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基于認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)作綠色通信論文
隨著(zhù)能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴重，節能環(huán)保的觀(guān)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(mǎn)足用戶(hù)日益增長(cháng)的通信業(yè)務(wù)需求下，降低無(wú)線(xiàn)通信系統的能量消耗，實(shí)現能量有效的無(wú)線(xiàn)通信(也稱(chēng)為綠色無(wú)線(xiàn)通信)，已成為國內外無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的迫切需求，文章探討了認知無(wú)線(xiàn)電與協(xié)作分集技術(shù)，進(jìn)而給出了基于認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)作綠色通信觀(guān)念，并指出了可以深入研究的方向點(diǎn)，觀(guān)點(diǎn)僅供參考。
1 概述
當今信息與通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新的標準、體系與業(yè)務(wù)不斷涌現。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(lái)了巨大的能源消耗。根據國際電信聯(lián)盟的統計，全球移動(dòng)用戶(hù)數在2012年已突破60億，并預計2015年將超過(guò)65億。與此同時(shí)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求的日益增長(cháng)也導致了蜂窩基站數目的持續增加，目前全球基站數目超過(guò)400萬(wàn)。按照每個(gè)蜂窩基站的平均年耗電量1.5萬(wàn)度計算，全球所有基站的年耗電量達到600多億度，這無(wú)疑加重了世界能源供給的負擔[1]。移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展不僅帶來(lái)了巨大的能源消耗，同時(shí)也對人類(lèi)生存環(huán)境造成了直接影響。根據Smart2020的報告指出，預計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(mǎn)足用戶(hù)日益增長(cháng)的通信業(yè)務(wù)需求下，降低無(wú)線(xiàn)通信系統的能量消耗，實(shí)現能量有效的無(wú)線(xiàn)通信(也稱(chēng)為綠色無(wú)線(xiàn)通信)，已成為國內外無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的迫切需求，也是當前國際信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
綠色通信是伴隨著(zhù)“低碳經(jīng)濟”應運而生的概念，在“低碳經(jīng)濟”迅速發(fā)展成為全球焦點(diǎn)的時(shí)代背景下，“綠色通信”應運而生。由于人類(lèi)節能環(huán)保的意識逐漸增強，且伴隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)更加廣泛的應用，如何又快又好地實(shí)現“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“低碳經(jīng)濟”的首要內容。相關(guān)調研數據表明，目前眾多企業(yè)，尤其是通信類(lèi)企業(yè)，在生產(chǎn)過(guò)程中消耗的主要能源為電源。當然，除了服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò )、安全等相關(guān)設備耗電外，機房空調耗電占據著(zhù)重要份額。據查詢(xún)相關(guān)數據，中國移動(dòng)僅僅基站的耗電量占主導地位，超過(guò)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)散熱將導致基站工作性能下降，由此可見(jiàn)，制冷空調的使用不可或缺，因而最終導致兩方面嚴重的后果。其一，必然帶來(lái)巨大的耗電，其二是大量溫室氣體的產(chǎn)生與排放，存在著(zhù)嚴峻的雙向環(huán)境問(wèn)題。其次，在社會(huì )生產(chǎn)服務(wù)過(guò)程中，各大企業(yè)必然用到大量的紙品，例如紙質(zhì)賬單，勢必導致非常嚴重的不可再生資源的浪費。據相關(guān)不完全統計，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(lái)賬單每年的使用量，就需要消耗2萬(wàn)立方米木材，大約相當于3500畝森林。如此一來(lái)，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)的負擔，況且在紙張的生產(chǎn)過(guò)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(lài)不斷加深，移動(dòng)通信基站數量激增，無(wú)線(xiàn)通信基站帶來(lái)的電磁輻射問(wèn)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(cháng)時(shí)間居住或工作在基站輻射范圍內的人們來(lái)說(shuō)，基站輻射帶來(lái)的影響亦不可忽略[2]。尤其是對于非成年人——兒童來(lái)說(shuō)，他們的身體發(fā)育沒(méi)有完全成熟，缺乏對輻射的相關(guān)防御能力，更應該對無(wú)線(xiàn)通信基站敬而遠之。以上所述均是當今社會(huì )信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中帶來(lái)的比較突出的問(wèn)題，直接影響到全人類(lèi)的健康生活和自然生態(tài)環(huán)境，這不也正從側面彰顯了加快腳步實(shí)施“綠色無(wú)線(xiàn)通信”的廣泛而深遠意義嗎!
目前，綠色無(wú)線(xiàn)通信的研究剛剛起步，相關(guān)的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)還遠未成熟，仍存在諸多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。與此同時(shí)，認知無(wú)線(xiàn)電和協(xié)作通信技術(shù)被認為是實(shí)現綠色無(wú)線(xiàn)通信的兩大重要手段。
2 認知無(wú)線(xiàn)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(zhuān)門(mén)小組SPTF (Spectrum Policy Task Force)發(fā)布的報告[3]，對頻譜資源使用政策的變化具有深遠的影響，報告設定2003年5月在華盛頓成立認知無(wú)線(xiàn)電工作組。2004年3月在美國拉斯維加斯認知無(wú)線(xiàn)電學(xué)術(shù)會(huì )議的召開(kāi)標志了CR技術(shù)正式起步。2005年2月，JSAC通信雜志上發(fā)表了著(zhù)名通信理論專(zhuān)家S. Haykin的關(guān)于認知無(wú)線(xiàn)電綜述的一篇文章，題目是“Cognitive radio： brain-empowered wireless communications”[4]，該文章正式開(kāi)啟了國際性廣泛范圍內認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究與探索的新篇章，為人類(lèi)在該領(lǐng)域的深入挖掘揭開(kāi)了序幕。認知無(wú)線(xiàn)電，亦被稱(chēng)為感知無(wú)線(xiàn)電，該技術(shù)表明在不影響主用戶(hù)(PU， Primary User)通信性能的條件下，智能地利用大量空閑頻譜以滿(mǎn)足次用戶(hù)(SU，Secondary User)，即認知用戶(hù)(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(hù)共享短缺的頻譜資源，大大提高無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率。認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )可以根據當前的環(huán)境條件，即當前的網(wǎng)絡(luò )架構、無(wú)線(xiàn)頻譜資源、系統設定等，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(hù)網(wǎng)絡(luò )的數據吞吐量，且不給主用戶(hù)帶來(lái)“困擾”。目前，國內外相關(guān)研究成果表明，認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的頻譜使用效率極高，允許次用戶(hù)在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻帶復用。該技術(shù)的出現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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展的束縛，預示著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展的新方向、新思路，該項技術(shù)已然成為一項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(shuō)，協(xié)作分集技術(shù)是近年來(lái)頗受關(guān)注的無(wú)線(xiàn)通信新技術(shù)之一。從本質(zhì)上說(shuō)，協(xié)作分集就是采用在多用戶(hù)之間共享天線(xiàn)和其他網(wǎng)絡(luò )資源來(lái)構造“虛擬多天線(xiàn)陣列”，即利用共享協(xié)作終端的天線(xiàn)，與其自身的天線(xiàn)共同構成多天線(xiàn)發(fā)射，并模仿傳統的多天線(xiàn)發(fā)射分集的技術(shù)來(lái)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性能的關(guān)系，放大轉發(fā)、解碼轉發(fā)、編碼協(xié)作等中繼協(xié)作策略及其應用等方面的研究，為協(xié)作分集在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中的推廣應用奠定了堅實(shí)的基礎[5]。根據目前研究表明，協(xié)作分集技術(shù)已被應用于認知無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域，主要用在認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )中的頻譜感知(SS，Spectrum Sensing)，據此大量學(xué)者提出了多種協(xié)作頻譜感知方案，用來(lái)提高主用戶(hù)的檢測概率，大大減少了系統的感知時(shí)間。
3 基于認知無(wú)線(xiàn)電的綠色協(xié)作通信
隨著(zhù)用戶(hù)需求的不斷提高，未來(lái)移動(dòng)通信終端將支持更高的數據速率和多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口(包括3G/4G，Wi-Fi，Bluetooth等)，這將顯著(zhù)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(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，需要研究移動(dòng)終端節能技術(shù)，降低移動(dòng)通信的能源消耗，實(shí)現綠色無(wú)線(xiàn)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(guò)能量消耗較大，相比之下無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的覆蓋范圍小，但是相應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(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )具有相互協(xié)作的潛力，以實(shí)現優(yōu)勢互補。
實(shí)現基于認知無(wú)線(xiàn)電的協(xié)作綠色通信過(guò)程通常包括兩個(gè)主要階段：(1)頻譜感知階段，其中認知用戶(hù)嘗試檢測可用的頻譜空洞;(2)認知用戶(hù)協(xié)作通信階段，其中認知用戶(hù)利用已檢測到的頻譜空洞進(jìn)行協(xié)作綠色通信。因此，作者認為可以從以下兩個(gè)方面取得研究綠色認知無(wú)線(xiàn)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有的頻譜感知方法，設計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(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過(guò)高的效管理主次用戶(hù)之間的相互干擾，設計能量有效的綠色認知用戶(hù)綠色協(xié)作通信機制，降低認知用戶(hù)的通信能耗。
當前，各種各樣的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )異構共存，包括蜂窩移動(dòng)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)、藍牙等，因此作者認為也可以研究高能效的異構網(wǎng)絡(luò )協(xié)作模型，在多種異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )共存的場(chǎng)景下，研究異構無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的整體能量消耗。
4 結束語(yǔ)
綠色無(wú)線(xiàn)通信就是在不降低服務(wù)性能的基礎上，不斷地降低能源的消耗，實(shí)現低碳經(jīng)濟的目標。相信會(huì )有越來(lái)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(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐和技術(shù)保障，實(shí)現真正的綠色通信。
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