探究5G移動通信網絡基于能效的資源管理

蒙天雙

（中國移動通信集團廣西有限公司 荔浦分公司，廣西 桂林 546600）

0 引 言

能源消耗問題在5G移動通信網絡建設的過程中是一個非常關鍵的問題。目前，在建設過程中能源的消耗非常大，所以要通過具體的措施對能源消耗進行優化管理，促進5G移動通信網絡發展的同時貫徹可持續發展戰略。本文通過闡述5G移動通信網絡的發展過程，提出了具體的措施。

1 什么是5G移動通信技術

5G移動通信技術就是第五代寬帶移動通信技術，它能夠將人、機、物三者聯系起來，最突出的特點就是其網絡速度。據可靠測試，其最高傳輸網速每秒鐘能夠達到數百兆，是4G網絡的數百倍，這將給用戶帶來更加良好的數據使用體驗，能夠極大地滿足用戶對網絡質量的要求。從5G的信號頻率波段來看，主要是高頻段，所以在進行信號傳輸過程中將會造成大量能源的損耗。同時，5G網絡的全覆蓋需要波束聚合和大規模MIMO等關鍵技術在信號傳遞和放大等過程中發揮作用。

波束聚合技術能夠將毫米波集中，進一步放大信號，但在研究中發現它的繞射和衍射能力較低，導致在實際的5G網絡測試中信號傳輸的距離較短。大規模MIMO能夠有效地解決這個問題，進一步擴大延長天線傳輸的信號，使其能夠輻射到更遠的地方[1]。

2 4G、5G無線通信網設備的特點對比

網絡信號是無線通信網基站發射產生的，5G無線通信網基站更加復雜。在無線通信網設備方面，建設4G無線通信網基站需要1臺基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）和3臺射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）作為主要的無線通信網發射信號器。但是隨著5G網絡的面世，5G網絡對無線通信網發射信號的要求更高，需要1臺集中式單元（Centralized Unit，CU）/分布式單元（Distributed Unit，DU）和3臺64T64R有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）。

在能耗方面，經過測試發現，設備在4G無線通信網下工作會產生1.3 kW左右的能耗，但是設備在5G無線通信網下工作則會產生4.8 kW左右的能耗。在設備的體積方面，相比于4G無線通信網產生射頻拉遠單元的設備RRU而言，5G無線通信網中的AAU設備具有更大的體積，重量也更重。在天面安裝方面，RRU+天線的模式在4G無線通信網設備的天面安裝中發揮著重要的作用，另外4G無線通信網的天線無需重新安裝，可以與之前3G網絡的天線共用，這樣就降低了重新安裝天線的成本，只需要安裝4G無線通信網RRU設備的天面空間，便可以工作產生4G信號。而產生5G信號的設備則是需要AAU設備兼具天線的功能，而且AAU設備需要與其他物體隔開，在單獨的空間安裝天面空間，安裝程序更加復雜。可見，5G無線通信網在所需設備、設備能耗、設備體積以及天面安裝方面都要比4G無線通信網更加復雜，在后續工作中尤其需要對設備的能耗方面做進一步的優化[2]。

3 5G移動通信網絡能耗進行優化管理的目的

在5G移動通信網絡覆蓋的過程中，有相關部門對全世界的能耗項目進行了統計，其中移動通信行業的能耗占全世界所有項目建設總能耗的3%以上，因此需要采取措施對5G移動通信網絡進行優化管理。

4 5G移動通信網絡能耗優化管理的具體措施

4.1 將同廠家設備串聯使用

根據機房空間站點的不同特點，采取不同的設備使用情況。對于被機房空間影響著的站點，應該將同廠家的設備串聯起來共同使用，如4G無線通信網的天線可以繼續使用原有3G無線通信網的天線，因此可以將3G和4G的BBU合并使用。4G的BBU與5G的CU/DU在功能上都是相同的，因此也可以合并使用。對于一些按照多模RRU模式進行建造的站點，可以將多模RRU建設模式大面積應用在5G移動通信網絡建設的過程中，大面積減少天面空間資源的浪費。這種方法對于減少能耗方面的好處是顯而易見的，缺點就是在整個5G移動通信網絡串聯系統中但凡有一個環節出現了問題，就會導致整個系統癱瘓。因此需要謹慎，做好完善的準備工作后使用，并且要時常進行設備維護，保證設備正常工作。華為TD-LTE規模試驗網無線產品如圖1所示。

圖1 華為TD-LTE

4.2 采取合適的資源管理技術

資源管理技術是通過改變網絡的性能來進行資源管理，但是其并不改變任何物理設備。網絡接入選擇是資源管理技術中的重要一個部分，當新用戶首次將設備連接網絡或者用戶因為網絡狀況不佳斷開連接后重新連接進網絡時，要經過網絡接入選擇為用戶選擇網絡性能好的網絡進行接入，同時需要優化網絡的整體性能，給用戶帶來更加舒服的網絡體驗[4]。具體的網絡接入選擇的方法有以下3點，一是根據以往的經驗選擇網絡，二是運用數學方法選擇網絡，三是通過用戶的網絡使用習慣進行對比給用戶連接到最適的網絡等。在5G的使用中，用戶也不必過于追求較快的網速，在一些地方4G的網速就足夠使用，選擇合適的網絡使用，既能滿足用戶的使用需求，又能降低能源的消耗[3]。

4.3 將2G、3G、4G天線合并使用

一些地區網絡信號基站的天面無法進行改造，可以將原有的2G、3G、4G天線合并使用，給5G基站的建設留下足夠的空間。但是天線合并的使用會導致原有的天線系統不能兼容支持2G、3G、4G網絡，給網絡的優化帶來困難[5]。5G和4G天線系統對比如圖2所示。因此，2G、3G、4G天線合并使用時，需要經常對網絡進行優化處理，滿足不同用戶的用網需求[6]。

圖2 5G和4G天線系統對比

4.4 未來網絡D2D的發展架構設想

5G通信計劃是在5G網絡面世后提出的5G網絡使用計劃。首先是5G異構網絡，但是由于用戶使用的設備不同導致兼容性也不同，用戶在不同情境下使用網絡的需求、各種無線設備的接入使用等影響因素都會給5G異構網絡的構建帶來挑戰[7]。5G異構網絡的出現會使D2D通信在資源的分配方面失去平衡，因此需要設計出一個很好的控制器對網絡進行集中的管理和網絡接入的優化。同時，大規模D2D設備在5G網絡建設中使用，有可能會導致工業自動化網絡在使用中崩潰，所以需要后續利用SDN/NFV技術進行資源的調度，合理分配資源[8]。D2D和非D2D對比如圖3所示。

圖3 D2D和非D2D對比圖

4.5 采用功率控制技術

無線電磁波在介質中的傳播過程中會產生信號，這就是無線通信網產生網絡信號的理論基礎，如圖4所示。在這一過程中，需要對功率進行控制，包括開環功率、反向功率、閉環功率、外環功率以及前向功率等[9]。開環功率是無限電磁波的發射功率，對其進行控制就是要將功率控制在較小的范圍內，這樣能夠保證移動通信設備的信號強度。反向功率指的是移動設備的上行發射功率，對其進行控制能夠有效地減少網絡帶來的延遲問題。閉環功率通信是指一方向另一方發送信號的發射功率，通過對其進行控制可以使網絡質量有較高的精準度，但是會產生網絡延遲，給用戶帶來不好的網絡體驗。外環功率控制指的是對接收機傳輸的誤碼率進行調整控制，以達到正確的傳輸目的，但是控制方式更為復雜。前向功率指的是基站的下行發射功率，對其進行控制能夠有效避免出現信號干擾現象[10]。

圖4 無線電磁波的傳播原理

5 結 論

5G移動通信網絡在未來必將覆蓋全球，給用戶帶來更加良好的使用體驗。但是目前由于5G的建設還在處于試驗階段，能源消耗方面十分巨大，所以需要從將同廠家設備串聯使用、采取合適的資源管理技術、將2G、3G、4G天線合并使用、未來網絡D2D的發展架構設想以及采用功率控制技術等方面出發，優化管理5G移動通信網絡建設過程中的能源消耗，在發展科學技術的同時，也要貫徹落實可持續發展戰略。