5G通信工程中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)分析

唐偉 陳婷 周明珠

深圳市國電科技通信有限公司 廣東 深圳 518109

引言

隨著5G通信的快速發(fā)展，其在人們的日常生活和工作中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，隨之而來的是5G通信系統(tǒng)所消耗的大量能源，給環(huán)境帶來了一定的壓力。因此，在5G通信工程的實際應(yīng)用中，如何降低網(wǎng)絡(luò)的能耗成為一個亟待解決的問題。

1 5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 更高的數(shù)據(jù)傳輸速率

5G網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸速度，可以提供比4G網(wǎng)絡(luò)更快的數(shù)據(jù)下載和上傳速度。這對于高清視頻、虛擬現(xiàn)實、云服務(wù)等應(yīng)用來說非常重要，用戶可以更流暢地觀看高質(zhì)量的視頻內(nèi)容，進行實時云計算和協(xié)同工作[1]。

1.2 更低的網(wǎng)絡(luò)延遲

5G網(wǎng)絡(luò)的延遲更低，通信響應(yīng)更快。這對于實時應(yīng)用非常關(guān)鍵，如自動駕駛車輛、智能工業(yè)控制系統(tǒng)和遠程醫(yī)療等。較低的延遲可以提供更高的實時性和精確性，為這些應(yīng)用帶來更好的用戶體驗和可靠性。

1.3 更大的容量連接

5G網(wǎng)絡(luò)支持更大規(guī)模的設(shè)備連接，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中海量設(shè)備的需求。這對于智慧城市、智慧家居、智慧工廠等應(yīng)用來說非常重要，可以實現(xiàn)更廣泛的設(shè)備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。

1.4 多樣化的應(yīng)用場景

5G網(wǎng)絡(luò)不僅可以滿足移動通信的需求，還可以廣泛應(yīng)用于智能交通、工業(yè)自動化、醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等領(lǐng)域。通過5G技術(shù)，可以實現(xiàn)遠程手術(shù)、智能交通管理、智能制造等創(chuàng)新應(yīng)用，推動各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和發(fā)展。雖然5G移動通信技術(shù)帶來了許多應(yīng)用優(yōu)勢，但同時也需要重視其能耗問題。

2 5G基站的能耗特點

2.1 增加的功耗

5G基站相比于4G基站，在傳輸數(shù)據(jù)和計算能力上有了顯著提升。這主要是由于5G的高頻率、大帶寬及更高的數(shù)據(jù)處理需求所致。因此，5G基站的功耗相對較高。

2.2 小尺寸和高密度

為了實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍，5G基站需要在城市和人口密集地區(qū)部署大量的小型基站。這些基站通常具有小尺寸和高密度，雖然其能耗相對較低。然而基站數(shù)量的增加導(dǎo)致了整體的能耗增加。

2.3 多天線系統(tǒng)

5G基站采用了多天線系統(tǒng)，如Massive MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）技術(shù)，以提供更好的信號質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能。多天線系統(tǒng)將導(dǎo)致更高的能耗，因為需要更多的天線和功放等設(shè)備來處理信號。

2.4 超密集組網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)中往往采用超密集組網(wǎng)的方式，即基站之間的距離更近，以提供更高的容量和更低的時延。超密集組網(wǎng)可能導(dǎo)致基站之間的干擾增加，從而需要更多的功率來傳輸和接收信號。

為了應(yīng)對5G基站的高能耗，通過技術(shù)和能源管理的不斷優(yōu)化，可以在保障應(yīng)用優(yōu)勢的同時，降低5G技術(shù)的能源消耗。

3 5G網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能技術(shù)

3.1 5G AAU深度休眠技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)則是解決這一問題的有效途徑之一[2]。其中，5G AAU深度休眠技術(shù)是目前被廣泛采用的一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)。

首先，5G AAU深度休眠技術(shù)可以對5G基站中的射頻單元和數(shù)字單元進行分別的控制，實現(xiàn)差異化管理。只有當數(shù)據(jù)傳輸時才開啟AAU的數(shù)字單元，而射頻單元休眠，從而實現(xiàn)節(jié)能。同時，該技術(shù)還采用了定時喚醒、預(yù)熱等創(chuàng)新策略，加速AAU從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的切換。

其次，5G AAU深度休眠技術(shù)還采用了隨機振蕩技術(shù)。在AAU休眠狀態(tài)下，通過周期性地調(diào)整休眠時間，使得休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的切換更加隨機，避免了所有AAU同時喚醒造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。該技術(shù)還可以自適應(yīng)、動態(tài)調(diào)整AAU的休眠和喚醒時間，以達到更好的網(wǎng)絡(luò)平衡和能效。

最后，5G AAU深度休眠技術(shù)是一個比較創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)，通過差異化管理、定時喚醒、預(yù)熱、隨機振蕩等手段，實現(xiàn)了5G基站的能耗控制。此外，該技術(shù)還具有智能性、自適應(yīng)性和靈活性等多種優(yōu)勢，使得其在5G通信工程中的應(yīng)用更為廣泛。

3.2 符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，有許多節(jié)能技術(shù)被用于減少基站和終端設(shè)備的能耗。其中，符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)是一項重要的技術(shù)之一。

符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)，即在無須傳輸數(shù)據(jù)時將發(fā)送符號的發(fā)射功率降低或關(guān)閉，以達到節(jié)能的目的。這種節(jié)能技術(shù)可以在空閑時段或低負載時關(guān)閉部分或全部發(fā)射符號，從而減少了無用的電力消耗。具體來說，符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)有以下幾個方面的應(yīng)用。

空閑時段的符號關(guān)斷：在5G網(wǎng)絡(luò)中，空閑時段是指某些時候沒有用戶數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臅r段。在這些時段，基站可以選擇關(guān)閉發(fā)送符號的功放器件，從而降低功耗。

低負載時的符號關(guān)斷：在需要傳輸數(shù)據(jù)但負載較低的情況下，可以通過降低發(fā)送符號的發(fā)射功率來實現(xiàn)節(jié)能。例如，在需要傳輸短數(shù)據(jù)包或低速率數(shù)據(jù)時，可以選擇降低發(fā)送符號的發(fā)射功率，從而達到節(jié)能的效果。

動態(tài)調(diào)整符號關(guān)斷策略：符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載情況進行動態(tài)調(diào)整。通過應(yīng)用符號關(guān)斷節(jié)能技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)可以有效降低基站和終端設(shè)備的能耗，提高整個網(wǎng)絡(luò)的能源利用效率。這將有助于減少對電力資源的需求，降低運營成本，并對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

3.3 通道關(guān)斷節(jié)能技術(shù)

通道關(guān)斷奇偶位判決（Channel State Information Feedback /Feedback with Acknowledgement（CSI-FB））是一種5G通信中的高效能耗控制方法。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)常需要進行差錯糾正，因此需要使用復(fù)雜的前向糾錯編碼技術(shù)，在這種情況下，每一個通道都要保持打開的狀態(tài)并處于傳輸狀態(tài)，以便及時檢測和糾正錯誤[3]。

而在5G通信系統(tǒng)中，通過在設(shè)備端和網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用CSI-FB技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)傳輸沒有錯誤時關(guān)閉通道，從而實現(xiàn)節(jié)能。具體而言，CSI-FB技術(shù)通過在通信過程中定期請求通道狀態(tài)信息，并對通道狀態(tài)進行監(jiān)測和反饋，可以動態(tài)地根據(jù)不同的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)需求來關(guān)閉或開啟傳輸通道，從而降低不必要的能耗。

3.4 儲能技術(shù)應(yīng)用

5G通信是一種高能耗的應(yīng)用場景，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和設(shè)備制造加速發(fā)展的同時，如何實現(xiàn)高傳輸質(zhì)量和低能耗之間的平衡是一個重要的課題。儲能技術(shù)的應(yīng)用可以有效地解決此問題。在5G通信工程中，儲能技術(shù)可以通過以下兩種方式應(yīng)用。

3.4.1 能量自回收技術(shù)。能量自回收技術(shù)在5G通信的基站和用戶終端設(shè)備中都可以應(yīng)用。當設(shè)備間進行通信時，其產(chǎn)生的無線信號被接收到并轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過放大和處理后，可以用于提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，降低設(shè)備的能耗。

3.4.2 瞬間突發(fā)模式管理技術(shù)。瞬間突發(fā)模式管理技術(shù)適用于應(yīng)對5G通信中突發(fā)性的高負載場景。當網(wǎng)絡(luò)中存在大量傳輸任務(wù)需要同時完成時，通信設(shè)備需要快速響應(yīng)和處理數(shù)據(jù)，此時往往會導(dǎo)致設(shè)備的功耗飆升。通過結(jié)合儲能技術(shù)，可以將網(wǎng)絡(luò)中閑置的能量儲存起來，以應(yīng)對突發(fā)性的高負載場景，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。

總之，儲能技術(shù)的應(yīng)用可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)中的能耗，提高5G通信的穩(wěn)定性和可靠性，在未來的5G應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

3.5 D2D通信技術(shù)應(yīng)用

D2D（設(shè)備到設(shè)備）通信技術(shù)是5G通信中的一項重要技術(shù)，它可以實現(xiàn)設(shè)備之間直接通信，減少對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，從而降低能量消耗，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。在5G通信工程中，D2D通信技術(shù)可以通過以下方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。

3.5.1 直接通信。D2D技術(shù)可以讓設(shè)備之間直接通信，不需要借助基站進行轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸數(shù)據(jù)，因此可以減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸路徑和設(shè)備功耗。這種直接通信的方式可以在緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時，減少能量消耗和降低網(wǎng)絡(luò)延遲，促進網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果的實現(xiàn)。

3.5.2 資源共享。D2D通信技術(shù)還可以讓設(shè)備共享資源，如共享設(shè)備的存儲空間、處理器等硬件資源。通過這種方式，可以實現(xiàn)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能源，在不影響通信信號傳輸質(zhì)量的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

3.5.3 群組通信。D2D通信技術(shù)還可以支持群組通信，即設(shè)備之間可以形成局域網(wǎng)，促進信息溝通和交流。由于群組通信是在設(shè)備之間進行，不需要傳輸?shù)交具M行處理，因此能夠降低網(wǎng)絡(luò)擁塞和網(wǎng)絡(luò)延遲，同時實現(xiàn)了節(jié)能效果。

綜上所述，D2D通信技術(shù)是5G通信工程中的一項重要技術(shù)，它可以有效地促進網(wǎng)絡(luò)節(jié)能，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)性能。同時，D2D通信技術(shù)還可以支持實時通信、群組通信等應(yīng)用場景，為用戶提供更好的使用體驗。

3.6 共建5G專網(wǎng)

共建5G專網(wǎng)是5G通信工程中的一項網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)，可以通過讓不同行業(yè)之間共建、共享5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。具體來說，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，每個企業(yè)或機構(gòu)都需要獨立建設(shè)自己的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括基站和光纜等。這種方式雖然可以為企業(yè)提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但每個企業(yè)都需要獨立承擔網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和能耗，造成了資源和能源浪費。共建5G專網(wǎng)則能夠解決此問題，因為不同行業(yè)之間可以共建、共享5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

4 5G通信工程應(yīng)用前景

5G通信工程在應(yīng)用前景方面表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展?jié)摿?，具體包括以下幾個方面。

物聯(lián)網(wǎng)連接：5G技術(shù)將大幅提升物聯(lián)網(wǎng)的連接性能和可擴展性。通過支持大規(guī)模設(shè)備連接和低時延通信，5G可以實現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，從智慧城市到工業(yè)自動化等領(lǐng)域都將得到進一步推動。

車聯(lián)網(wǎng)和智能交通：5G通信能夠為車輛間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信提供高速、低時延、可靠的能力，從而支持智能交通系統(tǒng)的實現(xiàn)。通過實時數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同決策，5G可促進交通流量管理、智能駕駛和車輛安全等方面的創(chuàng)新應(yīng)用。

遠程醫(yī)療和健康監(jiān)護：5G通信提供的高帶寬和低時延特性，使得遠程醫(yī)療和健康監(jiān)護應(yīng)用更加可行。醫(yī)生可以通過高清視頻和實時傳感器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)遠程診斷和手術(shù)指導(dǎo)，同時患者也能得到更方便、及時的醫(yī)療服務(wù)。

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實：5G的大容量和低時延使得虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)得到進一步發(fā)展。用戶可以更流暢地享受沉浸式游戲、虛擬旅游、遠程教育等體驗，同時應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計在內(nèi)的領(lǐng)域也將得到推動。

5 結(jié)束語

隨著5G通信的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)在其中的應(yīng)用變得越來越重要。網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)可以有效地降低5G通信系統(tǒng)的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性。但是，在實際應(yīng)用中，仍然存在一些技術(shù)上的瓶頸和工程上的挑戰(zhàn)，需要更進一步的研究和探索。因此，今后的研究方向和發(fā)展應(yīng)該是更加注重將各種節(jié)能技術(shù)結(jié)合起來，打造全面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能解決方案，并通過實際應(yīng)用驗證其可行性和有效性。只有這樣，才能夠真正實現(xiàn)5G通信系統(tǒng)的綠色發(fā)展，為人們帶來更加高效、穩(wěn)定和環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。