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。

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。