3G移動(dòng)臺(tái)能耗理論分析

趙景

【摘要】近年來，在新技術(shù)革命的推動(dòng)下，信息通信技術(shù)得到飛速發(fā)展。但是緊跟著而來的能耗問題也越來越嚴(yán)重。從移動(dòng)臺(tái)本身到移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，它們所消耗的能量都在加重全球能源危機(jī)和全球氣候變暖問題。中國是一個(gè)能源消耗大國，但是在多年的粗放式經(jīng)濟(jì)發(fā)展壞境下，缺失對(duì)能源的高效應(yīng)用問題的關(guān)注。本文就3G移動(dòng)臺(tái)能耗理論進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】能耗理論;3G移動(dòng)臺(tái)能耗;分析

自從2009年3G的分發(fā)開始，中國用戶將逐漸向WIMAX網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移。據(jù)中國人民共和國工業(yè)和信息化部的權(quán)威統(tǒng)計(jì)截至2013年2月底，我國3G用戶總數(shù)為2.6億戶，3G用戶滲透率達(dá)到23.0%，中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通的3G用戶數(shù)分別達(dá)到10418.4萬戶、7224.9萬戶和8348.4萬戶，我國已經(jīng)擁有全世界最大的通信網(wǎng)。國內(nèi)外的3G手機(jī)用戶越來越多，手機(jī)的功能也越來越多，這也意味著移動(dòng)臺(tái)對(duì)手機(jī)電源的要求也越來越高針對(duì)這個(gè)問題，采用進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬仿真建立數(shù)學(xué)模型的方法，來找出信息傳遞能量消耗模型。通過改變模型中數(shù)據(jù)來找出電源電池電路的功耗與發(fā)射臺(tái)距移動(dòng)臺(tái)距離的關(guān)系。通過這些來讓用戶知道如何更好的節(jié)省手機(jī)電源。

一、構(gòu)建3G能耗消耗模型

通過分析研究可以知道，移動(dòng)臺(tái)到基站的數(shù)學(xué)模型簡化如圖2.1所示：

圖2.1 ?移動(dòng)臺(tái)到基站距離簡化模型

在圖2.1中基站的收發(fā)信號(hào)范圍為一個(gè)半徑為 的圓，即假設(shè)小區(qū)為一個(gè)半徑是 的圓，而移動(dòng)臺(tái)在這個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)走動(dòng)，且移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)假設(shè)符合均勻分布（在小區(qū)內(nèi)任意地方出現(xiàn)機(jī)率相同），假設(shè)移動(dòng)臺(tái)本身高度（包括發(fā)射天線）為h，基站的高度（包括接收天線）為H，移動(dòng)臺(tái)到基站的距離為 。移動(dòng)臺(tái)頂端到基站天線頂端的距離為 .則d= .假設(shè)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)符合均勻分布，則滿足概率密度函數(shù) 。由此可知在該移動(dòng)臺(tái)小區(qū)范圍內(nèi)的能耗 即 bit/J，式中 為基站覆蓋區(qū)域的半徑。

假設(shè)移動(dòng)臺(tái)與基站之間的信號(hào)傳遞為直線傳播，即電磁波在自由空間（理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)）中傳播，它將不會(huì)發(fā)生發(fā)射、折射散射和吸收現(xiàn)象，即只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗。假設(shè)發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射功率為 ，以球面波輻射;設(shè)接收的功率為 ;則有 ，式中 ， 為工作波長， 、 分別為發(fā)射天線和接收天線增益，d為發(fā)射天線與接收天線的距離。根據(jù)傳播損耗定義可知： ，即可簡化為傳播損耗L： ? ? ?（2.1）

考慮移動(dòng)臺(tái)傳遞信號(hào)進(jìn)行直線傳播，認(rèn)為移動(dòng)臺(tái)與基站距離為d，總的功率消耗為 ，其中 為傳輸功率， 為功率放大器之外其他電路消耗功率， ; 是漏極效率， 是峰均比（Peak to average ratio，PAR）。對(duì)于MQAM調(diào)制， ，每符號(hào)的比特?cái)?shù)定義為 。信道為k階路徑損耗，且為加性高斯白噪聲（Additive white ?Gaussian noise AWGN），根據(jù)Cui等使用的傳輸率 ，不考慮信道估計(jì)的影響，可以將傳輸功率 寫成：

（2.1）

這里比特電路與移動(dòng)臺(tái)內(nèi)部能耗之和為 ， 是傳輸比特率， 是載波波長， ?是用于補(bǔ)償硬件電路處理和加性背景噪聲或干擾鏈路裕量. ?是接收噪聲系數(shù)，定義為： = ，這里 為接收器輸入端總的有效噪聲功率譜密度（Power spectral density，PSD）， 為室溫下單邊帶熱噪聲 PSD.。因此可以得出每比特能耗為：

（2.2）

其中， 為移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信時(shí)的電源電路所消耗的功率，且 ≈ ? + + + + + + ?，令 為平均誤碼率，采用 BPSK 傳輸時(shí)，則傳送每比特平均能耗[2] ?，其中功率無線收發(fā)信機(jī)、基帶信號(hào)處理電路、基帶控制電路、存儲(chǔ)電路、盤、顯示器、外部接口分別用 、 、 、 、 、 、 。

2移動(dòng)臺(tái)發(fā)射和接收功率分析

通信的時(shí)候在邏輯上需要兩條鏈路：一條是出去的，一條是進(jìn)來的（上行和下行）;上行是指信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)（一般指手機(jī)）到基站（2G叫BTS，3G叫NODEB）到BSC 下行是指信號(hào)從BSC到基站（2G叫BTS，3G叫NODEB）到移動(dòng)臺(tái)（一般指手機(jī)）這兩條鏈路必須要分開，否則通信無法正常進(jìn)行，由此產(chǎn)生雙工模式。

在碼分多址系統(tǒng)中，有兩方面的干擾，一方面是使用同一CDMA無線頻帶的移動(dòng)臺(tái)和基站造成的干擾，稱為自干擾;另一方面是CDMA相鄰頻帶或者模擬系統(tǒng)單元所造成的干擾。CDMA系統(tǒng)通信質(zhì)量和容量主要取決于受到干擾的大小。由屈志英等使用的功率與CDMA系統(tǒng)容量關(guān)系式[16]可知：功率和負(fù)載之間的關(guān)系可以表示為總功率P（接收信號(hào)加基站噪聲）與基站噪聲之比為：

（2.3）

其中總的接收干擾 ，N表示小區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)數(shù)目，W表示系統(tǒng)帶寬， 別是熱噪聲密度，S表示接收信號(hào)強(qiáng)度， 表示話音激活因子，F(xiàn)表示基站噪聲指數(shù)，小區(qū)負(fù)載 。

我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)行業(yè)的節(jié)能減排工作，已成為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、經(jīng)濟(jì)增長模式的轉(zhuǎn)變的突破口和重要推力，而發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢的通信行業(yè)的節(jié)能降耗更將成為其他行業(yè)高效節(jié)能減排的有力推手。通信行業(yè)節(jié)能減排具有全局戰(zhàn)略的重要性與自身可持續(xù)發(fā)展的緊迫性，通信行業(yè)的能耗高速增長態(tài)勢不容忽視。