能量收集通信 | 带你读《5G系统关键技术详解》之五-阿里云开发者社区

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能量收集通信 | 带你读《5G系统关键技术详解》之五

简介: 本书深入介绍了 5G 无线网络的协议、网络架构和技术,包括无线接入网络、移动边 缘计算、全双工、大规模 MIMO、毫米波、NOMA、物联网、M2M 通信、D2D 通信、 移动数据分流、干扰抑制技术、无线资源管理、可见光通信和智能数据定价等关键主题。
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第 1 章 5G 系统新技术的概况

1.11 无线资源管理、干扰缓解和缓存

1.12 能量收集通信

近,由于环境问题,绿色通信的研究兴趣激增。据报道,世界各地的蜂窝网络每年消 耗大约 6×1010 kWh 的能源。特别是,蜂窝网络使用的电力中有 80%被无线通信基站消耗, 每年排放超过一亿吨二氧化碳[77]。如果不进一步采取措施来减少能源消耗,预计这些数字将 在 2020 年之前翻一番。此外,如果传输信息的单位能源成本不能减少,无线通信系统不断 上升的能源开销将给运营商带来经济负担。因此,节能通信设计已成为 5G 系统的重要需求。
在一些实际情况下,能量收集提供了可行的解决方案,因为能量限制无线通信设备可以 从太阳能、风能和地热能等可再生能源收集能源。此外,从“免费”的自然资源中获取能源 可能会长期大幅降低服务提供商的能源成本。因此,能源收集通信不仅要节能,而且还要自给自足和有效率。将能量收集器集成到无线通信设备中,对系统架构和资源分配算法的设计 提出了许多有趣的新挑战。实际上可再生能源具有永久性和间断性,在无线通信设备中将随机 性引入到能源可用性。如果无线收发器由可再生能源收集器单独供电,我们可能无法保持稳定 运行并为终端用户保证一定的 QoS。因此,提出了先进的信号处理技术以实现能量采集通信。
混合能源以互补的方式使用不同的能源,通过智能电网促进发射机之间的能量交换 和协作[78]。图 1.4 显示了 C-RAN 中这种系统的一个例子。在考虑的示例网络中,配备有 混合能源的几个邻近的 RRH 通过电力线连接以形成智能微电网,可实现双向能量交易和 协作传输。通过双向能源交易,具有可再生能源盈余的 RRH 可以存储超额收集能源或将 其出售给电网以获利,而具有可再生能源赤字的 RRH 可以从电网或其他 RRH 中获得额 外的能源以维持可靠的运行和通信。RRH 之间的数据回程连接使得 CoMP 传输成为可能。 如果电力线通信可行,则数据回程链路可以与电力线连接相结合。实际上,CoMP 系统 架构固有地提供了空间分集以对抗路径损耗和阴影。这一重要特征可以进一步降低系统 的能耗,提高能量采集通信系统的效率。然而,当回程链路的容量受到电力线通信的限 制,如全面协作所需的那样,将所有用户的数据从中央处理器传输到所有 RRH 可能是不 可行的。此外,节能的无线通信常规合作方案以保守的方式利用能量。由于可再生能源 必须得到充分的利用,这些方案不能直接应用于具有混合能源和能源交易的通信系统。 在第 13 章中,将讨论利用可再生能源的成本感知协作通信方案。
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1.13 可视化光通信

在全球范围内部署了 RF 频段的无线通信系统。然而,现有的 RF 频谱是有限的并且 已经不足。因此,预期 RF 频谱的供应将逐渐被数据流量的需求所取代。因此,需要互补 的通信技术来协助基于 RF 的通信。可见光的可用带宽是微波 RF 频带的 10 000 倍[79]。因 此,可见光通信(VLC,Visible Light Communication)的使用为减轻 RF 频段的频谱不足 提供了可行的解决方案[80]。VLC 利用了固态光,如用于数据通信的发光二极管(LED, Light Emitting Diode)。特别地,可以通过改变照明器的强度来调制和传输数据流。换句 话说,LED 可以用作双重用途的设备,同时提供照明和通信。事实上,可见光谱是不受管 制的。因此,它可以自由地用于通信目的,这将显著减少无线通信服务运营商的成本。
实现 VLC 有几个好处。第一,VLC 系统可以实现简单的同信道干扰管理,并提供高 水平的通信安全性。在室内,来自 VLC 系统的信号受到房间墙壁的限制,防止其他房间 的 VLC 通信系统的干扰泄漏。此外,潜在的窃听者不能在公寓或房间外面拦截 VLC 信 号。第二,VLC 是节能的并将受到欢迎。传统的室内照明在现代世界普遍存在,占美国 总用电量的约 11%[81]。由于环境问题,世界各国政府正在倡导用节能型 LED 替代能效低 的卤素灯和白炽灯。随着 LED 照明的普及,这种趋势为无处不在的 VLC 系统的发展铺 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费的。
VLC 不仅具有提供更高数据速率的潜力,而且具有物联网、智能交通系统、室内定 位和娱乐等各种重要应用[82]。为了实现真正的移动通信系统,需要一个完整的网络解决 方案,这引出了与 Wi-Fi 类似的可见光无线通信(LiFi,Light-Fidelity)的概念。LiFi 是 具有高速、双向、完全网络通信特征的 VLC 的一个子集。例如,为了在室内环境中实现 与多个 VLC 接收机的通信,已经提出了由几个小的光电子小区组成的蜂窝网络结构[83]。 目标是为多个用户同时提供无缝覆盖和高频谱效率。实际上,可以通过在房间的天花板 上安装多个 LED 接入点来实现光基站网络。然而,当同一室内环境下的多个光基站密集 地部署在光网络中时,同信道干扰迅速增加。因此,有必要研究同频干扰对系统数据速 率和中断概率的影响。14 章将对 5G 背景下的光 attocells 进行详细的讨论。
第 2 章 5G 系统的云无线接入网络

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