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尤肖虎:能效无线通信技术

发表日期:2011年11月11日      共浏览 2137 次      编辑:


图为东南大学教授尤肖虎

演讲全文:

龙肖虎:谢谢主持人,今天的主题是未来网络,无线网络应该是未来网络一个重要的组成部分,正如上午我们几位院士讲的一样,能效问题实际上是未来网络一个关键的指标。今天我也很难全面的概括无线通信的能效技术问题,我只是通过我们最近的一些研究来展现一下,通过一些什么样的变化可以提高整个的无线通信系统的能耗。

首先来看一下我们传统的蜂窝移动通信系统,我们这样一个通信系统存在一个明显的边界效应,或者是小区边沿效应,这个边沿效应最突出的是当你的手机非常接近基站的时候,通信的效率比较高,可以非常稳定的接收数据,当手机处在小区的边缘的时候,性能下降得就会非常的厉害,即使到了第四代的移动通信,我们在小区边缘的时候它的功率效率和频谱效应也会非常的差。所以,我们通过一种什么样的方式才能改变无线网的能耗呢?这里我们给出了一个更具体的例子,就是频段的问题,整个的无线网络的能效和频段也是密切相关的,我给了一个对比,如果我们系统工作再2G,我们把频率从2G换到了3.5G,我们就会发现需要增加大概10的发射才能进行同样的覆盖。最近我们在6个城市做TDLT的试验,所以如何来解决这些问题也是我们目前运营当中需要解决的问题。

怎么样来解决能效问题?我们先从移动通信的基础理论来看,我们仔细观察这样的曲线,这里我给出了不同的天线,一层一天线的曲线,可以发现它存在一个频谱有效的区域有一个功率有效的区域,所谓的频谱有效的区域就是不管你的发射功率有多大,但是每个比特数比较多,但是它的能量上并不是非常游侠的,比如说发射功率从20变到30,增加了10倍的发射功率,但是频谱效率只提高了这么一点点,就说明在这个区域能量并不是很有效的。相反,如果在低的区域我们发现,只要增加一点点的发射功率,频谱效率就会提高很多,所以在低端的话能量是有效的,在高端是频谱有效的,这又带来一个问题了,是不是意味着我们为了追求能效,要放弃高性能呢?这显然是我们运营商不可接受的,我好不容易从政府那里拿过来一段频谱,你是为了让我提高你的能耗,把这个系统的性能降下来,这显然是我们的运营商不能接受的,怎么样解决这个问题呢?我们必须要改变我们的网络脱铺结构,必须从别的纬度上面着手解决这个问题。

我们来看一下这是我们的传统的蜂窝运营系统,假设基站在中心的位置,手机在整个的区域里面随意的游动,如果我们把它的脱铺结构做一些变化,天线不仅仅是固定在中央,而且是可以分散在小区里面,那么我们由于手机和基站之间的距离可以缩短的,我们就可以降低它的发射功率,就可以改变它的小区的覆盖的均匀性,就可以提高它的效能,同时还可以保证它的频谱的利用率。这是一个更为形象的描绘,我们天线是一个分布式的天线系统,有两个好处,第一刚才已经讲了,通过这样的分散式的天线使得我的手机在小区里面的任何一个位置就可以找到基站,基站也不需要发射太大的功率,其次这些天线还可以结合在一起构造所谓的多通道,提高频谱效率,这样我们就解决了刚才问题,要么在高的频谱效率区间,要么在高的效率中间,没办法折中。

沿着这样的思路我们探讨一下,以下是我们详细的结果,因为时间的关系我们简单的概括一下,我们希望在这种典型的脱铺结构之下,我们希望给出一些理论值来指导我们的实践,这是我们努力的一个目标,我们建立了这样的模型,特别是分布式的模型,集中式的天线,或者分布式的天线,要用理论分析非常的困难的,我们做一些简化,我们找到了一些理论去分析频谱效率和能耗效率的途径。怎么样去定义整个的蜂窝系统的能效?业界并没有找到一种大家都相对满意的方式,大家引用比较多的就是这样的一种方式,就是能量,效率,C是我的整个信道的容量,而下面这个分母是我需要的发射功率,这里面包括我的基站的发射功率,乘上我的功放的效率,再乘上能耗,加在一起就成了我的整个的链路的能效的基本定义。这个好定义,但是并不好用,问题是你的基站的功放的效率到底是多少?不同的实践方式不一样,你的基站的电路的能耗也不太好定义,所以我们怎么做呢?我们不去说硬去抠这样的能量效率,我们去比较,我们来比较不同的网络的网络拓扑结构的发射功率怎么样?

这个是我们一些更为详细的分析,分布式能够带来哪些好处?我们移动通信里面追求几个度,一个是分级度,一个是自由度,分级度就是无论你怎么衰弱,我都会比较稳定的来接收。还有一个自由度,就是可以同时发射几个数据流,而对方都能够收到,我们追求的是这两个度。采用分散式的天线的话在这两个度上面都有体现。因为时间的关系就不多介绍了。

下面是我们的一些分析和我们设施的一些结果,给了这样的基本模型,就是在一个小区里面我有7个分布式的天线,这7个分布式的天线全部透过光纤拉远的方式,我来比较一下7个天线放在一起和把它拉远是不是可以改善它的能耗?就是这样一个基本的问题,假设的条件就是覆盖面积一样,发射功率一样,采用的功率也一样,来比较它的能耗的问题,这样就给出了一些理论的结果和计算的结果。挑几张简单的看一下,比较的目标是我设定一个频谱效率,在整个小区的情况下,它的平均的频谱效率是某个固定值的时候,我采用集中式和分布式到底会差多少?当我的频谱效率大约是比较多的情况,采用分布式和集中式最多可以达到10个,这是一个非常巨大的数字,它至少给我们指明了一个方向,背后的原因显然是可以解释的,就是因为天线跟手机的用户距离拉近了,降低了发射功率。按照我们的能效的公式给出了一个对比,我们给出了它的理论的上限和下限,频谱是10个的时候,采用分布式提高的能效大概50%左右,4个比特的时候能效提高大概是在112%左右,这是其他的一些比较,这是我们做的一些试验的情况,时间的关系不再展开了。

最后我的结论就是我们整个的蜂窝移动中心的能效问题能够不改变整个无线网络的形态结构,我们是没有办法去折中的,我们提高的功率效率,我们频谱效率降下来了,我们提高了频谱效率,功率效率降下来了,所以我们必须要改变拓扑结构才可以同时降下来,谢谢大家。