付小華

摘? ?要：我國(guó)將于2020年實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的正式商用，但業(yè)界必須在此之前根本性解決5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)存在的流量消耗大、網(wǎng)絡(luò)能效低等不足。因此，文章簡(jiǎn)單分析了5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，并基于小站密集化部署技術(shù)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型，深入探討了高能效小站密集化部署技術(shù)，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：5G;移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò);綠色通信

隨著經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，通信行業(yè)存在的較高耗電量開(kāi)始受到各界關(guān)注，近年來(lái)通信行業(yè)年耗能量在全球總耗能量中所占據(jù)的比例不斷擴(kuò)大。隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的商用落地，移動(dòng)通信的耗能量很可能出現(xiàn)進(jìn)一步提升，由此可見(jiàn)，本文圍繞5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下綠色通信關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究具備較高的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ? 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

為滿(mǎn)足5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需求，很多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)及需要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破的關(guān)鍵技術(shù)必須充分發(fā)揮自身作用，如小站密集化部署技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、毫米波通信技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)等，本文研究主要以小站密集化部署技術(shù)為基礎(chǔ)。在小站密集化部署技術(shù)的研究中，必須解決同頻干擾嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)容量與網(wǎng)絡(luò)能效無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大化等問(wèn)題，并做好小區(qū)邊緣速率優(yōu)化、移動(dòng)性切換與額外開(kāi)銷(xiāo)的應(yīng)對(duì)[1-2]。

2? ? 小站密集化部署技術(shù)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型

2.1? 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各類(lèi)小站

現(xiàn)階段的小站技術(shù)主要包括Fematocell、Pico、Relay、Repeater。以Pico技術(shù)為例，Pico技術(shù)也可以被稱(chēng)作微蜂窩技術(shù)，該技術(shù)能夠較好滿(mǎn)足熱點(diǎn)地區(qū)及小區(qū)邊緣容量的提升需求，通過(guò)宏基站分擔(dān)負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化程度能夠在技術(shù)支持下大幅提升，且具備高數(shù)據(jù)率、低功耗特點(diǎn)。Pico技術(shù)不僅發(fā)射功率較小，且具備宏基站的所有功能，但具備組網(wǎng)成本高的不足，這是由于技術(shù)應(yīng)用需得到專(zhuān)門(mén)鋪設(shè)的傳輸鏈路支持。在Pico技術(shù)的具體應(yīng)用中，能夠保證業(yè)務(wù)切換的連續(xù)性，但如果出現(xiàn)與宏基站同頻覆蓋情況，則很容易干擾影響通信質(zhì)量[3]。

2.2? 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型

考慮到5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)存在的異構(gòu)化趨勢(shì)，為衡量各類(lèi)異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)能量效率，統(tǒng)一的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效模型建設(shè)存在較高必要性。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能效評(píng)估方法，由此開(kāi)展的計(jì)算需應(yīng)用目標(biāo)系統(tǒng)容量與能耗。如同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景僅存在宏基站，則能夠得出能效統(tǒng)計(jì)公式，計(jì)算需應(yīng)用宏基站數(shù)量、第i個(gè)宏基站的吞吐率、第j個(gè)宏基站的功耗等數(shù)據(jù)。最終可明確異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效的計(jì)算方法，其中，各低功率節(jié)點(diǎn)容量與宏基站容量總和包括Pico等小站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，各低功率節(jié)點(diǎn)能耗與宏基站能耗的總和為系統(tǒng)能耗，但需要單獨(dú)考慮各低功率節(jié)點(diǎn)能耗模型參數(shù)。采用EARTH能效評(píng)估架構(gòu)，E3F采用該評(píng)估架構(gòu)中的小尺度短期系統(tǒng)級(jí)評(píng)估基站能耗模型，基于模型可得出基站線(xiàn)性能耗模型。

3? ? 高能效小站密集化部署技術(shù)

3.1? 高能效Pico部署目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合以上研究，可得出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)式，該函數(shù)主要用于得到最優(yōu)的Pico部署位置矩陣以及部署數(shù)量，每個(gè)Pico的二維空間位置通過(guò)Xp、Yp兩個(gè)位置矩陣表示，Np則為Pico的部署數(shù)量，Xp、Yp均為一維矩陣。式（1）中的PmM為第m個(gè)eNB的能耗，PpP則代表第p個(gè)Pico的能耗，TmM為第m個(gè)eNB的吞吐率，TpP則代表第p個(gè)Pico的吞吐率[4]。

假定宏基站的位置是固定的，且一個(gè)用戶(hù)只能接入一個(gè)基站，基站頻譜資源、總發(fā)射功率受限，Pico位置受限，且用戶(hù)滿(mǎn)足最小接入SINR門(mén)限，即可求得Pico可選位置。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)子載波上的SINR值與用戶(hù)分配的資源數(shù)及吞吐量相關(guān)，采用等效SINR值進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，通過(guò)EESM映射方法求得各子載波SINR值，但考慮到上述方法的復(fù)雜性較高，本文采用數(shù)值仿真方法開(kāi)展高能效小站密集化部署技術(shù)的深入研究。

3.2? 仿真參數(shù)設(shè)置

采用3GPP LTE FDD仿真平臺(tái)，信道模型選擇M.2135標(biāo)準(zhǔn)模型，完成小尺度衰落與大尺度衰落的校準(zhǔn)后，研究基于平臺(tái)開(kāi)發(fā)了可密集化部署Pico模塊與能效評(píng)估模塊，由此即可針對(duì)性建設(shè)天線(xiàn)模型、路徑損耗模型，并開(kāi)展用戶(hù)SINR計(jì)算，研究采用7個(gè)固定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境宏站，并基于網(wǎng)絡(luò)層面統(tǒng)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中Pico與宏站的能效。仿真部署采用“目標(biāo)區(qū)部署Pico后，目標(biāo)扇區(qū)中小站位置副本為另外兩個(gè)扇區(qū)在本小區(qū)中的相對(duì)位置”，采用的仿真參數(shù)包括7個(gè)小區(qū)數(shù)目、1～9不等的每小區(qū)小站數(shù)目，采用均勻或隨機(jī)的用戶(hù)分布、20 m，15°的仿真密度、25個(gè)用戶(hù)、21 dBm功耗的小站、43 dBm功耗的宏站，宏站站間距為700 m不等，采用與宏微同頻覆蓋的頻譜。

3.3? 宏微協(xié)同部署單小站場(chǎng)景能效研究

在初級(jí)的密集化部署階段，一個(gè)扇區(qū)僅放置一個(gè)小站開(kāi)展研究，采用參考部署方式的Pico，且用戶(hù)均勻分布，由此即可得到等值線(xiàn)分布仿真結(jié)果。結(jié)合仿真結(jié)果，可確定距離eNB距離為370 m的確定天線(xiàn)主瓣方向處為小站能效最高區(qū)域（370 m，60°），且小站屬于宏站干擾源，小站的距離越近，則宏站能效越低，這是由于干擾的升高所致。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能效等值線(xiàn)分布基本對(duì)稱(chēng)，網(wǎng)絡(luò)能效最高時(shí)為非邊緣區(qū)域放置Pico情況下，約為9 Kbit/J，該情況下Pico與宏站的距離較遠(yuǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，僅放置一個(gè)小站的情況下Pico能效、宏站能效、網(wǎng)絡(luò)整體能效分別處于90～100 Kbit/J，6～7 Kbit/J，9 Kbitt/J左右，Pico的部署實(shí)現(xiàn)了2.5 Kbit/J左右的網(wǎng)絡(luò)能效提升。

3.4? 宏微協(xié)同部署兩Pico場(chǎng)景能效研究

將每個(gè)扇區(qū)小站數(shù)目增加到兩個(gè)開(kāi)展研究，結(jié)合上文研究結(jié)論，在370 m，60°位置固定Pico1，Pico2基于仿真設(shè)置于不同位置，由此可得出等值線(xiàn)分布仿真結(jié)果。結(jié)合仿真，可確定Pico2位置的變動(dòng)會(huì)直接影響Pico1的能效，二者距離的拉近會(huì)導(dǎo)致能效降低。（320 m，90°）、（320 m，30°）為最佳的Pico2位置，此處的Pico2布置具備10 Kbit/J以上的網(wǎng)絡(luò)能效，Pico2位置距離宏基站較近同樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能效大幅下降?？偟膩?lái)說(shuō)，Pico2的增加進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了1.2 Kbit/J的網(wǎng)絡(luò)能效提升，但網(wǎng)絡(luò)能效提升與小站數(shù)量提升間不存在線(xiàn)性關(guān)系。

為探討?yīng)毩㈦S機(jī)部署，設(shè)置場(chǎng)景一與參考部署網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分別對(duì)目標(biāo)小區(qū)內(nèi)的6個(gè)小站進(jìn)行參考部署與隨機(jī)部署，對(duì)照組全部采用參考部署。通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，一般情況下其他小區(qū)的部署方式對(duì)目標(biāo)小區(qū)的能效影響較小，這是小站的發(fā)射功率較小所致。開(kāi)展同類(lèi)研究，可證明本小區(qū)的整體能效會(huì)受到本小區(qū)其他扇區(qū)的小站部署方式影響，但目標(biāo)扇區(qū)受到的其他扇區(qū)的小站部署方式影響較小。

3.5? 宏微協(xié)同部署3小站場(chǎng)景能效研究

在每扇區(qū)3個(gè)小站下，開(kāi)展高能效部署方案研究，隨機(jī)均勻播撒25用戶(hù)于每扇區(qū)，可得到能效圖，P1，P2，P3均采用參考部署，P1固定于（320 m，30°），P2則固定于（320 m，90°），P3進(jìn)行整個(gè)扇區(qū)的仿真遍歷。圍繞用戶(hù)熱點(diǎn)播撒的同類(lèi)場(chǎng)景開(kāi)展仿真并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，可確定二者總用戶(hù)數(shù)量相同，但熱點(diǎn)播撒的網(wǎng)絡(luò)能效平均高出2 Kbit/J左右，因此Pico的部署需關(guān)注網(wǎng)絡(luò)間同頻干擾，通過(guò)適時(shí)關(guān)斷、喚醒Pico的方式，即可更好地提升網(wǎng)絡(luò)整體能效。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

基于5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下綠色通信關(guān)鍵技術(shù)研究存在較高現(xiàn)實(shí)意義，而為了更好滿(mǎn)足5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)商用需要，高能效部署規(guī)律的總結(jié)、更密集的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景與更多小站類(lèi)型影響的明確同樣需要得到重視。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]崔玉柱，沙巍.5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)綠色通信的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（17）：43.

[3]李印鵬.淺談面向5G的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)新通信，2018（8）：31.

[4]陳彥澔.面向5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)初探[J].中國(guó)新通信，2018（1）：14.

Abstract：Our country will realize the formal commercial application of 5G mobile communication network in 2020， but the industry must solve the shortage of 5G mobile communication network， such as large consumption of traffic and low efficiency of network， before that， it is necessary to solve the problem of 5G mobile communication network. Based on this， this paper simply analyzes the requirements and key technologies of 5G mobile communication network， and based on the small station intensive deployment technology and heterogeneous network energy efficiency model， deeply discusses the high energy efficiency small station intensive deployment technology. Hope this can bring some inspiration for the relevant industry personage.

Key words：5G; mobile communication network; green communication