能量收集通信 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之五

第 1 章 5G 系統新技術的概況

1.11 無線資源管理、幹擾緩解和緩存

1.12 能量收集通信

近，由于環境問題，綠色通信的研究興趣激增。據報道，世界各地的蜂窩網絡每年消 耗大約 6×1010 kWh 的能源。特别是，蜂窩網絡使用的電力中有 80%被無線通信基站消耗， 每年排放超過一億噸二氧化碳[77]。如果不進一步采取措施來減少能源消耗，預計這些數字将 在 2020 年之前翻一番。此外，如果傳輸資訊的機關能源成本不能減少，無線通信系統不斷 上升的能源開銷将給營運商帶來經濟負擔。是以，節能通信設計已成為 5G 系統的重要需求。

在一些實際情況下，能量收集提供了可行的解決方案，因為能量限制無線通信裝置可以 從太陽能、風能和地熱能等可再生能源收集能源。此外，從“免費”的自然資源中擷取能源 可能會長期大幅降低服務提供商的能源成本。是以，能源收集通信不僅要節能，而且還要自給自足和有效率。将能量收集器內建到無線通信裝置中，對系統架構和資源配置設定算法的設計 提出了許多有趣的新挑戰。實際上可再生能源具有永久性和間斷性，在無線通信裝置中将随機 性引入到能源可用性。如果無線收發器由可再生能源收集器單獨供電，我們可能無法保持穩定 運作并為終端使用者保證一定的 QoS。是以，提出了先進的信号處理技術以實作能量采集通信。

混合能源以互補的方式使用不同的能源，通過智能電網促進發射機之間的能量交換 和協作[78]。圖 1.4 顯示了 C-RAN 中這種系統的一個例子。在考慮的示例網絡中，配備有 混合能源的幾個鄰近的 RRH 通過電力線連接配接以形成智能微電網，可實作雙向能量交易和 協作傳輸。通過雙向能源交易，具有可再生能源盈餘的 RRH 可以存儲超額收集能源或将 其出售給電網以獲利，而具有可再生能源赤字的 RRH 可以從電網或其他 RRH 中獲得額 外的能源以維持可靠的運作和通信。RRH 之間的資料回程連接配接使得 CoMP 傳輸成為可能。 如果電力線通信可行，則資料回程鍊路可以與電力線連接配接相結合。實際上，CoMP 系統 架構固有地提供了空間分集以對抗路徑損耗和陰影。這一重要特征可以進一步降低系統 的能耗，提高能量采集通信系統的效率。然而，當回程鍊路的容量受到電力線通信的限 制，如全面協作所需的那樣，将所有使用者的資料從中央處理器傳輸到所有 RRH 可能是不 可行的。此外，節能的無線通信正常合作方案以保守的方式利用能量。由于可再生能源 必須得到充分的利用，這些方案不能直接應用于具有混合能源和能源交易的通信系統。 在第 13 章中，将讨論利用可再生能源的成本感覺協作通信方案。

1.13 可視化光通信

在全球範圍内部署了 RF 頻段的無線通信系統。然而，現有的 RF 頻譜是有限的并且 已經不足。是以，預期 RF 頻譜的供應将逐漸被資料流量的需求所取代。是以，需要互補 的通信技術來協助基于 RF 的通信。可見光的可用帶寬是微波 RF 頻帶的 10 000 倍[79]。因 此，可見光通信（VLC，Visible Light Communication）的使用為減輕 RF 頻段的頻譜不足 提供了可行的解決方案[80]。VLC 利用了固态光，如用于資料通信的發光二極管（LED， Light Emitting Diode）。特别地，可以通過改變照明器的強度來調制和傳輸資料流。換句 話說，LED 可以用作雙重用途的裝置，同時提供照明和通信。事實上，可見光譜是不受管 制的。是以，它可以自由地用于通信目的，這将顯著減少無線通信服務營運商的成本。

實作 VLC 有幾個好處。第一，VLC 系統可以實作簡單的同信道幹擾管理，并提供高 水準的通信安全性。在室内，來自 VLC 系統的信号受到房間牆壁的限制，防止其他房間 的 VLC 通信系統的幹擾洩漏。此外，潛在的竊聽者不能在較高價的電梯大廈或房間外面攔截 VLC 信 号。第二，VLC 是節能的并将受到歡迎。傳統的室内照明在現代世界普遍存在，占美國 總用電量的約 11%[81]。由于環境問題，世界各國政府正在倡導用節能型 LED 替代能效低 的鹵素燈和白熾燈。随着 LED 照明的普及，這種趨勢為無處不在的 VLC 系統的發展鋪 平了道路。更重要的是，由于照明的需要，用于 VLC 通信的能量基本上是免費的。

VLC 不僅具有提供更高資料速率的潛力，而且具有物聯網、智能交通系統、室内定 位和娛樂等各種重要應用[82]。為了實作真正的移動通信系統，需要一個完整的網絡解決 方案，這引出了與 Wi-Fi 類似的可見光無線通信（LiFi，Light-Fidelity）的概念。LiFi 是 具有高速、雙向、完全網絡通信特征的 VLC 的一個子集。例如，為了在室内環境中實作 與多個 VLC 接收機的通信，已經提出了由幾個小的光電子小區組成的蜂窩網絡結構[83]。 目标是為多個使用者同時提供無縫覆寫和高頻譜效率。實際上，可以通過在房間的天花闆 上安裝多個 LED 接入點來實作光基站網絡。然而，當同一室内環境下的多個光基站密集 地部署在光網絡中時，同信道幹擾迅速增加。是以，有必要研究同頻幹擾對系統資料速 率和中斷機率的影響。14 章将對 5G 背景下的光 attocells 進行詳細的讨論。

第 2 章 5G 系統的雲無線接入網絡