商用落地，移動通信的耗能量很可能出現(xiàn)進一步提升，由此可見，本文圍繞5G移動通信網(wǎng)絡(luò)下綠色通信關(guān)鍵技術(shù)開展研究具備較高的現(xiàn)實意義。

1? ? 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

為滿足5G移動通信網(wǎng)絡(luò)需求，很多已經(jīng)實現(xiàn)及需要實現(xiàn)創(chuàng)新突破的關(guān)鍵技術(shù)必須充分發(fā)揮自身作用，如小站密集化部署技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、毫米波通信技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)等，本文研究主要以小站密集化部署技術(shù)為基礎(chǔ)。在小站密集化部署技術(shù)的研究中，必須解決同頻干擾嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)容量與網(wǎng)絡(luò)能效無法實現(xiàn)最大化等問題，并做好小區(qū)邊緣速率優(yōu)化、移動性切換與額外開銷的應(yīng)對[1-2]。

2? ? 小站密集化部署技術(shù)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型

2.1? 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各類小站

現(xiàn)階段的小站技術(shù)主要包括Fematocell、Pico、Relay、Repeater。以Pico技術(shù)為例，Pico技術(shù)也可以被稱作微蜂窩技術(shù)，該技術(shù)能夠較好滿足熱點地區(qū)及小區(qū)邊緣容量的提升需求，通過宏基站分擔(dān)負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化程度能夠在技術(shù)支持下大幅提升，且具備高數(shù)據(jù)率、低功耗特點。Pico技術(shù)不僅發(fā)射功率較小，且具備宏基站的所有功能，但具備組網(wǎng)成本高的不足，這是由于技術(shù)應(yīng)用需得到專門鋪設(shè)的傳輸鏈路支持。在Pico技術(shù)的具體應(yīng)用中，能夠保證業(yè)務(wù)切換的連續(xù)性，但如果出現(xiàn)與宏基站同頻覆蓋情況，則很容易干擾影響通信質(zhì)量[3]。

2.2? 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型

考慮到5G移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的異構(gòu)化趨勢，為衡量各類異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)能量效率，統(tǒng)一的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型建設(shè)存在較高必要性。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能效評估方法，由此開展的計算需應(yīng)用目標(biāo)系統(tǒng)容量與能耗。如同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景僅存在宏基站，則能夠得出能效統(tǒng)計公式，計算需應(yīng)用宏基站數(shù)量、第i個宏基站的吞吐率、第j個宏基站的功耗等數(shù)據(jù)。最終可明確異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效的計算方法，其中，各低功率節(jié)點容量與宏基站容量總和包括Pico等小站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，各低功率節(jié)點能耗與宏基站能耗的總和為系統(tǒng)能耗，但需要單獨考慮各低功率節(jié)點能耗模型參數(shù)。采用EARTH能效評估架構(gòu)，E3F采用該評估架構(gòu)中的小尺度短期系統(tǒng)級評估基站能耗模型，基于模型可得出基站線性能耗模型。

3? ? 高能效小站密集化部署技術(shù)

3.1? 高能效Pico部署目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合以上研究，可得出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)式，該函數(shù)主要用于得到最優(yōu)的Pico部署位置矩陣以及部署數(shù)量，每個Pico的二維空間位置通過Xp、Yp兩個位置矩陣表示，Np則為Pico的部署數(shù)量，Xp、Yp均為一維矩陣。式（1）中的PmM為第m個eNB的能耗，PpP則代表第p個Pico的能耗，TmM為第m個eNB的吞吐率，TpP則代表第p個Pico的吞吐率[4]。

假定宏基站的位置是固定的，且一個用戶只能接入一個基站，基站頻譜資源、總發(fā)射功率受限，Pico位置受限，且用戶滿足最小接入SINR門限，即可求得Pico可選位置。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)子載波上的SINR值與用戶分配的資源數(shù)及吞吐量相關(guān)，采用等效SINR值進行系統(tǒng)級仿真，通過EESM映射方法求得各子載波SINR值，但考慮到上述方法的復(fù)雜性較高，本文采用數(shù)值仿真方法開展高能效小站密集化部署技術(shù)的深入研究。

3.2? 仿真參數(shù)設(shè)置

采用3GPP LTE FDD仿真平臺，信道模型選擇M.2135標(biāo)準(zhǔn)模型，完成小尺度衰落與大尺度衰落的校準(zhǔn)后，研究基于平臺開發(fā)了可密集化部署Pico模塊與能效評估模塊，由此即可針對性建設(shè)天線模型、路徑損耗模型，并開展用戶SINR計算，研究采用7個固定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境宏站，并基于網(wǎng)絡(luò)層面統(tǒng)計整個網(wǎng)絡(luò)中Pico與宏站的能效。仿真部署采用“目標(biāo)區(qū)部署Pico后，目標(biāo)扇區(qū)中小站位置副本為另外兩個扇區(qū)在本小區(qū)中的相對位置”，采用的仿真參數(shù)包括7個小區(qū)數(shù)目、1～9不等的每小區(qū)小站數(shù)目，采用均勻或隨機的用戶分布、20 m，15°的仿真密度、25個用戶、21 dBm功耗的小站、43 dBm功耗的宏站，宏站站間距為700 m不等，采用與宏微同頻覆蓋的頻譜。

3.3? 宏微協(xié)同部署單小站場景能效研究

在初級的密集化部署階段，一個扇區(qū)僅放置一個小站開展研究，采用參考部署方式的Pico，且用戶均勻分布，由此即可得到等值線分布仿真結(jié)果。結(jié)合仿真結(jié)果，可確定距離eNB距離為370 m的確定天線主瓣方向處為小站能效最高區(qū)域（370 m，60°），且小站屬于宏站干擾源，小站的距離越近，則宏站能效越低，這是由于干擾的升高所致。整個網(wǎng)絡(luò)能效等值線分布基本對稱，網(wǎng)絡(luò)能效最高時為非邊緣區(qū)域放置Pico情況下，約為9 Kbit/J，該情況下Pico與宏站的距離較遠(yuǎn)?？偟膩碚f，僅放置一個小站的情況下Pico能效、宏站能效、網(wǎng)絡(luò)整體能效分別處于90～100 Kbit/J，6～7 Kbit/J，9 Kbitt/J左右，Pico的部署實現(xiàn)了2.5 Kbit/J左右的網(wǎng)絡(luò)能效提升。

3.4? 宏微協(xié)同部署兩Pico場景能效研究

將每個扇區(qū)小站數(shù)目增加到兩個開展研究，結(jié)合上文研究結(jié)論，在370 m，60°位置固定Pico1，Pico2基于仿真設(shè)置于不同位置，由此可得出等值線分布仿真結(jié)果。結(jié)合仿真，可確定Pico2位置的變動會直接影響Pico1的能效，二者距離的拉近會導(dǎo)致能效降低。（320 m，90°）、（320 m，30°）為最佳的Pico2位置，此處的Pico2布置具備10 Kbit/J以上的網(wǎng)絡(luò)能效，Pico2位置距離宏基站較近同樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能效大幅下降。總的來說，Pico2的增加進一步實現(xiàn)了1.2 Kbit/J的網(wǎng)絡(luò)能效提升，但網(wǎng)絡(luò)能效提升與小站數(shù)量提升間不存在線性關(guān)系。

為探討?yīng)毩㈦S機部署，設(shè)置場景一與參考部署網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分別對目標(biāo)小區(qū)內(nèi)的6個小站進行參考部署與隨機部署，對照組全部采用參考部署。通過比較可發(fā)現(xiàn)，一般情況下其他小區(qū)的部署方式對目標(biāo)小區(qū)的能效影響較小，這是小站的發(fā)射功率較小所致。開展同類研究，可證明本小區(qū)的整體能效會受到本小區(qū)其他扇區(qū)的小站部署方式影響，但目標(biāo)扇區(qū)受到的其他扇區(qū)的小站部署方式影響較小。

3.5? 宏微協(xié)同部署3小站場景能效研究

在每扇區(qū)3個小站下，開展高能效部署方案研究，隨機均勻播撒25用戶于每扇區(qū)，可得到能效圖，P1，P2，P3均采用參考部署，P1固定于（320 m，30°），P2則固定于（320 m，90°），P3進行整個扇區(qū)的仿真遍歷。圍繞用戶熱點播撒的同類場景開展仿真并進行結(jié)果對比，可確定二者總用戶數(shù)量相同，但熱點播撒的網(wǎng)絡(luò)能效平均高出2 Kbit/J左右，因此Pico的部署需關(guān)注網(wǎng)絡(luò)間同頻干擾，通過適時關(guān)斷、喚醒Pico的方式，即可更好地提升網(wǎng)絡(luò)整體能效。

4? ? 結(jié)語

基于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)下綠色通信關(guān)鍵技術(shù)研究存在較高現(xiàn)實意義，而為了更好滿足5G移動通信網(wǎng)絡(luò)商用需要，高能效部署規(guī)律的總結(jié)、更密集的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場景與更多小站類型影響的明確同樣需要得到重視。

[參考文獻]

[1]王立.基于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的綠色通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子世界，2018（24）：164，166.

[2]崔玉柱，沙巍.5G移動網(wǎng)絡(luò)綠色通信的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（17）：43.

[3]李印鵬.淺談面向5G的無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國新通信，2018（8）：31.

[4]陳彥澔.面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)初探[J].中國新通信，2018（1）：14.

Abstract：Our country will realize the formal commercial application of 5G mobile communication network in 2020， but the industry must solve the shortage of 5G mobile communication network， such as large consumption of traffic and low efficiency of network， before that， it is necessary to solve the problem of 5G mobile communication network. Based on this， this paper simply analyzes the requirements and key technologies of 5G mobile communication network， and based on the small station intensive deployment technology and heterogeneous network energy efficiency model， deeply discusses the high energy efficiency small station intensive deployment technology. Hope this can bring some inspiration for the relevant industry personage.

Key words：5G; mobile communication network; green communication