無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化與評(píng)估透析.doc

1、無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化與評(píng)估透析文章從能效測(cè)度入手，對(duì)已有的無線網(wǎng)絡(luò)能效測(cè)度評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了討論，并提出以碳排放量為標(biāo)準(zhǔn)和與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相結(jié)合的能效測(cè)度模型。在能效測(cè)度模型的基礎(chǔ)上，文章提出減少設(shè)備使用、無線資源調(diào)度、節(jié)點(diǎn)協(xié)作等一系列無線網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化方法，并建議在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)中加入能效監(jiān)控和能效評(píng)估模塊。文章還對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化和評(píng)估方法中存在的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。綠色通信；無線網(wǎng)絡(luò)；能效測(cè)度；能效優(yōu)化隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的日益融合，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將向用戶提供個(gè)性化的多種業(yè)務(wù)，很大程度上改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣。但是，在通信日漸深入人們生活，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)張的同時(shí)，無線通信與環(huán)境的不和諧

2、也日益明顯，并越來越引起人們的關(guān)注1。綠色通信必將引起通信技術(shù)的一次革命。降低通信行業(yè)的能耗，不僅僅對(duì)行業(yè)自身降低成本大有裨益，同時(shí)能夠減少對(duì)能源的消耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通信行業(yè)的能量消耗包括信息傳輸能耗、設(shè)備制造能耗、機(jī)房溫度控制能耗等多個(gè)方面，而本文主要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度討論無線信息傳輸過程的能效。1無線網(wǎng)絡(luò)的能效測(cè)度根據(jù)信息論可知，傳輸速率越低，則能量消耗越小。傳輸速率與能量消耗的關(guān)系如圖1所示。圖1中，達(dá)到c/2速率的能量消耗遠(yuǎn)小于按速率c進(jìn)行傳輸?shù)哪芰肯牡囊话?。由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)延限制，所以傳輸不可能太慢。在業(yè)務(wù)時(shí)延要求滿足的前提下，用盡量低的速率進(jìn)行傳輸可以獲得較高的能效。可以看

3、出，存在傳輸性能和能量消耗之間的折衷平衡。要降低通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，首先要建立相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的節(jié)能機(jī)制的能效測(cè)度。目前一些國際組織和企業(yè)已經(jīng)制訂了能效測(cè)度的定義和方法。國際節(jié)能測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程委員會(huì)制訂了國際節(jié)能效果測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程2(ipmVp)，提出了節(jié)能量測(cè)定的基本方法和4類測(cè)量方案以及在具體操作時(shí)的常見問題。美國Verizon電信公司提出了一種通信設(shè)備能量效率評(píng)價(jià)體系3(teeer)，對(duì)通信過程的不同部分分別定義了對(duì)應(yīng)的測(cè)試方式和能效計(jì)算公式，包括信息傳輸、交換路由、用戶接入、功率放大器等。已有的大部分能效測(cè)度都是針對(duì)無線傳輸進(jìn)行設(shè)計(jì)，只考慮了無線網(wǎng)絡(luò)中的某部分的能效情況，而對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的效

4、果無法得到合理的衡量。針對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的能效測(cè)度，考慮無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在定義能效測(cè)度及其評(píng)價(jià)體系時(shí)可以考慮以下兩個(gè)方面：(1)綠色通信的度量最終要與碳排放量相結(jié)合，而不能僅僅基于傳輸能耗，特別是當(dāng)衡量整個(gè)系統(tǒng)、整個(gè)設(shè)備的綠色特性的場(chǎng)景下。事實(shí)上，單比特能耗與碳排放量并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，不同形式的能量來源其碳排放量顯著地不同，所產(chǎn)生的效用也不同。在對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能效評(píng)估時(shí)，需要把直接與綠色程度相關(guān)的碳排放量與無線網(wǎng)絡(luò)的最終效用聯(lián)系起來。(2)傳統(tǒng)的單比特能耗等直接度量在實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中存在很多的問題。比如與應(yīng)用的具體場(chǎng)景包括噪聲、負(fù)載等密切相關(guān)，很多通信算法和協(xié)議在低負(fù)載、低噪聲情況下

5、效能高，另一些則剛好相反。因此，僅僅單比特能耗是不足以刻畫綠色的程度的，需要與負(fù)載有關(guān)的能效評(píng)價(jià)或者針對(duì)典型場(chǎng)景從統(tǒng)計(jì)意義上加以規(guī)范。通過與具體場(chǎng)景相結(jié)合來衡量在各種應(yīng)用情況下的能效，得到更具有實(shí)際意義的結(jié)果。2無線網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化方法2.1減少設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量較小的情況下，可以減少或停止部分設(shè)備的使用，來降低能量的消耗。常見的優(yōu)化方法有關(guān)閉設(shè)備、轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)以及減少天線和載波等3種4-5。(1)基站設(shè)備關(guān)閉當(dāng)一個(gè)區(qū)域由多個(gè)小區(qū)覆蓋，而該區(qū)域的話務(wù)量又較低時(shí)，可以關(guān)閉覆蓋該區(qū)域的部分小區(qū)基站設(shè)備，而本來由其所服務(wù)的用戶可以切換到其他仍然活動(dòng)的小區(qū)中。由于整個(gè)基站的設(shè)備都被關(guān)閉，因此這一方案可

6、以獲得最大的節(jié)能效果。但是，這一方案的局限在于它僅僅適用于有重復(fù)覆蓋的區(qū)域，而各小區(qū)通常只是部分重復(fù)覆蓋。在部分重復(fù)覆蓋情況下，需要根據(jù)話務(wù)分布的情況，決定最優(yōu)的被關(guān)閉的小區(qū)，以避免因?yàn)榛驹O(shè)備關(guān)閉導(dǎo)致覆蓋空洞?；驹O(shè)備關(guān)閉后，需要調(diào)整周圍基站的配置，對(duì)覆蓋空洞進(jìn)行補(bǔ)償，另外還需要更新鄰區(qū)關(guān)系，以盡量減低用戶切換到其他小區(qū)的時(shí)延。(2)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)或采用延長(zhǎng)非連續(xù)接收時(shí)間間隔的方法當(dāng)小區(qū)中沒有活動(dòng)用戶時(shí)，可以轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)，只保持部分必要的通信。采用延長(zhǎng)非連續(xù)接收(Drx)時(shí)間間隔的方法同樣可以減少傳輸?shù)膮⒖夹盘?hào)(rs)。Drx可以通過功率調(diào)整節(jié)省不需要傳輸rs時(shí)的能量，但是在這種情況下，用戶

7、需要通過測(cè)量同步控制信道來補(bǔ)償由于rs減少導(dǎo)致的同步問題。這種方案通常只適用于沒有活動(dòng)用戶的情況。(3)減少配置天線和載波在活動(dòng)狀態(tài)下的基站天線端口數(shù)是固定的，用戶設(shè)備可通過讀取控制信息來監(jiān)測(cè)天線的數(shù)目信息。物理廣播信道(pBcH)的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(crc)比特是根據(jù)基站發(fā)射天線的配置來進(jìn)行加密編碼的。如果基站在沒有通知用戶的情況下更改了天線的數(shù)目，用戶將無法準(zhǔn)確接收必要的控制信息和數(shù)據(jù)信息，影響用戶的正常通信。天線數(shù)目更改通知的一種合適方法是采用系統(tǒng)信息(si)更改通知機(jī)制。天線的數(shù)目可以在下一個(gè)系統(tǒng)信息更改周期開始時(shí)進(jìn)行更改。出于節(jié)能角度的考慮，天線的數(shù)目需要經(jīng)常改變，但這又會(huì)影響到用戶的

8、某些配置參數(shù)。在天線數(shù)目發(fā)生改變時(shí)，用戶應(yīng)立即重新進(jìn)行相應(yīng)配置。然而，要實(shí)現(xiàn)天線數(shù)目改變和用戶參數(shù)重新配置之間的同步存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。若天線數(shù)目改變和用戶參數(shù)重新配置不同步進(jìn)行，則會(huì)出現(xiàn)用戶無法解碼數(shù)據(jù)或信令的情況。為了解決不同步的情況，可以由用戶監(jiān)測(cè)到天線數(shù)目的變化時(shí)采用缺省的物理信道配置，這樣網(wǎng)絡(luò)就可以在此基礎(chǔ)上重新配置用戶的相應(yīng)參數(shù)，而不存在同步的問題了。改變載波配置也可以采用類似的方法。通過基站進(jìn)行si更改通知或者用戶監(jiān)測(cè)配置變動(dòng)兩種機(jī)制，在業(yè)務(wù)量較小時(shí)，可以停止部分載波上的傳輸來節(jié)省能量消耗。2.2能量有效的無線資源調(diào)度通過無線資源調(diào)度提高能效已經(jīng)有比較充分的研究，歸納起來主要可以分

9、為三大類：減少節(jié)點(diǎn)能耗、減少網(wǎng)絡(luò)能耗、減少傳輸信息。為了減少節(jié)點(diǎn)能耗，文獻(xiàn)6提出了把網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)不相交的集合輪流進(jìn)行休眠，并提出了分布式的實(shí)現(xiàn)方法。ieee802.15.47首次把節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制寫入標(biāo)準(zhǔn)。trAmA8和serenA9是基于時(shí)隙的休眠機(jī)制。這兩種休眠機(jī)制按照業(yè)務(wù)情況調(diào)度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠。在路由選擇和資源調(diào)度方面，從網(wǎng)絡(luò)角度考慮解決能耗問題產(chǎn)生了一些研究成果。通過比較所有可能路由方式，文獻(xiàn)10中提出選擇能量消耗最小的路由并采用reAr算法11選擇剩余能量最多的路由；文獻(xiàn)12中綜合考慮了能量消耗和剩余能量?jī)蓚€(gè)因素，提出合適的折衷算法；在文獻(xiàn)13中，提出了考慮電池特性的數(shù)據(jù)包傳輸調(diào)

10、度算法。減少傳輸信息主要有匯聚傳輸信息和避免無效傳輸兩個(gè)方面。匯聚傳輸信息的方法主要應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)典的數(shù)據(jù)匯聚方法leAcH14基于節(jié)點(diǎn)分簇來使數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行匯聚，而mlDA15通過建立樹來確定數(shù)據(jù)的匯聚途徑。文獻(xiàn)16提出了通過建立連通支配集的方法來避免不必要的傳輸。2.3節(jié)點(diǎn)協(xié)作在一定業(yè)務(wù)時(shí)延需求的約束下，節(jié)省能量的一條有效途徑是增加傳輸使用的無線資源，通過節(jié)點(diǎn)選取合適的可用信道，把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率分配到多個(gè)信道上，使得在單個(gè)信道上的傳輸速率較慢，以達(dá)到節(jié)省能量的目的。在可用的無線資源有限的情況下，可以采用節(jié)點(diǎn)之間協(xié)作的方法降低能量消耗。節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸?shù)谋举|(zhì)其實(shí)是增加傳輸?shù)目?/p>

11、用資源。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以采用協(xié)作的方式來進(jìn)行高能效傳輸。節(jié)點(diǎn)之間主要有兩種形式的協(xié)作。一種是協(xié)作中繼，在采用協(xié)作中繼時(shí)，通常中繼節(jié)點(diǎn)離目的節(jié)點(diǎn)的位置相對(duì)源節(jié)點(diǎn)來說要更近。這樣，進(jìn)行協(xié)作中繼相當(dāng)于增加了一個(gè)質(zhì)量更好的信道共同進(jìn)行傳輸。另一種是虛擬多天線技術(shù)(Vmimo)。由于移動(dòng)終端設(shè)備受到尺寸或硬件復(fù)雜度的限制，往往只配置了單天線。為了提高傳輸效率和節(jié)省能耗，單天線節(jié)點(diǎn)在傳輸自己信息的同時(shí)，也能傳送所接收和檢測(cè)到的協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信息，利用其他節(jié)點(diǎn)的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線。節(jié)點(diǎn)以最小化能量消耗為目標(biāo)，選擇合適的一個(gè)或者多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，通過傳輸速率分配來達(dá)到負(fù)載均衡，降低能量消耗。值得注意的是，

12、節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)狀態(tài)即使不傳輸數(shù)據(jù)也會(huì)因?yàn)槌Ｒ?guī)信令交互以及設(shè)備電路產(chǎn)生固定的能量消耗。在這種情況下，顯然使用所有備選的協(xié)作節(jié)點(diǎn)不一定是最佳選擇。3無線網(wǎng)絡(luò)的能效監(jiān)控與評(píng)估機(jī)制對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的所有過程要進(jìn)行能效監(jiān)控和評(píng)估，在通信系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，包括核心網(wǎng)、基站、中繼，甚至在終端上也同樣要進(jìn)行能效監(jiān)控和評(píng)估，并通過適當(dāng)?shù)男帕钣枰苑答?。在無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分層架構(gòu)中適當(dāng)?shù)卦黾幽苄ьA(yù)測(cè)、能效監(jiān)控和能效評(píng)估模塊，并使之與協(xié)議棧的其他各部分(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層以及網(wǎng)管、安全模塊等)充分結(jié)合。自主能效預(yù)測(cè)、能效監(jiān)控、能效評(píng)估與能效決策將是綠色通信設(shè)備最為重要的特征之一。通過全局或局部網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信

13、息的獲取，綠色通信設(shè)備可進(jìn)行有效的能效預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上通過能效決策協(xié)調(diào)整個(gè)通信過程進(jìn)行高能效傳輸。4挑戰(zhàn)與展望無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化和評(píng)估受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并已經(jīng)出現(xiàn)一些研究成果，但還存在很多尚未得到解決的技術(shù)挑戰(zhàn)以及實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題。(1)混合業(yè)務(wù)下的能效評(píng)估要降低通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，關(guān)鍵是要建立相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的節(jié)能機(jī)制的評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同的研究?jī)?nèi)容，其能效測(cè)度也不盡相同，所以對(duì)應(yīng)具體的研究?jī)?nèi)容，需具體分析其節(jié)能性的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；旌蠘I(yè)務(wù)下的能效評(píng)估測(cè)度需要考慮針對(duì)不同業(yè)務(wù)的能量使用效果以及能量消耗形式，提出合理的綜合性能效測(cè)度。(2)基于感知的能效優(yōu)化方法基于感知的能量?jī)?yōu)化控制技術(shù)具有重要的研

14、究和應(yīng)用價(jià)值。只有通過感知獲得更充分的傳輸條件和業(yè)務(wù)需求的信息，才能更有針對(duì)性地對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的能量進(jìn)行優(yōu)化控制，有效地利用網(wǎng)絡(luò)能量滿足業(yè)務(wù)需求。另外，獲取相關(guān)信息的過程本身也需要消耗能量，使用不同的系統(tǒng)開銷可以得到不同精度的感知結(jié)果。在考慮基于感知的能效優(yōu)化方法時(shí)，需要同時(shí)考慮兩部分的能量消耗。(3)能效監(jiān)控和評(píng)估的協(xié)議設(shè)計(jì)把能效監(jiān)控和評(píng)估機(jī)制設(shè)計(jì)到協(xié)議中，并且與已有的協(xié)議模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合具有一定的挑戰(zhàn)性。既要達(dá)到較好的能效監(jiān)控和評(píng)估效果以便做出準(zhǔn)確的能效決策，又要對(duì)已有協(xié)議盡量少改動(dòng)，并保證避免與協(xié)議中其他機(jī)制的沖突。(4)無線傳輸與設(shè)備制造能效更宏觀一點(diǎn)，可以將通信設(shè)備的綠色制造過程考慮在內(nèi)

15、。衡量通信設(shè)備在其壽命期內(nèi)，制造和使用過程總的綠色效益。值得注意的是，使通信性能更好的設(shè)備要求和制造方法也不一樣，可能需要更多的能量消耗，這樣就還需要綜合考慮無線傳輸過程的能耗和高性能設(shè)備制造過程的能耗。(5)統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)能效標(biāo)準(zhǔn)目前，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織和企業(yè)各自提出了不同能效評(píng)價(jià)體系。建立統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)能效行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能使得各方面在無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能上的努力具有一致的目標(biāo)，避免無線網(wǎng)絡(luò)的不同模塊或者無線信息傳輸過程的不同部分之間的沖突。5結(jié)束語無線網(wǎng)絡(luò)能效已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化和評(píng)估也將成為未來幾年內(nèi)的研究重點(diǎn)。通過建立合理的無線網(wǎng)絡(luò)能效評(píng)估體系，并以此為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)能效進(jìn)行優(yōu)化，可

16、大大降低無線網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的綠色通信。6參考文獻(xiàn)1uDAnis,smitHJ.powermanagementinmobileputing(asurvey)r.philadelphia,pA,usA:universityofpennsylvania,1996.2ipmVernationalperformancemeasurementandVerificationprotocol(ipmVp)s.2021.3VZ-tpr-9207.VerizonneBspliance:teeermetricQuantifications.2021.43gpptr36.913.requirementsfo