马忠贵等：5G超密集网络的能量效率研究综述 ·969· 随着信息与通信技术的飞速发展，用户终端与 (device to device)等多种无线关键技术.为了解决 应用的多样性带来了移动通信网中业务量的指数增 5G网络数据流量和用户体验速率提升千倍的需求， 长.智能机的普及、移动互联网和物联网的热潮，不 最有效的办法就是在原有异构网络(heterogeneous 仅造成了无线蜂窝网络的大量流量需求、更严格时 networks,HetNets)的基础上，更加密集地部署小蜂 延需求，更将会带来巨大的能量消耗.现有的网络 窝(piocell、femtocell、中继等)，一般称这种网络为超 部署方案已不能很好地支撑移动通信网中数据的井 密集网络[).超密集网络(ulra-dense networks, 喷式发展，因此，能为具有空时动态特性的高业务量 UDNs)是在分层HetNets的基础上，密集部署低功 提供高效服务的演进网络架构成为了一个新的问 耗的家庭基站(femto access point,.FAP)、微微基站 题.目前，5G网络正被各大运营商考虑作为新型网 (pico base station,PBS)、中继站(relay node,RN)、分 络部署架构，2020年将正式投入运营.据悉，欧盟已 布式天线系统(distributed antenna system,DAS)、远 于2017年布局6G网络技术研发，中国工信部已于 端无线射频单元(remote radio head,RRH)等小基站 2018年年初开始着手研究6G的发展，可见信息网 来实现5G系统1000倍数据速率的提升6.同时， 络发展之迅猛.本文仍旧把目光放到5G网络上， 超密集网络通过使用大量的低功耗小基站从而实现 5G网络具有高宽带、低时延和广覆盖的特点，能带 节能的目的.与传统的宏基站相比，这些低功耗小 给用户更好的用户体验.虽然已经开启了5G试点 基站与移动用户的距离更近，从而极大地降低传输 工作，但研究5G网络仍然具有巨大的现实意义. 功耗，不但提高了系统容量，而且降低了系统功耗， 5G移动通信与人们日常的居住、工作、交通等 符合绿色通信的思想.现今，单位比特的能耗，即 领域息息相关，特别是密集住宅小区、办公场所、体 能量效率(energy efficiency,EE)已成为衡量超密集 育场、地铁、城铁等广域覆盖场景.这些场景具有超 网络的一个关键性能指标(key performance indica- 高流量密度、超高连接数密度、超高移动性、低时延 tor,KPI)I8] 等特征，将对5G系统形成挑战).考虑增强现实、 1能量效率的国内外研究现状 超高清视频、云存储、车联网等5G典型业务，必须 面对移动数据流量的爆炸式增长、干扰加重2)以及 为了有效地降低超密集网络的能耗，需要先分 如何实现移动通信网络的可持续发展等问题.5G 析系统的能耗分布情况.从整个移动通信网络的能 带给人们高质量用户体验的同时，面临着两个大问 耗分布来看，接入网的能耗约为70%，核心网的传 题：频谱资源遗乏和网络能耗过高.根据思科发布 输能耗约为20%，移动终端的能耗约为10%[.无 的移动数据流量预测和趋势，2021年智能移动设备 线接入网的能耗基本上是由基站的能耗所组成，并 和连接数量预计将会比2016年增长40%以上，全 且随着超密集网络中小基站的密集化部署，基站的 球移动数据流量将达到每月49EB,是2016年的7 能耗将会更大[0]，因此，基站的能耗成为整个移动 倍，而智能设备将会消耗98%的移动数据流量[3). 通信网络能耗的主要部分.目前，接入网中基站的 然而，网络能量消耗作为一个日益严重的问题，逐渐 节能技术包括3个层面，即器件级、链路级和网 成为运营商关注的焦点.沃达丰、中国移动等世界 络级 著名运营商的统计数据表明，随着移动通信中业务 超密集网络能够有效地提升系统容量，但网络 量的指数增长，网络中部署的基站密度不断增大，由 的能量消耗也不可忽视).由于小基站的覆盖范 基站主导的网络能量消耗也不断提高，各大运营商 围远小于宏基站，小基站覆盖下的负载具有更大的 每年需要支付高额的能源费用.此外，正如SMART 随机性，则小基站会周期性地处于空闲状态「2].在 2020研究报告[4)所述，基于信息通信技术的二氧化 负载较低的情况下，利用宏基站提供系统基本的覆 碳排放量每年以6%的速度增长，预计到2020年， 盖，而让小基站处于休眠模式町.但在小基站休眠 信息通信技术引起的二氧化碳排放量将达到全球排 策略设计时，需要重点考虑体验质量(quality of ex~ 放量的12%.面对如此庞大的能耗需求和可持续发 perience,QoE)的损失与节能的折中关系[).可见， 展战略要求，如何提高网络能量效率成为一项极其 在大尺度时间上的基站休眠方面，超密集网络提供 重要的任务， 了许多新的挑战. 为了应对将要面临的以上种种挑战，5G包含了 传统蜂窝网络的小区位置分布是固定的，而超 多输入/多输出(multi-.input multi-output,MIMO)技 密集网络由于用户的行为活动、信道质量的动态波 术、超密集网络、新型多址、先进调制编码以及D2D 动、各种新型业务的不断出现，其拓扑结构是动态马忠贵等: 5G 超密集网络的能量效率研究综述 随着信息与通信技术的飞速发展,用户终端与 应用的多样性带来了移动通信网中业务量的指数增 长. 智能机的普及、移动互联网和物联网的热潮,不 仅造成了无线蜂窝网络的大量流量需求、更严格时 延需求,更将会带来巨大的能量消耗. 现有的网络 部署方案已不能很好地支撑移动通信网中数据的井 喷式发展,因此,能为具有空时动态特性的高业务量 提供高效服务的演进网络架构成为了一个新的问 题. 目前,5G 网络正被各大运营商考虑作为新型网 络部署架构,2020 年将正式投入运营. 据悉,欧盟已 于 2017 年布局 6G 网络技术研发,中国工信部已于 2018 年年初开始着手研究 6G 的发展,可见信息网 络发展之迅猛. 本文仍旧把目光放到 5G 网络上, 5G 网络具有高宽带、低时延和广覆盖的特点,能带 给用户更好的用户体验. 虽然已经开启了 5G 试点 工作,但研究 5G 网络仍然具有巨大的现实意义. 5G 移动通信与人们日常的居住、工作、交通等 领域息息相关,特别是密集住宅小区、办公场所、体 育场、地铁、城铁等广域覆盖场景. 这些场景具有超 高流量密度、超高连接数密度、超高移动性、低时延 等特征,将对 5G 系统形成挑战[1] . 考虑增强现实、 超高清视频、云存储、车联网等 5G 典型业务,必须 面对移动数据流量的爆炸式增长、干扰加重[2] 以及 如何实现移动通信网络的可持续发展等问题. 5G 带给人们高质量用户体验的同时,面临着两个大问 题:频谱资源匮乏和网络能耗过高. 根据思科发布 的移动数据流量预测和趋势,2021 年智能移动设备 和连接数量预计将会比 2016 年增长 40% 以上,全 球移动数据流量将达到每月 49 EB,是 2016 年的 7 倍,而智能设备将会消耗 98% 的移动数据流量[3] . 然而,网络能量消耗作为一个日益严重的问题,逐渐 成为运营商关注的焦点. 沃达丰、中国移动等世界 著名运营商的统计数据表明,随着移动通信中业务 量的指数增长,网络中部署的基站密度不断增大,由 基站主导的网络能量消耗也不断提高,各大运营商 每年需要支付高额的能源费用. 此外,正如 SMART 2020 研究报告[4]所述,基于信息通信技术的二氧化 碳排放量每年以 6% 的速度增长,预计到 2020 年, 信息通信技术引起的二氧化碳排放量将达到全球排 放量的 12% . 面对如此庞大的能耗需求和可持续发 展战略要求,如何提高网络能量效率成为一项极其 重要的任务. 为了应对将要面临的以上种种挑战,5G 包含了 多输入/ 多输出( multi鄄input multi鄄output,MIMO) 技 术、超密集网络、新型多址、先进调制编码以及 D2D (device to device)等多种无线关键技术. 为了解决 5G 网络数据流量和用户体验速率提升千倍的需求, 最有效的办法就是在原有异构网络( heterogeneous networks, HetNets)的基础上,更加密集地部署小蜂 窝(piocell、femtocell、中继等),一般称这种网络为超 密集 网 络[5] . 超 密 集 网 络 ( ultra鄄dense networks, UDNs)是在分层 HetNets 的基础上,密集部署低功 耗的家庭基站( femto access point,FAP)、微微基站 (pico base station,PBS)、中继站(relay node,RN)、分 布式天线系统( distributed antenna system,DAS)、远 端无线射频单元(remote radio head,RRH)等小基站 来实现 5G 系统 1000 倍数据速率的提升[6] . 同时, 超密集网络通过使用大量的低功耗小基站从而实现 节能的目的. 与传统的宏基站相比,这些低功耗小 基站与移动用户的距离更近,从而极大地降低传输 功耗,不但提高了系统容量,而且降低了系统功耗, 符合绿色通信的思想[7] . 现今,单位比特的能耗,即 能量效率(energy efficiency,EE)已成为衡量超密集 网络的一个关键性能指标( key performance indica鄄 tor,KPI) [8] . 1 能量效率的国内外研究现状 为了有效地降低超密集网络的能耗,需要先分 析系统的能耗分布情况. 从整个移动通信网络的能 耗分布来看,接入网的能耗约为 70% ,核心网的传 输能耗约为 20% ,移动终端的能耗约为 10% [9] . 无 线接入网的能耗基本上是由基站的能耗所组成,并 且随着超密集网络中小基站的密集化部署,基站的 能耗将会更大[10] . 因此,基站的能耗成为整个移动 通信网络能耗的主要部分. 目前,接入网中基站的 节能技术包括 3 个层面,即器件级、链路级和网 络级. 超密集网络能够有效地提升系统容量,但网络 的能量消耗也不可忽视[11] . 由于小基站的覆盖范 围远小于宏基站,小基站覆盖下的负载具有更大的 随机性,则小基站会周期性地处于空闲状态[12] . 在 负载较低的情况下,利用宏基站提供系统基本的覆 盖,而让小基站处于休眠模式[13] . 但在小基站休眠 策略设计时,需要重点考虑体验质量( quality of ex鄄 perience,QoE)的损失与节能的折中关系[14] . 可见, 在大尺度时间上的基站休眠方面,超密集网络提供 了许多新的挑战. 传统蜂窝网络的小区位置分布是固定的,而超 密集网络由于用户的行为活动、信道质量的动态波 动、各种新型业务的不断出现,其拓扑结构是动态 ·969·