32、迈向未来互联网的可持续无线宽带接入

迈向未来互联网的可持续无线宽带接入

在当今数字化飞速发展的时代，无线通信网络的能耗问题日益凸显。随着数据流量的爆炸式增长，如何实现可持续的无线宽带接入成为了亟待解决的问题。本文将深入探讨相关的节能策略、评估框架以及硬件和接口技术。

1. 无线接入网（RAN）能耗分析

假设在 2013 - 2020 年期间部署的所有基站能够实现能耗降低 50%（这是相关项目的目标），即便流量需求预期增长，RAN 的运营能耗相较于 2012 年也只会有轻微增加。这一 50%的能耗降低目标是基于每站点的平均水平，得益于硬件的改进、通过优化无线电资源管理和更智能的部署等方式对设备的更高效利用。

如果对已安装的基站进行创新改进，例如通过软件更新和站点现代化改造，到 2020 年 RAN 运营能耗有望显著降低。这里假设在 2013 - 2020 年期间逐步替换全球近 40%的已安装设备，用最先进的设备取代旧站点。

综上所述，网络运营商应聚焦于 RAN 运营的节能。在合理的技术采用假设下，每站点能耗降低 50%可实现显著的节能效果。这表明，通过设定的节能目标，即便流量呈指数级增长，也有可能使 RAN 的总功耗在 2012 年后保持平稳。将相关解决方案应用于 2012 年前部署的基站，甚至可以扭转 2007 - 2012 年间 RAN 功耗的增长趋势。

2. 能源效率评估框架（E3F）

在项目启动时，移动行业和学术界缺乏广泛认可的量化无线网络能源效率的方法。虽然标准机构 ETSI 已经为单个基站的能源效率制定了指标和测量规范，但对于大规模网络，如运营商的全国性部署，实现起来则困难得多。不过，GSMA 最近提供了一个用于评估和比较现场大规模部署网络能源效率的框架，但该基准服务在评估节能潜力方面存在局限性。

EARTH 项目致力于填补这一方法学空白，旨在从理论和模拟中预测效率提升，并为典型网络场景提供最佳实践建议。EARTH 能源效率评估框架（E3F）以第三代合作伙伴计划（3GPP）的知名无线网络评估方法为起点，该方法侧重于小规模场景，并以系统吞吐量、服务质量（QoS）指标和小区边缘用户吞吐量的公平性为评估结果。EARTH 将其扩展到从农村地区到人口密集城市等不同环境的大面积网络的能源效率评估。

E3F 主要包括以下步骤：
1. 小规模、短期评估 ：针对每个部署环境（密集城市、城市、郊区和农村）以及一组具有代表性的流量负载进行评估，这些负载涵盖了特定部署环境中观察到的最小和最大负载范围。
2. 系统级评估 ：为每个小规模部署环境和特定流量负载提供能耗和其他性能指标（如吞吐量、QoS）。
3. 每日能耗计算 ：根据特定部署环境的每日流量概况，通过对短期评估结果进行加权求和，得出一天的功耗。
4. 大规模系统能耗计算 ：结合量化城市、郊区、高速公路和村庄覆盖面积的部署环境组合，得出大规模系统的全局能耗。

E3F 已在 ETSI TC EE 关于定义“网络能源效率”的工作中得到应用，并且也被科学界广泛采用。

3. E3F 各部分详细介绍

• 小规模短期系统级评估 ：系统级模拟需要大量计算资源，无法在全球范围内进行，只能针对单个场景（“快照”）执行。通过研究这些快照，E3F 能够识别对全球网络最重要的贡献因素，并为每个场景单独研究最佳改进策略。
• 功率模型 ：基站功率模型构成了组件和系统层面之间的接口，能够量化特定组件的节能如何提高网络层面的能源效率。不同类型基站的组件特性因其输出功率、尺寸和成本等限制而有所不同，因此需要为特定类型的基站定制功率模型。例如，典型的宏基站和微微基站的功率函数不同，宏基站的功率放大器（PA）功耗占比较大，且与负载相关性较强；而微微基站的负载依赖性则可忽略不计。
• 流量模型 ：E3F 通过对用户密度、设备数据速率和日常活动模式进行建模来捕捉流量需求。该模型考虑了不同的部署类型，如密集城市、城市、农村和郊区。在欧洲，不同地区的人口密度和面积占比不同，模型根据这些因素计算不同部署环境下的流量需求。例如，在密集城市地区，高峰时段的流量需求较高；而在农村地区，流量需求则相对较低。
• 指标 ：不同的能源强度指标为能耗提供了不同的视角。为了衡量接入网络的节能效果，每面积功率指标是主要选择，每比特能量指标和每用户功率指标则作为有用的补充。每面积功率指标关注给定流量场景下的总能耗和节能潜力；每比特能量指标用于比较具有长期指数流量增长的场景下的比特传输能源效率；每用户功率指标在实际网络中易于观察，并且在长时间内具有稳定性，是测量实际网络能耗的合适选择。
• E3F 的应用：节能潜力分析 ：项目的一项重要活动是对典型移动宽带网络的能源效率进行情况分析，以确定需要重点改进的领域。通过 E3F 对欧洲 LTE 参考网络的功耗进行分析，结果显示城市地区的能源强度几乎是农村地区的 10 倍，这是由于基站密度较高。然而，综合考虑面积因素后，农村和城市地区对总能耗的影响大致相等。因此，在提高网络能源效率时，需要同时考虑城市和农村地区。此外，分析还表明网络在相对较低的负载水平下运行，当前网络设计和运营的功耗与流量负载的相关性较弱，这意味着无负载和低负载情况是最大的节能潜力所在。

E4. 硬件解决方案和无线接口技术

• 硬件解决方案 ：
  • 宏基站 ：宏基站的能量自适应发射路径集成了多个子组件，能够在中低负载情况下实现组件停用和工作点调整。数字信号处理单元（DSPU）控制其他模拟发射组件的能量自适应，转换模块可在无信号传输时停用部分组件以降低功耗，自适应功率放大器可根据信号水平调整和停用功率放大器阶段，实现最大程度的节能。
  • 小基站 ：小基站的所有子组件都支持功率管理，通过灵活的基带信号处理算法和自适应转换模块等技术，可实现不同程度的功率降低。例如，灵活的能量感知基带信号处理算法在低信号负载的上行链路中可实现约 13%的整体功率降低；自适应转换模块通过 SiNAD 自适应和时间/频率占空比循环，平均可提高 30%的功率效率，在信号负载低于 5%时，功率降低可达 58%。能量自适应功率放大器在低信号负载时可实现高达 55%的功率降低，停用期间效率可提高 80%。

以下为宏基站发射系统的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[数字信号处理] --> B[转换模块]
    B --> C[自适应功率放大器]
    C --> D[自适应功率供应]
    D --> E[天线]

• 无线接口技术 ：无线接口技术利用硬件解决方案的特性来实现节能。通过在时间和频率域应用接口解决方案，可以最大化能量自适应组件特性对能源效率的提升。
  • 时间占空比循环 ：将传输数据按时间分组，最大化无有效传输的时隙，利用硬件特性在无传输时隙停用组件。结合组件停用，可实现不连续传输，即小区 DTX，包括 Micro DTX、MBSFN - based DTX、Short DTX 和 Long DTX 等不同版本。
  • 频率占空比循环 ：通过调整组件操作模式以适应信号水平，减少频谱占用和资源元素，从而降低发射信号的功率。包括带宽自适应（BW）和容量自适应（CAP）两种方法。带宽自适应根据流量负载调整带宽，可逐步降低物理资源块（PRBs）的数量，减少参考信号的发送；容量自适应不改变最大使用带宽和参考信号数量，通过调度部分子载波来适应较低负载。

以下为不同无线接口技术的对比表格：
| 技术类型 | 实现方式 | 节能效果 |
| ---- | ---- | ---- |
| 时间占空比循环（Micro DTX） | 利用组件在空符号期间停用 | 基于 LTE 标准内的操作，有一定节能效果 |
| 时间占空比循环（MBSFN - based DTX） | 动态分配 MBSFN 子帧 | 节能潜力高于 Micro DTX |
| 时间占空比循环（Short DTX） | 不发送 CRS，未来版本讨论方向 | 节能潜力较高 |
| 时间占空比循环（Long DTX） | 长时间组件停用 | 低平均流量负载下节能潜力最高 |
| 频率占空比循环（BW 自适应） | 调整带宽 | 根据流量负载灵活节能 |
| 频率占空比循环（CAP 自适应） | 调度部分子载波 | 适应较低负载，减少资源使用 |

此外，多输入多输出（MIMO）技术在当今无线系统中广泛应用，但在低负载情况下会导致能源效率下降，因此在某些情况下，从能源效率角度考虑，降为单天线传输更为有利。天线静音则是快速停用部分天线的技术，有助于提高能源效率。

通过上述对 RAN 能耗的分析、E3F 评估框架的应用以及硬件和无线接口技术的介绍，我们可以看到在实现可持续无线宽带接入方面有多种有效的方法和策略。未来，随着技术的不断发展，我们有望进一步提高无线通信网络的能源效率，实现更加绿色、可持续的发展。

迈向未来互联网的可持续无线宽带接入

4. 硬件解决方案和无线接口技术（续）

• 硬件与接口技术的协同作用 ：硬件解决方案和无线接口技术并非孤立存在，而是相互配合以实现最佳的节能效果。硬件的节能特性为接口技术提供了基础，而接口技术则进一步挖掘硬件的节能潜力。例如，能量自适应的硬件组件能够根据信号负载动态调整自身状态，而无线接口技术中的时间和频率占空比循环则可以更好地利用这些组件的节能特性，在合适的时机停用或调整组件，从而实现整体能耗的降低。
• 新技术的发展趋势 ：随着无线通信技术的不断发展，未来还将涌现出更多节能的硬件和接口技术。例如，更高集成度的芯片设计可以减少组件数量，降低功耗；新型的天线技术可能会提高信号传输效率，减少能量损耗。同时，无线接口技术也可能会进一步优化，如更智能的调度算法可以根据实时流量和信号情况动态调整占空比循环策略。

5. 节能策略的综合应用案例

为了更直观地展示上述节能策略的实际效果，我们来看一个综合应用案例。假设一个运营商在一个城市区域部署了 LTE 网络，涵盖了宏基站和微微基站。通过以下步骤实施节能策略：
1. 应用 E3F 进行评估 ：首先使用 E3F 对该网络的能耗情况进行评估，确定不同区域（如密集商业区、居民区、郊区等）的能耗分布和节能潜力。根据评估结果，发现某些区域的基站负载较低，存在较大的节能空间。
2. 硬件升级与优化 ：对部分老旧的基站进行硬件升级，采用能量自适应的发射路径和功率放大器，提高硬件的节能性能。同时，在小基站中应用灵活的基带信号处理算法和自适应转换模块，降低低负载时的功耗。
3. 无线接口技术调整 ：根据不同区域的流量特点，调整无线接口技术。在流量较低的时段，采用 Long DTX 技术，停用部分组件；在流量变化较大的区域，采用带宽自适应和容量自适应技术，根据实时流量调整带宽和资源分配。
4. 持续监测与优化 ：建立实时监测系统，对网络的能耗和性能进行持续监测。根据监测结果，及时调整节能策略，确保网络在保证服务质量的前提下实现最大程度的节能。

通过以上综合应用，该运营商的网络能耗得到了显著降低，同时服务质量并未受到明显影响。

6. 面临的挑战与解决方案

• 技术兼容性挑战 ：随着新的硬件和接口技术不断涌现，不同技术之间的兼容性成为一个挑战。例如，新的功率放大器可能与现有的基站控制系统不兼容，导致无法正常工作。解决方案是在研发和部署过程中，加强不同技术之间的兼容性测试，制定统一的接口标准，确保新技术能够顺利集成到现有网络中。
• 成本效益平衡挑战 ：实施节能策略往往需要投入一定的成本，如硬件升级、软件更新等。如何在节能效果和成本之间找到平衡是一个关键问题。解决方案是进行详细的成本效益分析，评估不同节能策略的投资回报率。例如，对于一些节能效果显著但成本较高的技术，可以在高流量、高能耗的区域优先应用；而对于一些成本较低的技术，则可以在全网络范围内推广。
• 服务质量保障挑战 ：在追求节能的同时，必须确保网络的服务质量不受影响。例如，过度的组件停用可能会导致信号中断或服务延迟。解决方案是建立智能的节能控制机制，根据实时流量和信号情况动态调整节能策略。同时，加强网络监测和故障预警系统，及时发现并解决可能影响服务质量的问题。

7. 未来展望

• 5G 及以后的节能展望 ：随着 5G 网络的大规模部署以及未来 6G 等技术的研究推进，无线通信网络的能耗问题将更加突出。未来的节能策略需要更加注重端到端的优化，包括基站、终端设备以及核心网络等各个环节。例如，5G 网络中的毫米波技术虽然提供了更高的带宽，但也面临着更高的能耗挑战，需要研发新的节能技术来应对。
• 绿色通信生态系统的构建 ：未来的无线通信网络将不仅仅关注自身的节能，还将与其他领域协同构建绿色通信生态系统。例如，与智能电网结合，实现电力的优化分配和利用；与物联网技术结合，通过智能传感器实时监测环境和设备状态，进一步优化节能策略。

以下为节能策略实施流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[应用 E3F 评估] --> B[硬件升级与优化]
    B --> C[无线接口技术调整]
    C --> D[持续监测与优化]

以下为不同节能策略面临挑战与解决方案的表格：
| 挑战类型 | 具体挑战 | 解决方案 |
| ---- | ---- | ---- |
| 技术兼容性 | 新硬件与现有系统不兼容 | 加强兼容性测试，制定统一接口标准 |
| 成本效益平衡 | 节能投资成本高 | 进行成本效益分析，优先在高能耗区域应用高成本技术 |
| 服务质量保障 | 节能影响服务质量 | 建立智能控制机制，加强监测和预警 |

通过对无线接入网能耗的深入分析、能源效率评估框架的应用以及硬件和无线接口技术的不断创新，我们已经在实现可持续无线宽带接入方面取得了一定的进展。然而，要应对未来无线通信网络的能耗挑战，还需要不断探索和创新，综合应用各种节能策略，构建绿色通信生态系统，以实现无线通信网络的可持续发展。