随着地球努力应对气候危机，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了新技术，以实现更节能的无线连接，同时减少碳足迹。
在最近的两篇论文中，新的基站部署策略和天线设计提供了减少无线能源需求的方法，并在工业和研究中构建更可持续的解决方案。
“现代无线技术不断带来两难境地：追求更快的数据速度经常导致能源使用量显着增加，”加州大学圣地亚哥分校高通研究所（QI）附属机构、雅各布斯工程学院电气与计算机工程系副教授Dinesh Bharadia说。我们的创新证明了我们对环保通信的坚定不移的奉献精神。我们证明，我们可以在使用更少能源的同时实现更快的数据速度，为可持续、互联的未来铺平道路。
可持续框架
为了应对如此大规模的挑战，Bharadia实验室的一组研究人员首先设想了一种不同的无线网络连接方式。
目前，无线连接依赖于塔或“基站”，这些信号塔或“基站”向客户发送高功率信号，平均距离可达一英里。这些信号必须足够强，以补偿因撞击、散射或被建筑物或景观的自然部分等障碍物吸收而造成的信号损失。因此，基站的能源需求以及智能手机电池的相应消耗造成了巨大的碳足迹。
在Bharadia无线通信、传感和网络小组的博士生Agrim Gupta和研究生Adel Heidari和Jiaming Jin的带领下，该团队开发了一个框架，用于用多个较小的低功率基站替换这些高功率基站。拟议的战略被称为“DensQuer”，它使用英伟达的开源“数字孪生”技术Sionna，以虚拟方式重建无线环境，并绘制出针对特定城市景观量身定制的基站覆盖范围。
Gupta及其同事利用Sionna的光线追踪技术来模拟来自拟议的DensQuer网络的无线信号的行为。他们的结果得到了加州大学圣地亚哥分校校园收集的真实世界数据的支持，表明考虑到城市特征的更定制的网络可能需要更少、更小的基站。
一些关键结果甚至表明网络功耗下降了约三倍，而智能手机功耗也有所下降。
为了准确测量拟议中的小型附近基站网络可以减少手机消耗的程度，研究人员使用了谷歌最近发布的开源工具来监控Pixel智能手机在三个位置的能耗，同时连接到QI的Atkinson Hall屋顶上的基站。结合测量设备发射功率的天线，研究人员检测到发射功率总体下降了 10-15 分贝，相当于连接到网络时功耗降低，电池寿命延长了 50%。
“我们希望DensQuer能够开启更多关于功耗和5G的对话，”Gupta说。“下一代的路线图是什么？我们希望让最终用户更容易做到这一点，同时也帮助各种运营商帮助创建这个几乎无处不在的可持续无线网络。
研究人员发现，放置在较低高度的大约30-40个较小的基站可以与手机塔上的单个大型基站提供的覆盖范围相匹配。由于高度降低，较小的基站网络可以部署在树木和路杆上，作为现有环境的一部分。
接下来，该团队将致力于大规模有效地编排网络，同时保持节能和用户体验。
他们的论文“致密化与征服：致密化，更小的基站可以征服nextG无线中日益增加的碳足迹问题”被开源，与工业界和学术界的合作伙伴广泛分享该战略。
简化源代码
Bharadia实验室的另一个团队与科罗拉多大学丹佛分校的同事合作，专注于无线天线技术，该技术目前使用复杂的系统与用户网络连接。这些设计被称为大规模多输入多输出 （MIMO），通常需要多个天线同时向不同的客户群体传送数据。虽然技术功能强大，但代价也是更大的碳排放。
研究人员着手设计一种新方法，以更少的能源需求实现与MIMO系统相同的输出。他们的原型“GreenMO”通过将这些天线收集的数据流捆绑到单个宽带射频链而不是许多较小的带宽链中来减少所需的天线数量。
为了实现这一目标，团队必须设计和构建自己的硬件。他们在加州大学圣地亚哥分校的Atkinson Hall测试了GreenMO，发现它的能效是传统大规模MIMO的三倍，流数据效率是传统MIMO的四倍。在实际模拟中，现代 5G 基站的节电量跃升至 50%。
该论文的主要作者Gupta说：“已经有一些尝试用单个[射频]链构建MIMO，但是用宽带波形来做到这一点，并以非常低的功耗占用获得接近我们技术当前状态的吞吐量结果，这是GreenMO首次展示的。
Gupta在西班牙马德里举行的第29届移动计算和网络年度国际会议上发表了题为“GreenMO：通过单个射频链实现虚拟化、可持续的大规模MIMO”的演讲。合著者和合作者包括无线通信、传感和网络小组的Manideep Dunna，加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院电气与计算机工程系的Eamon Patamasing，以及科罗拉多大学丹佛分校的Sajjad Nassirpour和Alireza Vahid。
未来，Gupta和他的同事们计划建立一个结合DensQuer和GreenMO的大型硬件测试平台，朝着实现即将到来的6G网络的可持续愿景迈出一步。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://today.ucsd.edu/story/creating-a-greener-more-connected-society