[논문 리뷰] An Overview of Sustainable Green 5G Networks

Qingqing Wu, Geoffrey Ye Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 16인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 지속 가능한 5G 네트워크를 구현하기 위해 녹색 5G 기술과 에너지 수확 기술에 대한 종합적인 개요를 제시한다. 다량의 MIMO, mmWave, 초고밀도 네트워크와 같은 스펙트럼 효율적인 5G 기술과 함께 무선 주파수(RF) 신호 및 재생 가능한 자원에서의 에너지 수확을 통합하여 에너지 효율성을 향상시키고 화석 연료 의존도를 감소시키며, 지속 가능한 무선 통신을 위한 통합 생태계를 달성한다.

ABSTRACT

The stringent requirements of a 1,000 times increase in data traffic and one millisecond round trip latency have made limiting the potentially tremendous ensuing energy consumption one of the most challenging problems for the design of the upcoming fifth-generation (5G) networks. To enable sustainable 5G networks, new technologies have been proposed to improve the system energy efficiency and alternative energy sources are introduced to reduce our dependence on traditional fossil fuels. In particular, various 5G techniques target the reduction of the energy consumption without sacrificing the quality-of-service. Meanwhile, energy harvesting technologies, which enable communication transceivers to harvest energy from various renewable resources and ambient radio frequency signals for communi- cation, have drawn significant interest from both academia and industry. In this article, we provide an overview of the latest research on both green 5G techniques and energy harvesting for communication. In addition, some technical challenges and potential research topics for realizing sustainable green 5G networks are also identified.

연구 동기 및 목표

• 1,000배 증가한 데이터 트래픽과 엄격한 지연 요구 사항으로 인한 5G 네트워크의 증가하는 에너지 소비를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 효율성만으로는 진정으로 지속 가능성을 달성할 수 없음을 고려하여 에너지 수확을 통합함으로써 진정한 지속 가능성 달성.
• 에너지 효율성과 시스템 성능을 공동으로 최적화하는 상호운용 가능한 녹색 5G 기술의 통합 생태계 개발.
• 미래의 5G 구현을 위한 에너지 수확, 무선 전력 전송(WPT) 효율성, 간섭 관리 분야의 핵심 기술적 과제 규명.
• 기존 전원 공급원에 대한 의존도를 줄임으로써 장기적인 네트워크 지속 가능성 확보를 위한 재생 가능한 자원 및 RF 에너지 수확 기반의 전력 공급 전략 구현.

제안 방법

• 수신기가 RF 신호를 정보 및 에너지 신호로 분리하여 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 위한 이중 용도 아키텍처를 제안한다.
• 에너지 수확과 정보 전송을 시간적으로 분리하여 에너지 가용성을 최적화하는 무선 전력 통신 네트워크(WPCNs)를 도입한다.
• 다량의 MIMO 및 mmWave를 활용한 에너지 빔포밍을 통해 RF 에너지를 집중시켜 무선 전력 전송(WPT) 효율성을 향상시킨다.
• D2D 및 초고밀도 네트워크(UDNs)와 같은 근거리 통신 기술을 활용하여 경로 손실을 감소시키고 WPT 효율성을 높인다.
• 동일 대역 간섭을 잠재적 에너지 원천으로 재구성하여 고간섭 주기 동안 에너지 수확이 가능하도록 한다.
• 회로 전력 소비를 최소화하고 네트워크로 수확된 에너지를 극대화하기 위해 저전력 수신기 아키텍처를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경의 RF 신호 및 재생 가능한 자원에서의 에너지 수확을 5G 네트워크에 통합하여 기존 전원 공급원 의존도를 줄일 수 있는가?
• RQ2 다량의 MIMO, mmWave 및 UDNs를 도입할 경우 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 최적화하여 전송 속도와 수확된 에너지 간 균형을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ4 동일 대역 간섭은 에너지 수확에 어떤 역할을 하는가? 통신 품질을 저하시키지 않으면서 이를 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 WPCN 프로토콜을 어떻게 설계하여 WPT와 WIT의 지속 시간을 균형 잡아 최대 시스템 전송 속도와 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 환경의 RF 신호 및 재생 가능한 자원에서의 에너지 수확은 기지국과 사용자 단말기의 전력 공급에 실현 가능한 해결책을 제공하며, 장기적인 네트워크 지속 가능성 달성에 기여한다.
• 다량의 MIMO 및 mmWave 통신은 높은 회로 전력 소비가 있음에도 불구하고, 빔포밍과 에너지 수확을 결합함으로써 높은 에너지 효율성을 달성할 수 있다.
• 초고밀도 네트워크(UDNs) 및 D2D 통신은 전송 거리와 경로 손실을 감소시켜 WPT 효율성을 크게 향상시킨다.
• SWIPT는 RF 신호의 이중 용도를 가능하게 하며, 최적의 전력 분할 비율이 정보 복원 성능와 에너지 수확 성능 간 균형을 이룹니다.
• 동일 대역 간섭은 조밀한 네트워크에서 특히 에너지 원천으로 재활용될 수 있으며, 네트워크 최적화를 위한 새로운 자유도를 제공한다.
• 저전력 수신기 설계를 통해 회로 전력 소비를 줄이는 것은 네트워크로 수확된 순 에너지를 극대화하고 시스템의 에너지 효율성을 높이기 위해 필수적이다.