5G網絡綠色通信技術現狀研究及展望

游思晴+齊兆群

【摘 要】5G時代聯網設備數目增多，能量消耗激增，如何實現綠色通信是5G時代的重要研究方向。首先介紹了5G通信特點及其帶來的能耗增加，分析國內外關于移動通信綠色節能的政策導向和各企業的節能措施，討論了5G可用于綠色通信的關鍵技術和發展狀況，并提出未來可行的研究方向。

【關鍵詞】能量效率 扁平化IP網絡架構 云計算

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.006 中圖分類號：TN915.81 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0031-05

1 引言

2010年，以LTE-Advance[1]為標準的4G網絡已經在全球范圍內商用，預計在未來十年，無線數據量將每年增加一倍，國際電信聯盟正在加緊制定5G的全球標準，并計劃在2020年實現商用。

相比于4G，5G具有如下的基本特征：

（1）數據流量增長百倍，峰值吞吐量至少達到100 Gbps/km2；

（2）聯網設備數目增長百倍，達到100萬/km2；

（3）峰值速率至少達到10 Gbps；

（4）用戶可獲得的速率達到10 Mbps；

（5）短時延和高可靠性；

（6）頻譜利用率較4G提升5～10倍；

（7）網絡能耗低[2]。

5G高速發展的同時，信息與通信行業的能量損耗問題日趨嚴重，預計在2020年能量損耗將達到1430噸，占到全球能源損耗的10%[3]，這將是全球第五大耗能產業。我國《通信業“十二五”發展規劃》明確提出，通信業萬元電信業務總量能耗要實現下降10%的目標，研究5G網絡綠色通信迫在眉睫。

2 5G時代的能量損耗

通信設備的能耗很大程度上取決于業務負載。隨著用戶數量上升，通信能耗將呈幾何級增長。2010年，我國三大運營商部署的3G基站數量分別是中國電信30萬個、中國移動55萬個、中國聯通36萬個[4]。根據中國聯通發布的2015年下半年服務質量報告，到2015年底，中國聯通4G基站整體規模約為40萬個，而同期中國移動達到了120萬個，中國電信達到了46萬個。以一個傳統基站能耗的兩大主體（主設備和溫控系統）為主要計算對象，一天的耗電量約為100 kWh，一年耗電約3.5×104 kWh。在2015年一年，三大運營商就帶來7×1010 kWh新增電能能耗。據研究報告，大量的無線接入設備占到整個通信網絡80%～90%的能耗。而即將到來的5G時代，通信業務量將爆炸式增長，通信設備的能耗問題將更為嚴重。據相關資料統計，信息和通信行業將是全球第五大耗能產業，其中，移動通信網絡占到ICT產業總能耗的43%。同時，5G已經開始嘗試在物聯網（車聯網）、智能樓宇等對網絡能耗要求較高的場景下部署，在這些場景下，降低能耗更是比時延、命中率更加重要的優化目標。

另一方面，文獻[5]指出目前網絡骨干鏈路的寬帶利用率不到40%，但是由于沒有采取有效措施，通信網絡大部分時間工作在低負載高能耗的模式下。

綜上所述，如何在未來合理部署5G網絡實現綠色通信，這是一個亟待解決的問題。

3 國內外綠色通信政策導向和發展戰略

5G通信即將帶來的巨大能量損耗已經引起國內外通信業的關注。歐洲電信委員會在第七次框架項目（FP7）發起面向真實能效的網絡設計項目TREND、基于節能的認知無線電和協作技術研究項目（C2P0WER）。法國電信發起了移動無線網絡節能優化項目（OPERA-NET），計劃在2020年節能20%[6]。英國MVCE提出Green Radio項目，該項目致力于研究網絡架構和綠色無線技術[7]。

在通信節能減排方面，我國國家發改委建立了節能減排統計監測指標。國資委根據能耗貢獻量，在2010年將三大運營商由節能減排“一般企業”調整為“關注類企業”。工信部提出大力發展綠色ICT產業，推廣綠色IDC和綠色基站。以上措施表明我國政府對通信實現綠色節能的強制性要求。

為了引起全產業鏈關于綠色通信的關注，我國國資委、發改委、工信部從2008年起組織一年一度的綠色通信大會。2012年，大會以“問道綠色發展 構建高效運營”為主題，設立了“綠色通信規劃與基礎網絡節能”、“綠色通信的關鍵環節與路徑實現”兩大主題論壇。2013年，大會以“綠通信的創新與實踐”為主題，聚焦綠色通信的網絡建設與運營，交流探討產業鏈綠通信的產品創新、技術創新和方案創新。同年2月，工業和信息化部正式印發了“進一步加強通信業節能減排工作的指導意見”。2014年，大會以“綠色4G網絡建設與節能創新”為主題，圍繞新形勢下的節能減排需求與挑戰，聚焦4G網絡建設，分享通信行業節能解決方案與實踐典范。2015年，工信部組織通信行業節能減排大會，大會以“互聯網+下的綠色通信”為主題，以“互聯網+”下的通信行業、節能創新成果應用發布及經驗交流等熱門話題展開經驗分享與技術交流。

在實現綠色通信方面，我國三大運營商也采取了戰略措施。中國電信通過“綠色通信、綠色產品、綠色采購”實現節能減排，分別采取了光網城市、高耗能設備改造、推廣分布式基站、云網絡等措施。中國移動從發展C-RAN網絡結構、推廣無機房基站建設模式、采用綠色能源等措施實現“綠色行動計劃”。中國聯通推廣分布式基站、智能節能關斷技術完善來進行節能減排。

在各國政府、行業協會、運營商和產業鏈各方的努力推動下，綠色通信概念將在5G時代得到良好的發展。

4 5G網絡綠色通信的關鍵技術研究狀況

目前國內外關于5G綠色通信的關鍵技術研究包括：網絡架構、網絡部署、資源調度、鏈路級技術等方面。

4.1 網絡架構

在5G時代將采用偏平化的IP網絡，網絡層次簡單，實現分布式架構，使得無線資源管理更加靈活高效，實現用戶在核心網的無縫切換。扁平化IP網絡架構減少了數據通道中的網元數量和傳輸過程中的能量損耗，降低了建網和運營成本。

5G網絡還將是一個基于云計算的異構網絡。中國移動在2010年4月發布了C-RAN（Cloud Radio Access Network），采用了集中處理、協作無線電和及時云技術。在此基礎上，5G網絡架構將包含靈活操作的無線接入云、開放智能的控制云、高效低成本的轉發云[8]。通過將網絡資源云化可實現資源劃分和管理。通過云端將無線接入和節點虛化，利用SDN（軟件定義網絡）傳輸，可大大降低網絡建設和運營成本。其中SDN將路由器中的路由決策等控制功能從設備中分離出來，統一由中心控制器通過軟件進行控制，實現控制和轉發的分離，使得控制更加靈活，設備更加簡單。

4.2 網絡部署

5G采用基站分層部署的策略。通過部署包括家庭基站（HeNB）、微微蜂窩基站（Pico Cell）、微蜂窩（Micro Cell）、中繼（Relay）等多種低功率節點的方式提升系統容量，如圖1所示，宏基站（Marco Cell）設計用來增加覆蓋范圍，而微蜂窩（Micro Cell）和微微蜂窩基站用于密集通信場所。在宏基站的覆蓋范圍內，各種低功率節點的部署密度將達到現有站點部署密度的10倍以上，站點之間的距離將縮小到10 m甚至更小，支持每平方米高達上萬數量的用戶，最終形成激活用戶數和服務站點數1：1的超級密集異構網絡。

分層基站部署將大幅度降低能量損耗。文獻[9]、文獻[10]指出宏基站大概需要5 kW的功率，而微微蜂窩基站只需要10 W左右。如果采用多個微微蜂窩基站達到宏基站相同的覆蓋面積，能量損耗只有采用宏基站覆蓋方式的七分之一。文獻[11]提出在高用戶密度區域增加微微蜂窩基站部署，可以提高整個網絡的能量效率。

以上研究均是采用較為簡單的業務模型和單一的用戶行為特征分布，采用最優化算法進行資源調度，得出5G的分層基站部署能夠在一定程度上降低網絡能耗的結論。該結論具有片面性，與實際場景出入較大。后續研究能夠利用目前大數據分析的優勢，對海量數據進行分析統計，得出更加有效的適合復雜情景的算法。

4.3 資源調度

通信網絡建設初期，通常按照網絡流量高峰期的資源需求原則進行規劃設計。

在實際應用中，網絡流量會隨時間變化，不同的小區有不同的變化規律，呈現出高低起伏的“潮汐效應”。比如，網絡流量一般會出現“晝高夜低”的現象，而工作區和住宅區會出現“此消彼長”的特性。當網絡流量降低時，基站容量冗余，就導致能量的浪費。

如何在合適的時機對網絡資源進行控制，這是提高網絡能量效率的有效解決方案。小區的開關技術是解決潮汐現象的常用方法，在基站業務量低時，通過信令控制部分基站休眠，由相鄰基站承擔休眠基站原先的覆蓋區域的業務傳輸和容量補償。針對5G網絡，文獻[12]提出將流量分布擬合成關于時間的正弦分布函數，動態調整基站的工作狀態。文獻[13]提出了一種基于網絡流量預測的基站休眠節能方法，通過流量預測方法，對網絡流量進行合并，通過鏈路和節點開關的方式，使得處在低利用率的鏈路休眠。文獻[14]提出了Poisson-Vorono i-Tessellation（PVT）的隨機蜂窩網絡運行效能模型。

綜上所述，目前的研究結果都是基于假設小區接入用戶和業務均勻分布，小區覆蓋均勻等前提下得到的，與實際場景出入較大。

未來只有在保證Qos條件下實時監測網絡負載，同時在參考業務流量長期歷史數據的基礎上，有效進行網絡規劃和優化的參數設計，在運行階段提前預留相鄰基站資源來接收休眠小區用戶，才有可能提高整個網絡的能量效率。

4.4 鏈路級技術

5G采用了大量的先進技術來提高用戶速率、降低時延、減少能耗。主要包括以下幾種：

（1）高階MIMO，又稱為Massive MIMO，通過在基站端放置大規模天線陣列，使得用戶矢量信道趨于正交，消除用戶間干擾。文獻[15]證明高階MIMO能夠大幅度降低基站的功耗和成本。文獻[16]提出隨著天線數目的增加，基站可以使用低功耗的放大器。

（2）D2D（設備到設備）無需基站即可實現通信終端之間的直接通信，擴展了網絡鏈接和接入方式。該方式信道質量高，頻率資源利用效率高，提高了鏈路靈活性和網絡可靠性。但D2D通信還存在功率消耗和資源分配優化的問題。

（3）NOMA（非正交多址接入）將一個資源分配給多個用戶，提高了資源利用率。

5 5G時代綠色通信可能的研究方向

從以上分析可以看出，5G通過扁平化IP網絡架構、分層基站部署、先進的鏈路技術可以實現綠色通信。但是正如上文分析的一樣，由于網絡規劃實施階段都是按照峰值流量進行基站部署的，沒有考慮網絡的“潮汐效應”，造成網絡資源利用率低，能耗高的情況，在未來建議可以利用大數據技術提高網絡能量效率。開展面向用戶行為和業務特征的無線網絡大數據建模和分析。目前網絡采集的業務數據都是應用層面的，需要對無線網絡大數據的獲取、管理和分析重新進行設計，合理布置數據采集節點。通過對采集數據的分析和深度挖掘，研究用戶行為和業務特征的時空模型，進一步研究不同業務類型網絡流量的時間相似性和周期性、空間相關性和低秩性。提出合理的網絡流量預測模型，使流量預測能夠準確跟蹤實時流量數據的空時特性。在此基礎上，有效優化網絡資源，用最少的網絡資源，來保證通信質量。

6 結束語

隨著5G時代的臨近，用戶將獲得更高的傳輸速率，通信技術也將更加普及，通信能量損耗已經成為不可忽視的問題，引起國內外政府、電信企業、學術機構的重視，各國紛紛出臺支持移動通信綠色節能技術發展的政策，業界提出有效的節能減排措施，隨著研究的深入，在不久的將來我們將感受到5G為我們帶來的綠色生活。

參考文獻：

[1] Parkvall S， Dahlman E， Furuskar A， et al. LTE-Advanced-Evolving LTE Towards IMT-Advanced[A]. VTC fall[C]. 2008： 1-5.

[2] 月球，王小周，楊小樂. 5G網絡新技術及核心網架構探討[J]. 現代電信技術， 2014（12）： 27-31.

[3] Mobiles Green Manifesto 2012[EB/OL]. [2016-07-09]. www.Gsma.com/ publicpolicy/ wp-content/ uploads/ 2012/ 06/ Green-Manifesto-2012. pdf.

[4] ZOL新聞中心. 備戰4G“軍備競賽”，三大運營商走差異化路線[EB/OL]. （2016-02-24）[2016-06-07]. http：//news.zol.com.cn/569/5697077.html.

[5] 李國杰. 未來網絡創新的若干思考[EB/OL]. （2011-11-11）[2016-07-09]. http：//www.Ict.Cas.cn/liguojiewenxuan/wzlj/lgjxsbg/201201/P020120106415369255204.pdf.

[6] Optimising Power Efficiency in mobile Radio Networks（OPERANet）[EB/OL]. （2011-03-01）[2016-07-09]. http：//www.celtic-initiative.org/Events/Old-events/Event2011/Presentations/Workshops/Get-connected/04- OperaNet2%20bis.Pdf.

[7] Congzheng Han， Harrold T， Armour S， et al. Green radio： radio techniques to enable energy-efficient wireless networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2011（6）： 46-54.

[8] IMT-2020（5G）推進組. 5G網絡技術架構白皮書[S]. 2013.

[9] Hu R Q， Yi Qian. An energy efficient and spectrum efficient wireless heterogeneous network framework for 5G systems[J]. IEEE Communications Magazine， 2014（5）： 94-101.

[10] R Bolla， R Bruschi， A Carrega， et al. Cutting the energy bills of internet service providers and telecoms through power management： an impact analysis[J]. Computer Networks， 2012（10）： 2320–2342.

[11] Ge X ，Cao C， Jo M， et al. Energy Efficiency Modeling and Analyzing Based on Multi-cell and Multi-antenna Cellular Networks[J]. TIIS， 2010，4（4）： 560-574.

[12] 王全理. 綠色網絡節能技術的研究[D]. 成都： 電子科技大學， 2013.

[13] Zhou S， Gong J， Yang Z， et al. Green mobile access network with dynamic base station energy saving[A]. ACM MobiCom[C]. 2009： 10-12.

[14] Xiang L， Ge X， Wang C X， et al. Energy effeiency evaluation of cellar networks based on spatial distributions of traffic load and power consumption[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（3）： 961-973.

[15] Fehske A， Fettweis G， Malmodin J， et al. The global footprint of mobile communications： the ecological and economic perspective[J]. IEEE Communications Magazine， 2011（8）： 55-62.

[16] Farhang A， Marchetti N， Figueiredo F， et al. Massive MIMO and a waveform design of 5th generation wireless communication systems[A]. 5G for Ubiquitous Connectivity（5 GU）[C]. 2014： 70-75.

[17] Kolios P， Friderikos V， Papadaki K. Ultra low energy store-carry and forward relaying with in the cell[A]. VTC 2009-Fall[C]. 2009： 1-5.