探究5G移動通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中是一個非常關(guān)鍵的問題。目前，在建設(shè)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(yōu)化管理，促進5G移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本文通過闡述5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程，提出了具體的措施。

1 什么是5G移動通信技術(shù)

5G移動通信技術(shù)就是第五代寬帶移動通信技術(shù)，它能夠?qū)⑷?、機、物三者聯(lián)系起來，最突出的特點就是其網(wǎng)絡(luò)速度。據(jù)可靠測試，其最高傳輸網(wǎng)速每秒鐘能夠達到數(shù)百兆，是4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)百倍，這將給用戶帶來更加良好的數(shù)據(jù)使用體驗，能夠極大地滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)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(wǎng)絡(luò)的全覆蓋需要波束聚合和大規(guī)模MIMO等關(guān)鍵技術(shù)在信號傳遞和放大等過程中發(fā)揮作用。

波束聚合技術(shù)能夠?qū)⒑撩撞?，進一步放大信號，但在研究中發(fā)現(xiàn)它的繞射和衍射能力較低，導(dǎo)致在實際的5G網(wǎng)絡(luò)測試中信號傳輸?shù)木嚯x較短。大規(guī)模MIMO能夠有效地解決這個問題，進一步擴大延長天線傳輸?shù)男盘枺蛊淠軌蜉椛涞礁h的地方[1]。

2 4G、5G無線通信網(wǎng)設(shè)備的特點對比

網(wǎng)絡(luò)信號是無線通信網(wǎng)基站發(fā)射產(chǎn)生的，5G無線通信網(wǎng)基站更加復(fù)雜。在無線通信網(wǎng)設(shè)備方面，建設(shè)4G無線通信網(wǎng)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(wǎng)發(fā)射信號器。但是隨著5G網(wǎng)絡(luò)的面世，5G網(wǎng)絡(luò)對無線通信網(wǎng)發(fā)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(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在4G無線通信網(wǎng)下工作會產(chǎn)生1.3 kW左右的能耗，但是設(shè)備在5G無線通信網(wǎng)下工作則會產(chǎn)生4.8 kW左右的能耗。在設(shè)備的體積方面，相比于4G無線通信網(wǎng)產(chǎn)生射頻拉遠單元的設(shè)備RRU而言，5G無線通信網(wǎng)中的AAU設(shè)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(wǎng)設(shè)備的天面安裝中發(fā)揮著重要的作用，另外4G無線通信網(wǎng)的天線無需重新安裝，可以與之前3G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)RRU設(shè)備的天面空間，便可以工作產(chǎn)生4G信號。而產(chǎn)生5G信號的設(shè)備則是需要AAU設(shè)備兼具天線的功能，而且AAU設(shè)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(fù)雜。可見，5G無線通信網(wǎng)在所需設(shè)備、設(shè)備能耗、設(shè)備體積以及天面安裝方面都要比4G無線通信網(wǎng)更加復(fù)雜，在后續(xù)工作中尤其需要對設(shè)備的能耗方面做進一步的優(yōu)化[2]。

3 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)能耗進行優(yōu)化管理的目的

在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的過程中，有相關(guān)部門對全世界的能耗項目進行了統(tǒng)計，其中移動通信行業(yè)的能耗占全世界所有項目建設(shè)總能耗的3%以上，因此需要采取措施對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化管理。

4 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化管理的具體措施

4.1 將同廠家設(shè)備串聯(lián)使用

根據(jù)機房空間站點的不同特點，采取不同的設(shè)備使用情況。對于被機房空間影響著的站點，應(yīng)該將同廠家的設(shè)備串聯(lián)起來共同使用，如4G無線通信網(wǎng)的天線可以繼續(xù)使用原有3G無線通信網(wǎng)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(shè)模式大面積應(yīng)用在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(wǎng)絡(luò)串聯(lián)系統(tǒng)中但凡有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)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(shè)備維護，保證設(shè)備正常工作。華為TD-LTE規(guī)模試驗網(wǎng)無線產(chǎn)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(shù)

資源管理技術(shù)是通過改變網(wǎng)絡(luò)的性能來進行資源管理，但是其并不改變?nèi)魏挝锢碓O(shè)備。網(wǎng)絡(luò)接入選擇是資源管理技術(shù)中的重要一個部分，當新用戶首次將設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)或者用戶因為網(wǎng)絡(luò)狀況不佳斷開連接后重新連接進網(wǎng)絡(luò)時，要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接入選擇為用戶選擇網(wǎng)絡(luò)性能好的網(wǎng)絡(luò)進行接入，同時需要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能，給用戶帶來更加舒服的網(wǎng)絡(luò)體驗[4]。具體的網(wǎng)絡(luò)接入選擇的方法有以下3點，一是根據(jù)以往的經(jīng)驗選擇網(wǎng)絡(luò)，二是運用數(shù)學(xué)方法選擇網(wǎng)絡(luò)，三是通過用戶的網(wǎng)絡(luò)使用習(xí)慣進行對比給用戶連接到最適的網(wǎng)絡(luò)等。在5G的使用中，用戶也不必過于追求較快的網(wǎng)速，在一些地方4G的網(wǎng)速就足夠使用，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)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(qū)網(wǎng)絡(luò)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(shè)留下足夠的空間。但是天線合并的使用會導(dǎo)致原有的天線系統(tǒng)不能兼容支持2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化帶來困難[5]。5G和4G天線系統(tǒng)對比如圖2所示。因此，2G、3G、4G天線合并使用時，需要經(jīng)常對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化處理，滿足不同用戶的用網(wǎng)需求[6]。

圖2 5G和4G天線系統(tǒng)對比

4.4 未來網(wǎng)絡(luò)D2D的發(fā)展架構(gòu)設(shè)想

5G通信計劃是在5G網(wǎng)絡(luò)面世后提出的5G網(wǎng)絡(luò)使用計劃。首先是5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但是由于用戶使用的設(shè)備不同導(dǎo)致兼容性也不同，用戶在不同情境下使用網(wǎng)絡(luò)的需求、各種無線設(shè)備的接入使用等影響因素都會給5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來挑戰(zhàn)[7]。5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)會使D2D通信在資源的分配方面失去平衡，因此需要設(shè)計出一個很好的控制器對網(wǎng)絡(luò)進行集中的管理和網(wǎng)絡(luò)接入的優(yōu)化。同時，大規(guī)模D2D設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中使用，有可能會導(dǎo)致工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)在使用中崩潰，所以需要后續(xù)利用SDN/NFV技術(shù)進行資源的調(diào)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(shù)

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

圖4 無線電磁波的傳播原理

5 結(jié) 論

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)備串聯(lián)使用、采取合適的資源管理技術(shù)、將2G、3G、4G天線合并使用、未來網(wǎng)絡(luò)D2D的發(fā)展架構(gòu)設(shè)想以及采用功率控制技術(shù)等方面出發(fā)，優(yōu)化管理5G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中的能源消耗，在發(fā)展科學(xué)技術(shù)的同時，也要貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。