[论文解读] Green Cellular Networks: A Survey, Some Research Issues and Challenges

Ziaul Hasan, Hamidreza Boostanimehr+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 45被引用 7

一句话总结

本文提出了一套全面的框架，通过网络架构重构、异构部署以及认知无线电和协作中继等先进技术，实现蜂窝网络的能效优化。文中识别出关键的节能技术，如节能型基站、动态频谱管理及可再生能源集成，证明在异构网络中节能最高可达60%，而采用先进功率放大器时节能可达70%。

ABSTRACT

Energy efficiency in cellular networks is a growing concern for cellular operators to not only maintain profitability, but also to reduce the overall environment effects. This emerging trend of achieving energy efficiency in cellular networks is motivating the standardization authorities and network operators to continuously explore future technologies in order to bring improvements in the entire network infrastructure. In this article, we present a brief survey of methods to improve the power efficiency of cellular networks, explore some research issues and challenges and suggest some techniques to enable an energy efficient or "green" cellular network. Since base stations consume a maximum portion of the total energy used in a cellular system, we will first provide a comprehensive survey on techniques to obtain energy savings in base stations. Next, we discuss how heterogeneous network deployment based on micro, pico and femto-cells can be used to achieve this goal. Since cognitive radio and cooperative relaying are undisputed future technologies in this regard, we propose a research vision to make these technologies more energy efficient. Lastly, we explore some broader perspectives in realizing a "green" cellular network technology

研究动机与目标

• 应对当前蜂窝网络占全球碳排放2%的能源成本上升与碳排放增加问题。
• 降低网络运营商的运营支出（OPEX），尤其是在离网站点，柴油发电机使成本增加十倍。
• 在所有网络层级与系统架构中推动能效优化，以支持可持续移动通信。
• 识别并解决绿色无线电中的关键研究挑战，包括节能型MAC层、路由及跨层优化。
• 将隐含能源、智能电网及统计功率特性等更广泛视角整合进绿色网络设计。

提出的方法

• 调研能效度量指标与标准化工作，强调能效、频谱效率、带宽与延迟之间的权衡。
• 分析基站（BS）功耗，重点研究采用Doherty架构、GaN基放大器及开关模式设计的功率放大器改进。
• 提出网络自组织技术与休眠模式，使基站功耗降低20–40%。
• 引入“小区聚焦”与动态基站开关策略，以适应业务负载变化，降低能耗。
• 评估采用微蜂窝、皮基站与 femtocell 的异构网络部署，与仅使用宏蜂窝的网络相比，节能最高可达60%。
• 在离网基站中集成可再生能源（如太阳能、风能），以减少对柴油的依赖并降低排放。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在蜂窝网络的各层级与架构中对能效进行量化与标准化？
• RQ2 哪些技术最有效降低基站功耗，特别是通过功率放大器与休眠模式优化？
• RQ3 采用小型蜂窝的异构网络部署如何影响整体网络能效？与隐含能源相关的权衡是什么？
• RQ4 在真实蜂窝网络部署中，认知无线电与协作中继技术实现能效仍面临哪些挑战？
• RQ5 隐含能源、智能电网及统计功率特性等更广泛因素如何影响绿色蜂窝网络的可持续性？

主要发现

• 采用Doherty架构与GaN基放大器可使功耗降低最高达50%；而开关模式放大器可实现最高70%的节能。
• 网络自组织技术与休眠模式可使基站功耗降低20–40%。
• 采用微蜂窝、皮基站与femtocell的异构网络部署，与仅使用宏蜂窝的网络相比，节能最高可达60%。
• 动态频谱管理技术可使能耗降低最高达50%。
• 在离网基站中集成可再生能源，可使全球柴油消耗降低最高达0.35%。
• 过度部署小型蜂窝可能增加隐含能源，导致总能耗上升，表明需优化网络设计。