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5G小区网络的能效挑战
作者研究了基于Landauer原理的计算能力。 仿真结果表明， 50％以上的能量被5G小区基站的计算功率所消耗。而且，当部署大规模MIMO（例如，128个天线）来传输大容量业务时，5G小区基站的计算能力可接近800W。
摘要
大量小蜂窝的部署给能量效率提出了新的挑战，这在5G蜂窝网络中经常被忽略。虽然大规模MIMO将以更高的计算成本为代价降低传输功率，但问题仍然是在5G小型蜂窝网络的能量效率中哪个（计算或传输功率）更重要。因此，本文的主要目的是研究基于Landauer原理的计算能力。仿真结果表明，5G小型基站的计算能力消耗了50％以上的能量。而且，当部署大量MIMO（例如，128个天线）以传输高容量业务时，5G小区基站的计算能力可接近800W。这清楚地表明，计算能力优化可以在小型蜂窝网络的能量效率中起主要作用。
引言
随着预期的高流量，小蜂窝网络正在成为第五代（5G）蜂窝网络不可避免的解决方案[1]。 特别是，预计大规模多输入多输出（MIMO）和毫米波技术将用于提高传输速率并降低5G移动通信系统的传输功率[2]。另一方面，需要更多的计算能力来处理小蜂窝基站（BS）处预期的大量业务。在这些条件下，需要对计算和传输功率之间的权衡进行全面评估，以实现5G小型蜂窝网络的能效优化。
这在[3-6]中已被广泛研究。与传输功率相比，计算功率明显较小，通常在基站的传统能效评估中固定为常数[4]。因此，小区网络的能量效率研究集中在基站的发射功率优化[5]。 此外，基站休眠方案被认为可以提高能量效率，其中基站的RF链和发射器关闭以节省发射功率[6]。另外，由于大规模MIMO和毫米波技术的加权，信号处理的体积和复杂度提高了小区基站的计算能力[7]。
当小型蜂窝基站在5G蜂窝网络中超密集部署时[8]，尽管小蜂窝基站的功率传输要求较低，但有些情况下基站的计算功率将大于基站的发射功率。
预计5G移动通信系统的传输速率将平均达到1 Gb / s（峰值速率为10 Gb / s）[2]。因此，必须在小型基站的基带单元（BBU）处理巨大的业务量，然后在BBU处相应地改进信号处理的计算能力。此外，缓存通信和云计算网络架构将加强小型基站信号处理和计算的功能。 尽管如此，预计5G小区网络的计算能力在不久的将来会增加。所有上述因素都促使我们重新思考5G小型蜂窝网络中计算和传输功率的作用。
基于Landauer原理，我们首先提出了5G小区网络的计算功率模型。考虑到小蜂窝基站采用大规模MIMO和毫米波技术，研究了天线数量和带宽对5G小蜂窝网络计算能力的影响。仿真结果表明，计算能力将消耗5G小型基站的50％以上的能量。对于5G小型蜂窝网络的能效优化来说，这是一个惊人的结果。最后，针对5G小型蜂窝网络讨论能源效率优化的未来挑战，并在最后一节中得出结论。
基站的功耗
为了评估基站的计算和传输功率的作用，需要详细分析基站总功耗。因此，本节将结合5G传输技术，如大规模MIMO和毫米波，分析小区基站的功耗。
由于5G小型基站的广泛流量处理，5G小型基站的数据处理量通过基带单元每秒的操作进行评估。此外，Landauer原理用于估算本节中数据处理所消耗的计算能力。
基站功耗类型
考虑BS的功能和体系结构，BS的功耗通常分为三种：发射功率，计算功率和附加功率，其描述如下。
传输功率：对应功率放大器（PA）和射频链路所使用的功率，执行无线信号变化，即基带信号和无线射频信号之间的信号变换。 另外，馈电线上的功率消耗被包括作为发射功率的一部分。
计算功率：表示基带单元消耗的功率，包括数字信号处理功能，BS的管理和控制功能以及核心网和BS之间的通信功能。所有这些操作都由软件执行，并在半导体芯片上实现。
附加功率：表示除了传输和计算功率外的基站功率，例如维持基站的操作所消耗的功率。 更具体地说，附加功率包括从电网到主电源的交换，不同DC-DC电源之间的交换以及基站主动冷却所消耗的功率。
根据基站的类型，三种消耗功率的值是不同的。例如，与宏小区基站不同，小区基站通常不具有主动冷却系统。
基站总功耗模型
图1. eNodeB BS的物流架构
EARTH项目促进了无线接入网络的能效优化，并提出了基站功耗的框架[9]。基于此能效框架，基站分为五个部分（图1）：天线接口，功率放大器，射频链路，基带单元，电源，冷却和D射频链路和基带单元的部分分别约为10％和13％，其余部分约为20％。为了更详细地分析这个，基站总功耗模型如下所示：当基站配备有根天线时，基站功耗为
其中是每个天线的功率，是每个天线的射频链路的功率，是基带单元消耗的功率，是DC-DC转换器的功率损耗率，是当前供应的交流功率损耗率， 是冷却的功率损失率。基于总基站功耗的表达式，是发送功率，是计算功率，是功率损耗率和总功耗。 每个天线的功率由下式计算
其中是每个天线的发射功率，是PA的交换效率，馈线损耗配置为= -3 dB。对于宏小区基站和小区基站，、和的值分别设置为百分之6,7,9和8,10,0 [9]。为了简化计算，在本文中，与不同类型的基站相对应每个天线的射频链路功率通常被固定为不同常数。由于明显低于基站其他部分的功耗，因此在传统的基站功率模型中，基带单元的功耗被固定为固定[10]。 请记住，由于预计小蜂窝将广泛部署在5G蜂窝网络中，因此基站与用户之间的距离将更短，从而导致发射功率的显着降低。在这些条件下，基带单元成为电力消费的主要来源。
功率计算模型
由于5G小型基站广泛的流量处理，5G小型基站的数据处理量通过基带单元每秒的操作来评估。此外，Landauer原理用于估算本节中数据处理所消耗的计算能力。在本节中，我们还将研究大规模MIMO和毫米波技术对5G小型基站的计算能力的影响。
随着最近5G大规模MIMO和毫米波技术的进步，小型蜂窝基站正在取代宏蜂窝基站，以在5G蜂窝网络中执行无线数据传输功能。此外，由于5G小型基站的大量流量，预计基带单元消耗的功率将逐渐增加。
功率计算类型
在传统的宏蜂窝基站中，基带单元使用的功率（基带单元是基站的核心单元）与天线所消耗的功率相比较小。随着最近5G大规模MIMO和毫米波技术的进步，小型蜂窝基站正在取代宏蜂窝基站，以在5G蜂窝网络中执行无线数据传输功能。此外，由于5G小型基站的大量业务，预计基带单元消耗的功率将逐渐增加。
图1是eNodeB基站的典型物流架构，即蜂窝网络中的宏小区基站。不失一般性，宏蜂窝基站的基带单元包括四个系统：基带系统，控制系统，传输系统和电力系统。 这些系统在BBU中的具体功能描述如下。
基带系统：功能包括信号滤波，快速傅里叶变换/快速傅立叶逆变换（FFT / IFFT），调制和解调，数字预失真（DPD）处理，信号检测和无线信道编码/解码。请注意，用于发射机和接收机的信号处理功能由基带单元执行。
控制系统：负责控制和管理基站的资源分配，以提供基站与其他网络单元之间的控制接口。而且，通信控制协议在控制系统中运行。控制系统还为本地维护终端（LMT）提供人机语言（MML）接口，用于配置基带单元的资源分配。
传输系统：通过S1接口与核心网的移动性管理实体/服务网关（MME / S-GW）连接（图1）。而且，基站之间的控制和管理信息由基带单元中的传输系统的X2接口转发。
电源系统：负责基带单元的电源，冷却和监视。
对于小型基站，大部分功能都集成到少数半导体芯片中，并且没有单一的电力系统。因此，小型蜂窝基站的基带单元系统比宏蜂窝基站的基带单元系统简单。
功率计算模型
图2. 基带单元的硬件架构
基于图1所示的后勤体系中的四个系统，主要区别在于如何计算基带单元中每个物流系统的计算能力。为实现这一点，我们将基带单元划分为基于硬件结构的不同部分，如图2所示。它们由DPD，滤波器，CPRI，OFDM，FD，FEC和CPU组成，其中DPD是数字预失真处理部分，滤波器是用于上/下信号采样和滤波的硬件，CPRI是用于通过串行链路连接到核心网络和RF链路的通用公共无线电接口，正交频分复用（OFDM）是用于FFT和OFDM专用信号处理，FD是频域处理部分，包括符号映射/解映射和MIMO均衡，FEC是前向纠错，包括信道编码和解码，CPU是基带单元平台控制处理器。基于Landauer原理，我们估算了使用每秒千兆运算（GOPS）的半导体芯片的计算能力，并考虑了不同的半导体芯片技术。基带单元的计算能力通过每个硬件部分（即，基带单元处的每个半导体芯片）的计算能力来加总。
Landauer的原理是在1961年由Rolf Landauer提出的，他试图将热力学理论应用于数字计算机。Landauer的原理从统计物理学的微观自由度的角度阐述了信息过程与能量消耗之间的关系。这是基于与计算相对应的与能量消耗的理论下限相关的物理原理。请记住，Claude Shannon介绍的信息理论中的熵概念是从热力学理论中借鉴的。同样，Landauer的原理通过使用热力学理论和统计物理学把这两个信息和能量概念联系起来。因此，本文中Landauer原理首先用于分析5G小区网络的计算能耗。更具体地说，Landauer的原理指出，信息的任何逻辑上不可逆转的处理，例如擦除一点或合并两条计算路径，都必须伴随信息的非信息自由度的相应熵增加处理设备或其环境[11]。换句话说，擦除一点信息将在计算系统中消耗超过kTln（2）能量，其中k是玻尔兹曼常数，即1.38times;10-23J / K， T是开尔文温度[12 ]。根据Landauer原理，可以获得计算系统的计算能力的下限。与实际半导体芯片计算能力的值相比，由Landauer原理[13]得出的计算能力值有三个数量级的差异。而且，当基带单元采用不同的半导体芯片技术时，计算能力的值是不同的。在这些条件下，主要难点在于如何使用Landauer原理准确计算小区基站的计算能力。
图3.关于芯片技术发展的功率系数
为了克服Landauer原理和实际半导体芯片估计的计算能力的差距，我们提出了一个能够代表基带单元中半导体芯片技术水平的功率系数ε。此外，功率系数定义为晶体管有效开关功率与Landauer原理极限的比值。从图3可以看出，功率系数反映了半导体芯片技术之间的距离和Landauer原理的极限。请记住，直到现在，半导体芯片技术的发展仍然遵循摩尔定律。然而，国际半导体技术路线图（ITRS）预测，当功率系数接近Landauer原理的极限时，半导体芯片技术的发展将偏离摩尔定律。例如，当纳米磁性逻辑用于芯片时，计算能力预计接近Landauer原理的极限[14]。考虑到当前芯片技术的发展，我们将注意力集中在半导体芯片的计算能力上。
在不失一般性的情况下，在本文中，假设在基带单元中采用22纳米半导体技术进行芯片制造时，功率系数设为ε= 103。此外，晶体管的有效开关功率通过EFETasymp;εkTln（2）来近似，其用于计算用于在基带单元的半导体芯片处操作1位信息的功率。
通常，半导体芯片的数据处理速率由每秒的指令（IPS）表示。基于GOPS的定义，本文中IPS和GOPS之间的关系表示为
当半导体芯片的逻辑架构被假定为64位时。根据[15]中的实验结果，半导体芯片的信息吞吐量表示为
其中omega;和gamma;分别配置为0.1和0.64。因此，基带单元不同部分的计算能力是通过半导体芯片的信息吞吐量和考虑到基带单元不同部分GOPS的不同值的晶体管的有效开关功率的乘积来计算的。
由于不同类型的基站在基带单元上具有不同的硬件组件，因此很难直接建立统一的模型来评估基带单元在不同类型的基站中的计算能力。因此，我们首先建立一个具有典型参数的参考基站。通过比较不同类型的基站与参考基站，我们可以得出不同类型基站的不同基带单元的计算能力。在不失一般性的情况下，系统参数由iisin;{BW，Ant，M，R，dt，df}表示，其中BW是带宽参数，Ant是天线参数数量，M是调制系数参数，R是编码率的参数，dt是时域占空比的参数，df是频域占空比的参数。为了简化本文中的符号，被称为参考基站。当的下标i被不同的符号代替时，新变量表示参考基站中对应的系统参数，例如，是参考基站的带宽。同样，被表示为一个真正的基站。当的下标i被不同的符号代替时，新的变量表示实际基站中对应的系统参数，例如，是真实基站的带宽。
考虑到基带单元的不同硬件部分的不同计算能力，参考基站处的DPD滤波器，CPRI，OFDM，频域（FD），FEC和CPU的计算能力由，，，，，和。 基带单元的不同硬件部分取决于基站的不同系统参数。 ，iisin;{BW，Ant，M，R，dt，df}表示基带单元的不同硬件部分与基站的系统参数的比率。当基带单元的硬件部分与基站的系统参数之间的关系是线性时，相应的被配置为1.如果这种关系是非线性的，则相应的Si被设置为2。当硬件部分基带单元的系统参数是独立的，相应的Si配置为0。的详细配置参数如表1所示。
表1. 基带单元的配置参数
根据参考基站的测量结果，参考基带单元的计算能力可以通过获得。为了计算真实基带单元的计算能力，参考系数alpha;由以下定义
最后，真实基带单元的计算能力由计算。
计算能力的评估
考虑到具有大规模MIMO和毫米波技术的5G小型蜂窝网络尚未在商业上部署，很难将我们的仿真结果与真实的5G小型蜂窝网络进行比较。为了验证所提出的功耗模型的性能，我们首先将所提出的模型的结果与EARTH项目[9]的结果进行
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