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基于認知無線網絡的協作綠色通信論文
隨著能源和環境問題日益嚴重，節能環保的觀念已經深入人心，綠色通信成為了一個新興的發展方向。在滿足用戶日益增長的通信業務需求下，降低無線通信系統的能量消耗，實現能量有效的無線通信(也稱為綠色無線通信)，已成為國內外無線通信發展的迫切需求，文章探討了認知無線電與協作分集技術，進而給出了基于認知無線網絡的協作綠色通信觀念，并指出了可以深入研究的方向點，觀點僅供參考。
1 概述
當今信息與通信技術的發展日新月異，各種新的標準、體系與業務不斷涌現。以物聯網為中心的信息技術產業掀起了新一輪的發展浪潮，相關產業的快速發展也帶來了巨大的能源消耗。根據國際電信聯盟的統計，全球移動用戶數在2012年已突破60億，并預計2015年將超過65億。與此同時，移動通信業務需求的日益增長也導致了蜂窩基站數目的持續增加，目前全球基站數目超過400萬。按照每個蜂窩基站的平均年耗電量1.5萬度計算，全球所有基站的年耗電量達到600多億度，這無疑加重了世界能源供給的負擔[1]。移動通信產業的快速發展不僅帶來了巨大的能源消耗，同時也對人類生存環境造成了直接影響。根據Smart2020的報告指出，預計2020年移動通信網絡所造成的碳排放量將占到全球碳排放量的0.4%。因此，在滿足用戶日益增長的通信業務需求下，降低無線通信系統的能量消耗，實現能量有效的無線通信(也稱為綠色無線通信)，已成為國內外無線通信發展的迫切需求，也是當前國際信息領域的研究熱點之一。
綠色通信是伴隨著“低碳經濟”應運而生的概念，在“低碳經濟”迅速發展成為全球焦點的時代背景下，“綠色通信”應運而生。由于人類節能環保的意識逐漸增強，且伴隨著移動通信技術更加廣泛的應用，如何又快又好地實現“綠色通信”，值得每一個社會個體深入研究，亦成為了實現“低碳經濟”的首要內容。相關調研數據表明，目前眾多企業，尤其是通信類企業，在生產過程中消耗的主要能源為電源。當然，除了服務器、存儲、網絡、安全等相關設備耗電外，機房空調耗電占據著重要份額。據查詢相關數據，中國移動僅僅基站的耗電量占主導地位，超過該企業總耗電量的70%。高耗電產生的同時，必將伴隨大量熱能的產生。倘若不能及時散熱將導致基站工作性能下降，由此可見，制冷空調的使用不可或缺，因而最終導致兩方面嚴重的后果。其一，必然帶來巨大的耗電，其二是大量溫室氣體的產生與排放，存在著嚴峻的雙向環境問題。其次，在社會生產服務過程中，各大企業必然用到大量的紙品，例如紙質賬單，勢必導致非常嚴重的不可再生資源的浪費。據相關不完全統計，如果每張賬單按A4紙估算，每5000張A4紙就需要消耗大約1立方米木材。以上海的企業為例，所有企業加起來賬單每年的使用量，就需要消耗2萬立方米木材，大約相當于3500畝森林。如此一來，放眼全國，又將需要消耗多少森林資源呢?所以，紙張的使用也大大增加了若干產業的負擔，況且在紙張的生產過程中排放的若干溫室氣體對環境造成的巨大傷害不可估量。由于人們社會生活對移動通信的依賴不斷加深，移動通信基站數量激增，無線通信基站帶來的電磁輻射問題也值得人們深思。即使低頻電磁輻射對成人健康影響相對微弱一些，但是對于那些長時間居住或工作在基站輻射范圍內的人們來說，基站輻射帶來的影響亦不可忽略[2]。尤其是對于非成年人——兒童來說，他們的身體發育沒有完全成熟，缺乏對輻射的相關防御能力，更應該對無線通信基站敬而遠之。以上所述均是當今社會信息通信產業發展的過程中帶來的比較突出的問題，直接影響到全人類的健康生活和自然生態環境，這不也正從側面彰顯了加快腳步實施“綠色無線通信”的廣泛而深遠意義嗎!
目前，綠色無線通信的研究剛剛起步，相關的理論體系與關鍵技術還遠未成熟，仍存在諸多關鍵問題亟待解決。與此同時，認知無線電和協作通信技術被認為是實現綠色無線通信的兩大重要手段。
2 認知無線電與協作通信技術
2002年，美國聯邦通信委員會FCC頻譜政策專門小組SPTF (Spectrum Policy Task Force)發布的報告[3]，對頻譜資源使用政策的變化具有深遠的影響，報告設定2003年5月在華盛頓成立認知無線電工作組。2004年3月在美國拉斯維加斯認知無線電學術會議的召開標志了CR技術正式起步。2005年2月，JSAC通信雜志上發表了著名通信理論專家S. Haykin的關于認知無線電綜述的一篇文章，題目是“Cognitive radio： brain-empowered wireless communications”[4]，該文章正式開啟了國際性廣泛范圍內認知無線電技術研究與探索的新篇章，為人類在該領域的深入挖掘揭開了序幕。認知無線電，亦被稱為感知無線電，該技術表明在不影響主用戶(PU， Primary User)通信性能的條件下，智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(SU，Secondary User)，即認知用戶(CU，Cognitive User)的通信是可行的、可靠的、安全的，進而可以使更多用戶共享短缺的頻譜資源，大大提高無線頻譜的利用率。認知無線電網絡可以根據當前的環境條件，即當前的網絡架構、無線頻譜資源、系統設定等，對已經感知到的頻譜空洞進行最大且最優利用，進而最大限度地提升次用戶網絡的數據吞吐量，且不給主用戶帶來“困擾”。目前，國內外相關研究成果表明，認知無線網絡的頻譜使用效率極高，允許次用戶在時間、頻率以及空間上進行多維的頻帶復用。該技術的出現勢必大大減少由于頻段和帶寬等資源短缺與限制的背景下，對無線通信技術發展的束縛，預示著無線通信技術發展的新方向、新思路，該項技術已然成為一項重要的國際性研究課題。
這樣，源終端與目的終端之間將會形成兩條相對獨立的衰落路徑，其中一條是終端1與目的終端之間的直接傳輸路徑，另一條則是終端1、終端2和目的終端間的間接傳輸路徑。從本質上說，協作分集技術是近年來頗受關注的無線通信新技術之一。從本質上說，協作分集就是采用在多用戶之間共享天線和其他網絡資源來構造“虛擬多天線陣列”，即利用共享協作終端的天線，與其自身的天線共同構成多天線發射，并模仿傳統的多天線發射分集的技術來獲得空間分集增益。目前，已有大量學者在該技術上取得重要成就與突破。例如，Sendonaris、Erkip、Lanaman、Hunter等人，他們一直致力于該技術的理論研究工作，在協作分集與網絡容量和中斷概率等系統性能的關系，放大轉發、解碼轉發、編碼協作等中繼協作策略及其應用等方面的研究，為協作分集在無線通信技術中的推廣應用奠定了堅實的基礎[5]。根據目前研究表明，協作分集技術已被應用于認知無線電領域，主要用在認知無線電網絡中的頻譜感知(SS，Spectrum Sensing)，據此大量學者提出了多種協作頻譜感知方案，用來提高主用戶的檢測概率，大大減少了系統的感知時間。
3 基于認知無線電的綠色協作通信
隨著用戶需求的不斷提高，未來移動通信終端將支持更高的數據速率和多種無線網絡接口(包括3G/4G，Wi-Fi，Bluetooth等)，這將顯著加劇移動終端的功率消耗。然而，移動終端通常是采用電池供電，且電池容量十分有限，為此在保證用戶服務質量的前提下，需要研究移動終端節能技術，降低移動通信的能源消耗，實現綠色無線通信。同時蜂窩移動網絡具有覆蓋范圍廣的優勢，不過能量消耗較大，相比之下無線局域網的覆蓋范圍小，但是相應的能量消耗要明顯低于蜂窩移動通信，這也表明了各種無線通信網絡具有相互協作的潛力，以實現優勢互補。
實現基于認知無線電的協作綠色通信過程通常包括兩個主要階段：(1)頻譜感知階段，其中認知用戶嘗試檢測可用的頻譜空洞;(2)認知用戶協作通信階段，其中認知用戶利用已檢測到的頻譜空洞進行協作綠色通信。因此，作者認為可以從以下兩個方面取得研究綠色認知無線電：(1)高能效的本地感知算法，從能量有效的角度重新審視現有的頻譜感知方法，設計高能效的頻譜檢測算法，在低能耗和高檢測性能之間取得折中;(2)在保證主用戶服務質量的前提下，通過高的效管理主次用戶之間的相互干擾，設計能量有效的綠色認知用戶綠色協作通信機制，降低認知用戶的通信能耗。
當前，各種各樣的無線通信網絡異構共存，包括蜂窩移動網、無線局域網、無線傳感器網、藍牙等，因此作者認為也可以研究高能效的異構網絡協作模型，在多種異構無線網絡共存的場景下，研究異構無線網絡之間的高效協作，在保證網絡服務質量的前提下，降低無線網絡的整體能量消耗。
4 結束語
綠色無線通信就是在不降低服務性能的基礎上，不斷地降低能源的消耗，實現低碳經濟的目標。相信會有越來越多的學者加入到綠色通信的課題研究中，為推動我國綠色無線通信產業發展提供理論支撐和技術保障，實現真正的綠色通信。
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