1.1 研究目的及意义

随着移动数据业务流量的持续高速增长，当前的移动通信标准已经无法满足更加高级的宽带业务需求。据估计，到2020年，全世界移动数据流量将比2010 年增长超过100倍，不包含物联网在内的移动终端将超过200亿，其中中国将超过20亿。为了应对这种海量需求，第五代移动通信系统应运而生。移动市场的主要机构已经开始规划5G技术路线，IMT-2020 (5G)推进组的《5G 愿景和需求》给出了一些关于5G关键能力的概念和参考指标值，即：10~100倍的峰值速率、1000倍的网络容量、10倍的能量效率、10~30倍的时延降低，以实现千兆级的无线网络。

然而，随着移动流量的增加，网络的能耗也成为运营商一项重要的开销。据市场调研机构Gartner调查，全球蜂窝网络平均每年大约消耗600亿 kWh 的电量，并且这个能耗数量每五年就会增长15%-20%，移动通信行业能耗占到全世界总能耗的3%，高于其他行业，这其中基站的能量消耗占到60%~80%，如果不采取有效的技术手段，这一数字到2020年将超过现在的两倍以上，运营商的电费支出甚至已经接近其运营费用支出的三分之一。因此在5G的研究中，降低能耗，提高网络能效也是一个很重要的研究目标。

绿色通信在5G的演进道路上扮演着重要的角色。降低能耗，提高能量效率将是5G 中的一个重要问题。而在传统的基站能效分析中，很多文章都把关注点放在降低传输功耗上，忽略了计算功耗的作用。而第五代蜂窝网络中，由于广泛部署高密度小小区基站，以及采用大规模MIMO和毫米波等的技术，使得计算功耗在整个功耗分析中变得越发重要。因此，研究本课题的目的与意义如下：

（1）通过阅读大量关于5G移动通信系统的文献，了解目前5G中的一些关键技术及其发展现状，加深自己的理解。

（2）与传统的分析基站能效的方向不同，本文将重点结合兰道尔定理研究计算功耗在5G移动通信系统中的作用，明确计算功耗在5G能耗中的重要性。

（3）在考虑计算能耗的前提下，试图提出一种提高系统能效的方法，这对未来5G的大规模发展与应用有重大意义。

1.2国内外研究现状

全球各国对于第五代通信系统的研发正在有序的推进中。大规模MIMO和毫米波传输技术被普遍认为是未来5G中的两项关键技术。相比传统的MIMO技术，大规模MIMO能为无线通信系统提高10倍以上的传输速率。并且，大规模MIMO中天线阵列带来的高波束成形增益，可以有效补偿毫米波信道中的高路径损耗。在采用传统射频通道和基带处理方式的MIMO系统中，每个天线都对应一个射频通道。这种结构下，大规模MIMO系统的天线后端会有极大数量的射频通道。大量的射频通道不仅会占据无线通信系统中大量的能耗，并且会极大增加系统硬件成本。因此，对于这样的带有大量射频通道的无线通信系统，研究提高系统能量效率的方法具有重要意义。能耗问题对于基站来说，尤其是在蜂窝网络中占总功率的占主导地位的基站尤其重要。传统的基站功耗模型在很多文献中都被研究，并且提出了很灵活的功耗模型。

Massive MIMO系统在基站配置大规模天线，能够最大限度的利用空间维度和频谱资源，已被界内公认为减小系统能源损耗、实现 5G 通信目标的下一代无线通信网的关键技术。5G中采用大规模MIMO技术，因此在MIMO系统中的能效问题也被广泛学者研究关注。为了提高系统的能效，信号从基站经传输链路发送到接收端，整个通信过程都需要相应的能效优化技术作保障。