绿色无线通信技术论文

绿色无线通信技术论文

摘要：结合分布式天线技术，解决了小区边缘问题，采用基站配备多个分布式天线收发机和集中的基站处理器，提高了频谱效率，减低了发射功率从而提高了功率效率，虽然分布式天线模型复杂，但能降低多用户干扰，有利于多用户场景下应用

前言

无线移动通信行业近年来发展迅速，到2009年国际电信联盟远程通信标准化组（ITU-R）已正式开始第四代（4G）移动通信系统长期演进增强计划（LTE -Advanced），并于2010年最终确定了国际移动通信增强（IMT-Advanced）系统国际标准。无线通信技术以及信息化技术的发展，对社会的发展做出很大贡献，与此同时通信行业的耗能也在各类行业的能耗中所占比重越来越大。从全球范围来看，目前信息通信技术（ICT）总耗电量大约占全球耗电总量的8%，而且呈不断上升的趋势。从我国无线通信消耗来看，2010年我们三大运营商一共用电量289亿度，占到全社会用电量的0.8%，电信行业业务年均增长是5%-6%，年耗电量增长是10%-11%，比业务增长高一倍。从二氧化碳（CO2）排放量来看，据国际电信联盟（ITU） 统计，ICT所占全球CO2排放量的15%-40%。我国IT产品的CO2排放量主要来自计算机（占40%），服务器（占23%），通信（占24%）。2010年我国三大运营商的耗能也将带来约30万吨二氧化碳排放量。在能源日益短缺背景下，如何减低能耗就成为了通信行业研究的热点，“绿色通信”的概念也就随之产生。

1绿色无线通信关键技术

1.1衡量准则

绿色无线通信旨在尽可能的提高能量效率，降低无线网络、设备等的能量消耗，达到节约成本、减小对环境的污染等目的。如何定量的衡量通信能量有效性以验证绿色通信技术，研究能量有效性准则是首先面临的研究重点。一种最常用的度量通信传输能效（energy efficiency） 的准则是：总的能量消耗/传输数据比特总和（ Joule/bit）。对于蜂窝网络，该能效度量反映了为保证蜂窝网络容量所需消耗的能量。作为衡量所产生效用而花费的成本来说，这里的“效用”代表可传输多少信息比特、“成本”代表消耗的能量，这个度量标准适合地反映了在满载时的系统能量效率。传统的蜂窝网络优化准则包括衡量系统容量或可达到的数据传输率，由香农限给出的定义，即为单位时间内能传输的数据比特。随后为了衡量对于无线频谱的使用效率，又定义了单位带宽频谱单位时间能够传输的数据比特（ bit/s/Hz） 作为频谱效率的衡量标准。一些研究人员研究了面积频谱效率（ASE） ，用来表示网络覆盖，定义为一个基站在单位面积单位频谱单位时间能够传输的数据率（ bit/s/Hz/m2）。随着多天线系统的出现，又定义了空间效率，采用单位天线单位频谱单位时间能传输的数据比特（bit/s/Hz/antenna）来表示。因此，另一方面，当网络不能达到满载，即最大系统容量时，采用单位面积消耗的功率（W/m2） 就成为有效的衡量能量度量标准。综合考虑系统容量与能量消耗，推导能够同时兼顾能效与频谱效率的传输技术效能评估准

则，将为绿色无线通信传输技术提供理论指导。

1.2设备器件

为了增强整个系统的能量效率，必须要考虑到系统的各个部分的能量效率。基站系统作为无线通信系统中耗能最大的部分，必须考虑有效的技术改进基站系统的耗能，提高其能效。基站系统的构成主要为两部分：基站收发台和基站控制器，其中50%-80%的能量都被功率放大器所消耗，大量的能量消耗是由于为了在长距离的传输过程中，抵消很大的路径损耗。因此，众多的研究集中在增大功率放大器的效率。开关模式的功率放大器能有效的提高功率效率，例如Doherty功率放大器包含一个能根据信号功率自动开关的放大器，因此对于瑞利分布包络的信号能达到70%的功率效率。不同的调制技术由于其不同的信号包络，因此影响不同的信号峰均功率比（ PAPR），而且更高阶的调制在接收之前需要额外的滤波器，这将导致符号间干扰，在频率域的信号损失和幅度畸变。为了获得更好的接收信号，系统必须具有高线性度的功率放大器，因此，研究如何降低PAPR和信号畸变的算法，保证功率放大器工作在接近饱和状态下以增强功率效率成为提高能效的研究热点。

1.3链路层

国内外专家也指出未来无线通信由追求更高更快的数据传输能力向追求更省、更好的资源和能源效率转变，由追求技术能力，向追求应用能力的转变趋势。由于通信网络的分层结构，从链路层来说，处理基带信号的功耗是整个系统中能量消耗的主要部分，未来通信系

统要求的传输技术实现复杂，信号处理所消耗的功率也逐渐增加，因此设计具有高性能信号处理对于绿色节能具有重要意义。软件无线电（SDR）技术采用软件模块结构，基带信号处理可通过不同的软件模块实现。通过实现基站处理资源的共享，节约了资源，为绿色通信的实现提供了有效途径。未来通信系统将广泛地采用多天线和多载波传输技术，并结合自适应技术设计发射端最优发送算法，采用这些技术能带来传输效率的提高，但是由于这些算法的实现需要发射端已知信道状态和信息，发射端和接收端要采用联合估计等算法预先得到信道信息，用于做信道估计的参考信号占用了大量的能量消耗，此外还有同步、控制等参考信号，而且在整个带宽上都时刻存在，因此都消耗了大量系统能量。设计合理的信号开销，降低额外信息所消耗的能量对提高整个系统能耗将带来很大帮助。客户端与基站进行通信，电源在开启状态下以维持通信正常，但由于客户端长时期的待机状态和工作状态的需求不同导致了能量使用效率也不同。针对这种通信情况，采用合理的睡眠节电模式能有效降低系统能耗。睡眠模式在于节约客户端电能，并降低基站频宽资源的使用，设计合理的协议，采用睡眠模式，周期性的关断，让两端的连接在闲置时段里进入无作用状态，此时客户端可暂时关掉装置电源或扫描周围基站以提前取得连接数据，从而节约能耗。休眠节能技术采用电源系统根据系统的负载情况和系统当前模块的工作情况，在保证系统冗余安全的条件下，有选择的打开或休眠部分模块，使系统工作在最佳效率点并节约系统电源能耗。

1.4 网络层

无线网络消耗的能量与网络的大小和应用场景有关，也和所支持的业务量以及用户密度等有关。因此，在网络层，降低网络能耗的技术主要集中在网络部署和网络管理上。基于传统蜂窝网，其他各类网络技术也发展迅速，广播网、无线局域网、卫星网、无线传感网、移动互联网、AdHoc网等都为用户提供多种模式的接入服务，但是为了追求能给用户带来更好的服务，造成了重复建设，对资源没有利用到最大化，造成了资源浪费，也带来了污染，因此能效很低。为了克服这种现象，异构网络根据用户的密集性和移动性不同，采取各网络部署的特点，灵活接入，为用户提供不同业务的Qos保证。为了满足室内热点地区（如商场、办公区、车站等） 的大业务量需求，Femtocell作为宏蜂窝（macro-cell）的补充，具有小型、功率小等特点有效解决室内覆盖问题。协作传输采用让多个基站为一个用户服务的形式，让用户共享天线，不仅能克服多径传播导致的信号衰落，有效的避免了干扰，在不带来硬件复杂度的条件下获得了空间分集增益，提高了容量，提高了能效。借助中继节点，不仅可以实现有效可靠的传输，也扩展了室外覆盖面积，降低了发射功率，节约了成本。此外，结合分布式天线技术，解决了小区边缘问题，采用基站配备多个分布式天线收发机和集中的基站处理器，提高了频谱效率，减低了发射功率从而提高了功率效率，虽然分布式天线模型复杂，但能降低多用户干扰，有利于多用户场景下应用

绿色无线通信技术论文

摘要：结合分布式天线技术，解决了小区边缘问题，采用基站配备多个分布式天线收发机和集中的基站处理器，提高了频谱效率，减低了发射功率从而提高了功率效率，虽然分布式天线模型复杂，但能降低多用户干扰，有利于多用户场景下应用

前言

无线移动通信行业近年来发展迅速，到2009年国际电信联盟远程通信标准化组（ITU-R）已正式开始第四代（4G）移动通信系统长期演进增强计划（LTE -Advanced），并于2010年最终确定了国际移动通信增强（IMT-Advanced）系统国际标准。无线通信技术以及信息化技术的发展，对社会的发展做出很大贡献，与此同时通信行业的耗能也在各类行业的能耗中所占比重越来越大。从全球范围来看，目前信息通信技术（ICT）总耗电量大约占全球耗电总量的8%，而且呈不断上升的趋势。从我国无线通信消耗来看，2010年我们三大运营商一共用电量289亿度，占到全社会用电量的0.8%，电信行业业务年均增长是5%-6%，年耗电量增长是10%-11%，比业务增长高一倍。从二氧化碳（CO2）排放量来看，据国际电信联盟（ITU） 统计，ICT所占全球CO2排放量的15%-40%。我国IT产品的CO2排放量主要来自计算机（占40%），服务器（占23%），通信（占24%）。2010年我国三大运营商的耗能也将带来约30万吨二氧化碳排放量。在能源日益短缺背景下，如何减低能耗就成为了通信行业研究的热点，“绿色通信”的概念也就随之产生。

1绿色无线通信关键技术

1.1衡量准则

绿色无线通信旨在尽可能的提高能量效率，降低无线网络、设备等的能量消耗，达到节约成本、减小对环境的污染等目的。如何定量的衡量通信能量有效性以验证绿色通信技术，研究能量有效性准则是首先面临的研究重点。一种最常用的度量通信传输能效（energy efficiency） 的准则是：总的能量消耗/传输数据比特总和（ Joule/bit）。对于蜂窝网络，该能效度量反映了为保证蜂窝网络容量所需消耗的能量。作为衡量所产生效用而花费的成本来说，这里的“效用”代表可传输多少信息比特、“成本”代表消耗的能量，这个度量标准适合地反映了在满载时的系统能量效率。传统的蜂窝网络优化准则包括衡量系统容量或可达到的数据传输率，由香农限给出的定义，即为单位时间内能传输的数据比特。随后为了衡量对于无线频谱的使用效率，又定义了单位带宽频谱单位时间能够传输的数据比特（ bit/s/Hz） 作为频谱效率的衡量标准。一些研究人员研究了面积频谱效率（ASE） ，用来表示网络覆盖，定义为一个基站在单位面积单位频谱单位时间能够传输的数据率（ bit/s/Hz/m2）。随着多天线系统的出现，又定义了空间效率，采用单位天线单位频谱单位时间能传输的数据比特（bit/s/Hz/antenna）来表示。因此，另一方面，当网络不能达到满载，即最大系统容量时，采用单位面积消耗的功率（W/m2） 就成为有效的衡量能量度量标准。综合考虑系统容量与能量消耗，推导能够同时兼顾能效与频谱效率的传输技术效能评估准

则，将为绿色无线通信传输技术提供理论指导。

1.2设备器件

为了增强整个系统的能量效率，必须要考虑到系统的各个部分的能量效率。基站系统作为无线通信系统中耗能最大的部分，必须考虑有效的技术改进基站系统的耗能，提高其能效。基站系统的构成主要为两部分：基站收发台和基站控制器，其中50%-80%的能量都被功率放大器所消耗，大量的能量消耗是由于为了在长距离的传输过程中，抵消很大的路径损耗。因此，众多的研究集中在增大功率放大器的效率。开关模式的功率放大器能有效的提高功率效率，例如Doherty功率放大器包含一个能根据信号功率自动开关的放大器，因此对于瑞利分布包络的信号能达到70%的功率效率。不同的调制技术由于其不同的信号包络，因此影响不同的信号峰均功率比（ PAPR），而且更高阶的调制在接收之前需要额外的滤波器，这将导致符号间干扰，在频率域的信号损失和幅度畸变。为了获得更好的接收信号，系统必须具有高线性度的功率放大器，因此，研究如何降低PAPR和信号畸变的算法，保证功率放大器工作在接近饱和状态下以增强功率效率成为提高能效的研究热点。

1.3链路层

国内外专家也指出未来无线通信由追求更高更快的数据传输能力向追求更省、更好的资源和能源效率转变，由追求技术能力，向追求应用能力的转变趋势。由于通信网络的分层结构，从链路层来说，处理基带信号的功耗是整个系统中能量消耗的主要部分，未来通信系

统要求的传输技术实现复杂，信号处理所消耗的功率也逐渐增加，因此设计具有高性能信号处理对于绿色节能具有重要意义。软件无线电（SDR）技术采用软件模块结构，基带信号处理可通过不同的软件模块实现。通过实现基站处理资源的共享，节约了资源，为绿色通信的实现提供了有效途径。未来通信系统将广泛地采用多天线和多载波传输技术，并结合自适应技术设计发射端最优发送算法，采用这些技术能带来传输效率的提高，但是由于这些算法的实现需要发射端已知信道状态和信息，发射端和接收端要采用联合估计等算法预先得到信道信息，用于做信道估计的参考信号占用了大量的能量消耗，此外还有同步、控制等参考信号，而且在整个带宽上都时刻存在，因此都消耗了大量系统能量。设计合理的信号开销，降低额外信息所消耗的能量对提高整个系统能耗将带来很大帮助。客户端与基站进行通信，电源在开启状态下以维持通信正常，但由于客户端长时期的待机状态和工作状态的需求不同导致了能量使用效率也不同。针对这种通信情况，采用合理的睡眠节电模式能有效降低系统能耗。睡眠模式在于节约客户端电能，并降低基站频宽资源的使用，设计合理的协议，采用睡眠模式，周期性的关断，让两端的连接在闲置时段里进入无作用状态，此时客户端可暂时关掉装置电源或扫描周围基站以提前取得连接数据，从而节约能耗。休眠节能技术采用电源系统根据系统的负载情况和系统当前模块的工作情况，在保证系统冗余安全的条件下，有选择的打开或休眠部分模块，使系统工作在最佳效率点并节约系统电源能耗。

1.4 网络层

无线网络消耗的能量与网络的大小和应用场景有关，也和所支持的业务量以及用户密度等有关。因此，在网络层，降低网络能耗的技术主要集中在网络部署和网络管理上。基于传统蜂窝网，其他各类网络技术也发展迅速，广播网、无线局域网、卫星网、无线传感网、移动互联网、AdHoc网等都为用户提供多种模式的接入服务，但是为了追求能给用户带来更好的服务，造成了重复建设，对资源没有利用到最大化，造成了资源浪费，也带来了污染，因此能效很低。为了克服这种现象，异构网络根据用户的密集性和移动性不同，采取各网络部署的特点，灵活接入，为用户提供不同业务的Qos保证。为了满足室内热点地区（如商场、办公区、车站等） 的大业务量需求，Femtocell作为宏蜂窝（macro-cell）的补充，具有小型、功率小等特点有效解决室内覆盖问题。协作传输采用让多个基站为一个用户服务的形式，让用户共享天线，不仅能克服多径传播导致的信号衰落，有效的避免了干扰，在不带来硬件复杂度的条件下获得了空间分集增益，提高了容量，提高了能效。借助中继节点，不仅可以实现有效可靠的传输，也扩展了室外覆盖面积，降低了发射功率，节约了成本。此外，结合分布式天线技术，解决了小区边缘问题，采用基站配备多个分布式天线收发机和集中的基站处理器，提高了频谱效率，减低了发射功率从而提高了功率效率，虽然分布式天线模型复杂，但能降低多用户干扰，有利于多用户场景下应用