[論文レビュー] An Overview of Sustainable Green 5G Networks

Qingqing Wu, Geoffrey Ye Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 16被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、持続可能な5Gネットワークを実現するための緑色5G技術およびエネルギー回収技術について包括的な概要を提示している。RF信号および再生可能エネルギーからのエネルギー回収を、スペクトル効率の高い5G技術（例：マスティブ MIMO、mmWave、超密なネットワーク）と統合することで、エネルギー効率を向上させ、化石燃料への依存度を低減し、持続可能な無線通信の包括的エコシステムを実現する。

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.

研究の動機と目的

• データトラフィックが1,000倍に増加する5Gネットワークにおけるエネルギー消費の増加に対処する。
• スペクトル効率のみに依存するのを克服し、エネルギー回収を統合することで真の持続可能性を達成する。
• エネルギー効率とシステム性能を共同最適化する相互運用可能なグリーン5G技術の包括的エコシステムを構築する。
• 将来の5G展開におけるエネルギー回収、WPT効率、インタフェンス管理の主な技術的課題を特定する。
• 再生可能エネルギーおよびRFエネルギー回収により、従来の電源への依存度を低減することで、長期的なネットワーク持続可能性を実現する。

提案手法

• 受信機がRF信号を情報とエネルギーの2つのストリームに分割する、同時無線情報および電力伝送（SWIPT）の二重用途アーキテクチャを提案する。
• エネルギー回収と情報伝送を時間的に分離することで、エネルギーの可用性を最適化する、無線駆動通信ネットワーク（WPCNs）を導入する。
• マスティブ MIMOおよびmmWaveを用いたエネルギービームフォーミングにより、RFエネルギーを集中し、指向性伝送によってWPT効率を向上させる。
• D2Dおよび超密なネットワーク（UDNs）などの短距離通信技術を活用し、経路損失を低減し、WPT効率を向上させる。
• 周波数が重複する干渉を、潜在的なエネルギー源として再考し、高干渉状態時にエネルギー回収が可能となるようにする。
• 回路の消費電力を最小限に抑える低消費電力受信機アーキテクチャを設計し、網羅的回収エネルギーを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周囲のRF信号および再生可能エネルギーからのエネルギー回収を、5Gネットワークに統合することで、従来の電源への依存度をどのように低減できるか？
• RQ2 マスティブ MIMO、mmWave、UDNsを導入した場合、スペクトル効率とエネルギー効率の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 同時無線情報および電力伝送（SWIPT）を最適化するには、スループットと回収エネルギーの両立をどのように達成できるか？
• RQ4 周波数が重複する干渉は、エネルギー回収を可能にする役割を果たすが、通信品質を劣化させることなく、どのように活用できるか？
• RQ5 WPCNプロトコルは、WPTとWITの時間割をどのように設計すれば、システムスループットとエネルギー効率を最大限にできるか？

主な発見

• 周囲のRF信号および再生可能エネルギーからのエネルギー回収は、基地局およびユーザー端末の駆動に有効な解決策であり、長期的なネットワーク持続可能性を実現する。
• マスティブ MIMOおよびmmWave通信は、回路消費電力が高めではあるが、ビームフォーミングとエネルギー回収を組み合わせることで、高いエネルギー効率を達成できる。
• 超密なネットワーク（UDNs）およびD2D通信は、送信距離と経路損失を低減し、WPT効率を顕著に向上させる。
• SWIPTによりRF信号の二重利用が可能となり、最適な電力分割比が情報復元とエネルギー回収の性能をバランスさせる。
• 周波数が重複する干渉は、特に密度の高いネットワークにおいて、エネルギー源として再利用可能であり、ネットワーク最適化の新たな自由度を提供する。
• 低消費電力受信機設計による回路消費電力の低減は、網羅的回収エネルギーとシステムエネルギー効率を最大化するために不可欠である。