基于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作綠色通信論文
隨著能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保的觀念已經(jīng)深入人心，綠色通信成為了一個(gè)新興的發(fā)展方向。在滿足用戶日益增長的通信業(yè)務(wù)需求下，降低無線通信系統(tǒng)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)能量有效的無線通信(也稱為綠色無線通信)，已成為國內(nèi)外無線通信發(fā)展的迫切需求，文章探討了認(rèn)知無線電與協(xié)作分集技術(shù)，進(jìn)而給出了基于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作綠色通信觀念，并指出了可以深入研究的方向點(diǎn)，觀點(diǎn)僅供參考。
1 概述
當(dāng)今信息與通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新的標(biāo)準(zhǔn)、體系與業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。以物聯(lián)網(wǎng)為中心的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)掀起了新一輪的發(fā)展浪潮，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也帶來了巨大的能源消耗。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，全球移動(dòng)用戶數(shù)在2012年已突破60億，并預(yù)計(jì)2015年將超過65億。與此同時(shí)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求的日益增長也導(dǎo)致了蜂窩基站數(shù)目的持續(xù)增加，目前全球基站數(shù)目超過400萬。按照每個(gè)蜂窩基站的平均年耗電量1.5萬度計(jì)算，全球所有基站的年耗電量達(dá)到600多億度，這無疑加重了世界能源供給的負(fù)擔(dān)[1]。移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展不僅帶來了巨大的能源消耗，同時(shí)也對人類生存環(huán)境造成了直接影響。根據(jù)Smart2020的報(bào)告指出，預(yù)計(jì)2020年移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所造成的碳排放量將占到全球碳排放量的0.4%。因此，在滿足用戶日益增長的通信業(yè)務(wù)需求下，降低無線通信系統(tǒng)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)能量有效的無線通信(也稱為綠色無線通信)，已成為國內(nèi)外無線通信發(fā)展的迫切需求，也是當(dāng)前國際信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
綠色通信是伴隨著“低碳經(jīng)濟(jì)”應(yīng)運(yùn)而生的概念，在“低碳經(jīng)濟(jì)”迅速發(fā)展成為全球焦點(diǎn)的時(shí)代背景下，“綠色通信”應(yīng)運(yùn)而生。由于人類節(jié)能環(huán)保的意識(shí)逐漸增強(qiáng)，且伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用，如何又快又好地實(shí)現(xiàn)“綠色通信”，值得每一個(gè)社會(huì)個(gè)體深入研究，亦成為了實(shí)現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”的首要內(nèi)容。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)表明，目前眾多企業(yè)，尤其是通信類企業(yè)，在生產(chǎn)過程中消耗的主要能源為電源。當(dāng)然，除了服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全等相關(guān)設(shè)備耗電外，機(jī)房空調(diào)耗電占據(jù)著重要份額。據(jù)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，中國移動(dòng)僅僅基站的耗電量占主導(dǎo)地位，超過該企業(yè)總耗電量的70%。高耗電產(chǎn)生的同時(shí)，必將伴隨大量熱能的產(chǎn)生。倘若不能及時(shí)散熱將導(dǎo)致基站工作性能下降，由此可見，制冷空調(diào)的使用不可或缺，因而最終導(dǎo)致兩方面嚴(yán)重的后果。其一，必然帶來巨大的耗電，其二是大量溫室氣體的產(chǎn)生與排放，存在著嚴(yán)峻的雙向環(huán)境問題。其次，在社會(huì)生產(chǎn)服務(wù)過程中，各大企業(yè)必然用到大量的紙品，例如紙質(zhì)賬單，勢必導(dǎo)致非常嚴(yán)重的不可再生資源的浪費(fèi)。據(jù)相關(guān)不完全統(tǒng)計(jì)，如果每張賬單按A4紙估算，每5000張A4紙就需要消耗大約1立方米木材。以上海的企業(yè)為例，所有企業(yè)加起來賬單每年的使用量，就需要消耗2萬立方米木材，大約相當(dāng)于3500畝森林。如此一來，放眼全國，又將需要消耗多少森林資源呢?所以，紙張的使用也大大增加了若干產(chǎn)業(yè)的負(fù)擔(dān)，況且在紙張的生產(chǎn)過程中排放的若干溫室氣體對環(huán)境造成的巨大傷害不可估量。由于人們社會(huì)生活對移動(dòng)通信的依賴不斷加深，移動(dòng)通信基站數(shù)量激增，無線通信基站帶來的電磁輻射問題也值得人們深思。即使低頻電磁輻射對成人健康影響相對微弱一些，但是對于那些長時(shí)間居住或工作在基站輻射范圍內(nèi)的.人們來說，基站輻射帶來的影響亦不可忽略[2]。尤其是對于非成年人——兒童來說，他們的身體發(fā)育沒有完全成熟，缺乏對輻射的相關(guān)防御能力，更應(yīng)該對無線通信基站敬而遠(yuǎn)之。以上所述均是當(dāng)今社會(huì)信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中帶來的比較突出的問題，直接影響到全人類的健康生活和自然生態(tài)環(huán)境，這不也正從側(cè)面彰顯了加快腳步實(shí)施“綠色無線通信”的廣泛而深遠(yuǎn)意義嗎!
目前，綠色無線通信的研究剛剛起步，相關(guān)的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，仍存在諸多關(guān)鍵問題亟待解決。與此同時(shí)，認(rèn)知無線電和協(xié)作通信技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)綠色無線通信的兩大重要手段。
2 認(rèn)知無線電與協(xié)作通信技術(shù)
2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC頻譜政策專門小組SPTF (Spectrum Policy Task Force)發(fā)布的報(bào)告[3]，對頻譜資源使用政策的變化具有深遠(yuǎn)的影響，報(bào)告設(shè)定2003年5月在華盛頓成立認(rèn)知無線電工作組。2004年3月在美國拉斯維加斯認(rèn)知無線電學(xué)術(shù)會(huì)議的召開標(biāo)志了CR技術(shù)正式起步。2005年2月，JSAC通信雜志上發(fā)表了著名通信理論專家S. Haykin的關(guān)于認(rèn)知無線電綜述的一篇文章，題目是“Cognitive radio： brain-empowered wireless communications”[4]，該文章正式開啟了國際性廣泛范圍內(nèi)認(rèn)知無線電技術(shù)研究與探索的新篇章，為人類在該領(lǐng)域的深入挖掘揭開了序幕。認(rèn)知無線電，亦被稱為感知無線電，該技術(shù)表明在不影響主用戶(PU， Primary User)通信性能的條件下，智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(SU，Secondary User)，即認(rèn)知用戶(CU，Cognitive User)的通信是可行的、可靠的、安全的，進(jìn)而可以使更多用戶共享短缺的頻譜資源，大大提高無線頻譜的利用率。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件，即當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線頻譜資源、系統(tǒng)設(shè)定等，對已經(jīng)感知到的頻譜空洞進(jìn)行最大且最優(yōu)利用，進(jìn)而最大限度地提升次用戶網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，且不給主用戶帶來“困擾”。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用效率極高，允許次用戶在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻帶復(fù)用。該技術(shù)的出現(xiàn)勢必大大減少由于頻段和帶寬等資源短缺與限制的背景下，對無線通信技術(shù)發(fā)展的束縛，預(yù)示著無線通信技術(shù)發(fā)展的新方向、新思路，該項(xiàng)技術(shù)已然成為一項(xiàng)重要的國際性研究課題。
這樣，源終端與目的終端之間將會(huì)形成兩條相對獨(dú)立的衰落路徑，其中一條是終端1與目的終端之間的直接傳輸路徑，另一條則是終端1、終端2和目的終端間的間接傳輸路徑。從本質(zhì)上說，協(xié)作分集技術(shù)是近年來頗受關(guān)注的無線通信新技術(shù)之一。從本質(zhì)上說，協(xié)作分集就是采用在多用戶之間共享天線和其他網(wǎng)絡(luò)資源來構(gòu)造“虛擬多天線陣列”，即利用共享協(xié)作終端的天線，與其自身的天線共同構(gòu)成多天線發(fā)射，并模仿傳統(tǒng)的多天線發(fā)射分集的技術(shù)來獲得空間分集增益。目前，已有大量學(xué)者在該技術(shù)上取得重要成就與突破。例如，Sendonaris、Erkip、Lanaman、Hunter等人，他們一直致力于該技術(shù)的理論研究工作，在協(xié)作分集與網(wǎng)絡(luò)容量和中斷概率等系統(tǒng)性能的關(guān)系，放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作等中繼協(xié)作策略及其應(yīng)用等方面的研究，為協(xié)作分集在無線通信技術(shù)中的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。根據(jù)目前研究表明，協(xié)作分集技術(shù)已被應(yīng)用于認(rèn)知無線電領(lǐng)域，主要用在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知(SS，Spectrum Sensing)，據(jù)此大量學(xué)者提出了多種協(xié)作頻譜感知方案，用來提高主用戶的檢測概率，大大減少了系統(tǒng)的感知時(shí)間。
3 基于認(rèn)知無線電的綠色協(xié)作通信
隨著用戶需求的不斷提高，未來移動(dòng)通信終端將支持更高的數(shù)據(jù)速率和多種無線網(wǎng)絡(luò)接口(包括3G/4G，Wi-Fi，Bluetooth等)，這將顯著加劇移動(dòng)終端的功率消耗。然而，移動(dòng)終端通常是采用電池供電，且電池容量十分有限，為此在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，需要研究移動(dòng)終端節(jié)能技術(shù)，降低移動(dòng)通信的能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色無線通信。同時(shí)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，不過能量消耗較大，相比之下無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍小，但是相應(yīng)的能量消耗要明顯低于蜂窩移動(dòng)通信，這也表明了各種無線通信網(wǎng)絡(luò)具有相互協(xié)作的潛力，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。
實(shí)現(xiàn)基于認(rèn)知無線電的協(xié)作綠色通信過程通常包括兩個(gè)主要階段：(1)頻譜感知階段，其中認(rèn)知用戶嘗試檢測可用的頻譜空洞;(2)認(rèn)知用戶協(xié)作通信階段，其中認(rèn)知用戶利用已檢測到的頻譜空洞進(jìn)行協(xié)作綠色通信。因此，作者認(rèn)為可以從以下兩個(gè)方面取得研究綠色認(rèn)知無線電：(1)高能效的本地感知算法，從能量有效的角度重新審視現(xiàn)有的頻譜感知方法，設(shè)計(jì)高能效的頻譜檢測算法，在低能耗和高檢測性能之間取得折中;(2)在保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過高的效管理主次用戶之間的相互干擾，設(shè)計(jì)能量有效的綠色認(rèn)知用戶綠色協(xié)作通信機(jī)制，降低認(rèn)知用戶的通信能耗。
當(dāng)前，各種各樣的無線通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)共存，包括蜂窩移動(dòng)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)、藍(lán)牙等，因此作者認(rèn)為也可以研究高能效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作模型，在多種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)共存的場景下，研究異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間的高效協(xié)作，在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，降低無線網(wǎng)絡(luò)的整體能量消耗。
4 結(jié)束語
綠色無線通信就是在不降低服務(wù)性能的基礎(chǔ)上，不斷地降低能源的消耗，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。相信會(huì)有越來越多的學(xué)者加入到綠色通信的課題研究中，為推動(dòng)我國綠色無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐和技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)真正的綠色通信。
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