浅谈绿色无线通信技术

杨随虎

摘要：目前，移动通信正朝着绿色通信的方向发展，网络中的基站节能是绿色无线通信的重点。该文简要介绍了网络节能的相关技术，包括认知无线电、协作中继、小区缩放及云计算等，这些技术将在绿色通信的发展中起到巨大的作用。

关键词：绿色通信； 认知无线电； 协作中继； 小区缩放； 云计算

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）31-7298-02

Abstract： The mobile communications is developing towards the green communications nowadays in which the energy saving of base stations in networks is the focuses. The relevant technologies of the network energy saving is discussed， including cognitive radio， cooperative relaying， cell zooming and cloud computing. These techniques will play a big role in developing the green communications.

Key words： green communication； cognitive radio； cooperative relaying； cloud computing

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。因此需要不断倡导绿色通信，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。包括有效的网络架构设计，基站协作功率管理，认知无线电，中继等。我们将简要探讨这些节能技术。

1 绿色无线通信技术

1.1 认知无线电

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，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。

当然，认知无线电不仅在频谱利用方面绿色节能，在网络方面的认知和重配置也将对绿色通信起到巨大的作用[1]。目前，无线移动通信领域技术体制和标准众多，出现了各种独立的系统和网络平台，这在一定程度上满足了各种业务需求。但这种异构无线接入技术并存的现象导致了网络建设成本的增加和运营管理的困难，用户也不能获得无缝而满意的服务，造成电力能源的极大消耗。为了解决网络异构性融合问题，构建统一的网络体系结构，需要采取认知无线网络技术。认知无线网络通过对无线资源、网络、业务等多域信息进行交互，改变网元属性，进行自适应管理、资源优化和重配置，形成新网络。认知无线网络和绿色无线通信的关系表现在：网元通过认知信息流获取重配置因素，从而通过重配置进行统一规划和改变终端软件来省掉重复建设。因此将极大地节约资源和能源，达到节能环保的目的。

1.2 协作中继

在无线信道进行信息传输时，会发生路径损耗、阴影效应和各种衰落。要达到可靠的数据连接，基站必须发射足够的功率来保证小区覆盖，这种大功率的发送导致基站和手机的耗能大大增加。然而，如果采用多跳通信，也就是中继的方式，将基站和移动用户之间的路径分为若干较短的链路，则可以降低各种损耗和衰落对无线信号的影响。研究表明，中继方式可以减小系统的传输功率和延长电池寿命。

协作中继通信可分为两种方式[2]，一种是设置固定的中继节点，另一种是设计网络和终端，使移动用户成为中继。在网络覆盖内的中继节点，作为一个网元，拥有对数据的存储、转发、调度和路由功能，而不仅仅起到放大发送的作用。对于固定中继，可以通过提升基站密度的方式来实现，此时也可达到降低能耗的目的，但建设新基站将浪费大量资源。而协作中继节点却有良好的特性。它可以在覆盖一定区域的条件下以较低的高度和低功率发送，和基站及移动用户无线连接，省去了繁杂线路和接口，还有不需要复杂的路由算法等。对于移动用户中继节点，其拥有位置灵活，可以增加数据速率和系统的稳健性，不需要专门设置固定中继等优点，但终端需要有算法和协议的支持，增加了系统的复杂度。

1.3 小区缩放

随着移动通信的发展和用户对高数据速率的要求，蜂窝网络由单一制的宏小区逐渐向微小区、微微小区和家庭基站等形式演变，这在一定程度上减少了系统的功耗，但由于移动业务地理上的波动性和数据传输的突发性，基站的能耗还是浪费很大。比如，居民区白天的流量较小而晚上较大，而市中心白天的流量要大得多。如果通过流量均衡关闭一些流量较小的基站，则可实现能耗的大幅降低。

小区缩放技术可以实现上述功能[3]。假定移动用户随机分布在蜂窝网络内，网络内有若干个小区。当多个移动用户移入某小区时，使该小区变得拥挤，则该小区会自动缩小其覆盖范围，进而降低该小区的拥挤程度，同时该小区周围的小区会自动增大，来满足该小区未能覆盖的用户，避免出现覆盖空洞。相反，当多个移动用户移出某小区，则该小区周围的小区会自动缩小而该小区会自动增大。当相邻小区容量较大，没有必要进行小区缩小，这时移动用户都可在相邻小区内进行服务，因此可以关闭该小区的基站，使基站处于休眠模式，达到降低能耗的目的。

小区缩放服务器（CS）控制整个小区的缩放过程。CS可以设置于网关或基站中，通过检测网络流量大小、信道状况、用户需求等来进行小区缩放。具体实现是通过物理器件调整、基站协作、中继等来完成的。比如，小区扩大可以通过提高基站发射功率来完成，基站协作可以形成基站簇，从而降低了小区间的干扰。

1.4 云计算

分布式计算，也即云计算技术，是指通过网络将庞大的计算处理程序自动拆分成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统，经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。通过此项技术，网络服务提供者可以在数秒之内处理数以千万计的信息。由于移动设备体积小，处理信息、运算和存储能力有限，要高速处理多媒体信息，利用云计算，可以在移动互联网的条件下，完成所需的任务。和云计算相关的技术有软件无线电技术和射频拉远技术。

软件无线电是一项发展较快的无线通信技术，它采用开放的模块化结构，基带处理可通过不同的软件模块来实现，并且软件可以随着器件和技术的发展不断更新或扩展。基于通用处理器的软件无线电系统可以降低通信系统开发和调试的复杂度，极大地节约硬件成本和人力成本。

射频拉远技术是将基站分为远端无线射频单元和基带单元[4]。无线射频单元通过光纤或光传送网与基带单元相连，负责无线信号的发送与接收，放置于远离基带单元的远端站点，体积小巧。基带单元负责基带信号的处理，多个基带单元可形成集中式基站，其内包含一个高容量、低时延的交换网络来支持多个基带载波单元的互联互通。集中式基站可以避免基带单元负载的不均衡，提高设备利用率。

云计算和软件无线电及射频拉远的关系在于，集中式的基带单元经过软件化，通过高带宽、低时延的网络，可组成一个巨大的实时云计算基带池。这样，远端射频单元收发无线信号，实现多种无线网络覆盖，光纤和负载转换器连接远端射频单元和虚拟基站，虚拟基站利用实时云计算基带池动态分配计算资源以实现基带数字信号处理。

2 结束语

在大力倡导构建节能减排社会时，绿色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。该文简要介绍了绿色无线通信的关键技术，包括认知无线电、协作中继、小区缩放和云计算等及其在降低系统能耗时的作用。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，绿色无线通信将会普及，为建设环境友好型社会做贡献。

参考文献：

[1] 尤肖虎，王京，张平，李少谦，朱近康.对绿色无线通信技术的研究和思考[J].中国科技大学学报，2009，10，39（10） ：1009-1015.

[2] Wei， Yifei，Mei Song， Baoling Liu，Xiaojun Wang，Yong Li. Energy efficient cooperative relaying and cognitive radio technologies to deliver green communication [C]. 2011 6th International Conference on Pervasive Computing and Applications （ICPCA）， 2011， Page（s）： 105-109.

[3] Zhisheng Niu，Yiqun Wu，Jie Gong，Zexi Yang. Cell zooming for cost-efficient green cellular networks[J]. Communication Magzine， IEEE， Volume：48， Issue：11，2010， Page（s）： 74 -79.

[4] 侯延昭，陶晓峰.面向绿色无线通信的基站体系结构[J].中兴通信技术，2010，16（6）：16-19.