摘  要： 不斷增加的能源消耗和日益惡化的環(huán)境問題使得“綠色化”成為下一代網(wǎng)絡(luò)的一個重要發(fā)展方向。主要研究和討論了綠色無線通信系統(tǒng)在推進與實現(xiàn)過程中面臨的問題，總結(jié)了相關(guān)研究成果，并探討了下一代網(wǎng)絡(luò)“綠色化”的研究方向。
關(guān)鍵詞： 下一代網(wǎng)絡(luò); 能量效率; 綠色技術(shù)

    信息與通信技術(shù)ICT(Information and Communication Technology)的爆炸式發(fā)展顯著增加了能源需求和二氧化碳排放，使得能源危機和全球變暖問題變得日益嚴重。參考文獻[1]指出，全球能源的3％被ICT基礎(chǔ)設(shè)施的運營所消耗，由其而引起的二氧化碳排放占全球二氧化碳排放量的2%，這一數(shù)量相當于全球飛機的二氧化碳排放量或全球汽車二氧化碳排放量的四分之一。甚至，移動運營商運營成本的一半都要用于能量消耗[2]。
    然而，目前在ICT領(lǐng)域，人們更加關(guān)心通信容量以及通信業(yè)務(wù)的多樣化和穩(wěn)定性，而對能量效率卻缺少足夠的重視[3]，主要體現(xiàn)在：(1)以性能為目標來設(shè)計設(shè)備和系統(tǒng)，而不是以能量效率為目標。大多數(shù)的移動通信技術(shù)以吞吐量、QoS和可靠性等性能指標的最大化為目標，從不或者很少關(guān)注網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能量消耗。(2)除了高峰時間，其他時候網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不是滿負荷運行的，因此通常情況下所需能量遠低于最大可供能量。在這樣一個過度配置的情況下，功率不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)或流量的變化而進行自適應(yīng)的調(diào)整。(3)大多數(shù)綠色通信技術(shù)以降低服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality-of-Service)換取能耗的降低。
    不斷增加的能源消耗和日益惡化的環(huán)境問題促使必須建立一個更節(jié)能的綠色無線通信系統(tǒng)。亟需一個新的顛覆性的策略和技術(shù)來解決能量有效性的各個問題，包括：(1)需要新的物理層技術(shù)來解決單天線和多天線無線通信系統(tǒng)中增加的復(fù)雜度和功效低的問題；(2)需要支持低能耗的先進的媒體接入控制MAC（Medium Access Control）協(xié)議和無線資源管理程序; (3)需要通過網(wǎng)絡(luò)路由和管理模式的徹底改變實現(xiàn)顯著的節(jié)能。以犧牲QoS來換取系統(tǒng)功耗的降低的方法并不可取[2]。
    本文主要研究和討論綠色無線通信系統(tǒng)在推進與實現(xiàn)過程中面臨的問題，以及下一代網(wǎng)絡(luò)“綠色化”過程中的一些非常有意義的研究課題和研究方向，如綠色4G網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作通信、認知無線電、綠色移動傳感器網(wǎng)絡(luò)等綠色通信技術(shù)，移動網(wǎng)絡(luò)的云計算、“綠色化”和“服務(wù)質(zhì)量”之間的折中，以及基于預(yù)測的綠色技術(shù)等綠色服務(wù)技術(shù)和綠色移動網(wǎng)絡(luò)中的價格機制等。
1 綠色通信技術(shù)
1.1 如何實現(xiàn)綠色4G網(wǎng)絡(luò)[3]
    在未來十年內(nèi)，ICT的綠色化高度依賴于LTE-Advanced 和WiMAX 2這兩個下一代移動網(wǎng)絡(luò)標準協(xié)議的能效。然而，當前人們的關(guān)注點主要集中在頻譜效率和容量性能方面，對于節(jié)能問題則缺乏足夠的重視。
    為獲得高吞吐量，上述兩種技術(shù)都采用了多輸入多輸出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，這意味著巨大的能量消耗，尤其在使用多用戶MIMO技術(shù)時，能量消耗問題更為嚴重。因此，在處理上的復(fù)雜度、嚴格信道同步帶來的能耗，以及根據(jù)設(shè)備移動性和戶外環(huán)境鏈路動態(tài)性進行信道表征帶來的能耗等問題上應(yīng)給予足夠的重視。在MAC層，需要設(shè)計面向MIMO且能量有效的MAC層協(xié)議，通過自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線數(shù)目達到可靠性水平與復(fù)用增益之間的平衡，同時減少幀開銷。最近出現(xiàn)的大型天線系統(tǒng)[4]是一種有數(shù)百個天線單元的擴展MIMO系統(tǒng),其發(fā)射功率能隨著天線數(shù)目增加而減小，且天線直接指向用戶而不是以廣播的方式發(fā)射，因而每個天線單元消耗更少的能量，該設(shè)計極大地提高了移動網(wǎng)絡(luò)的能效。目前的當務(wù)之急是進行實際的多用戶大型天線系統(tǒng)的研究和試驗。
    當終端主機在小區(qū)邊緣漫游時，4G網(wǎng)絡(luò)支持站點內(nèi)與站點間的多點協(xié)作通信來克服弱信號和小區(qū)間干擾。在小區(qū)邊緣時，終端主機與基站之間的通信總需要更高的功率。因此，需在保證QoS的前提下，設(shè)計高能效的多點協(xié)同通信算法。當終端主機從當前基站切換到更好的基站時需要一定的時間和能量來進行測距和關(guān)聯(lián)的工作。因此，無論是同構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)還是異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)都需要更加高效和自適應(yīng)的切換機制。
1.2 協(xié)作通信
    無線信道的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和QoS改善的主要原因之一。為克服無線通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性和無線資源緊缺性的影響，并有效支持具有不同QoS要求的多樣化寬帶業(yè)務(wù)，必須尋求進一步擴大信道容量、改善通信質(zhì)量的新技術(shù)。作為一種新的空間分集技術(shù)，協(xié)作分集通過多用戶之間共享天線和其他網(wǎng)絡(luò)資源的形式構(gòu)造“虛擬多天線陣列”，并通過分布式處理產(chǎn)生協(xié)作來獲得一定的空間分集增益。在協(xié)作系統(tǒng)中，空閑的用戶(節(jié)點)充當源與目的端之間的中繼，接收端將直傳鏈路和中繼鏈路接收到的信號進行融合解碼。
    在協(xié)作通信方面,早期工作重點是中繼選擇策略。然而，隨著“綠色化”的進程，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的研究重點將轉(zhuǎn)為減小傳輸部分的復(fù)雜度、低傳輸量時的能量節(jié)省、高效的無線傳輸架構(gòu)和協(xié)議、高效的基站電源管理等[5]。
    需指出的是，在一些實際環(huán)境中，隨著通信環(huán)境的變化，使用中繼有時反而會降低傳輸?shù)馁|(zhì)量。當使用中繼卻又沒有提升傳輸性能時，會白白消耗功率，增加溫室氣體。根據(jù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有效性和中繼節(jié)點配置問題的初步研究，能量有效性取決于多方面的因素，如路徑損耗指數(shù)、調(diào)制方式、信道衰落的程度、鏈路的數(shù)目（跳數(shù)）和信噪比的變化等[6-7]。參考文獻[5]定義了一個中繼優(yōu)勢標準以研究中繼什么時候有優(yōu)勢，實施該標準的好處是更加綠色。由于不是一直打開中繼，節(jié)約的電能和減少的溫室氣體遠超過一直使用中繼時優(yōu)化組件和系統(tǒng)所獲得的效果。
1.3 認知無線電
    目前適宜無線通信的頻譜資源一方面十分稀缺，另一方面又浪費嚴重。其原因在于：靜態(tài)的頻譜分配體制與動態(tài)的頻譜利用方式之間不匹配，造成無線頻譜規(guī)劃緊張，而利用效率低下。認知無線電可在不影響主用戶通信的前提下，智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(即認知用戶)的可靠通信，從而實現(xiàn)頻譜資源共享，提高無線頻譜的利用率。認知無線電必須通過主動監(jiān)測來保持對內(nèi)部和外部無線電環(huán)境中的用戶行為和鏈路條件的感知，這勢必消耗大量的能量。認知無線電給移動運營商和用戶都帶來了機會和綠色效益，但是受到實際認知無線電硬件發(fā)展的限制，目前大多數(shù)工作停留在論文和仿真階段[3]。未來認知無線電三個主要的應(yīng)用方向是對移動用戶的智能頻譜感知、針對QoS需求的動態(tài)頻譜分配以及在移動競爭條件下頻譜的可靠性管理。
1.4 綠色移動傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]
    面向未來移動通信的異構(gòu)環(huán)境，移動傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如移動蜂窩網(wǎng)絡(luò))的集成將為用戶提供實時無縫的智能服務(wù)。在移動傳感網(wǎng)絡(luò)中，功耗問題將變得更加嚴峻。從數(shù)據(jù)壓縮融合、傳感配置、傳感可視化、判斷等角度來看，需要對能量感知、移動性感知、QoS需求以及配置成本等方面進行更深入的研究。特別地，針對氣候監(jiān)測的綠色傳感網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署將大大有助于監(jiān)測信息與通信技術(shù)和地球的綠色化。
2 綠色服務(wù)技術(shù)[1]
2.1移動網(wǎng)絡(luò)的云計算
    云計算通過有效的網(wǎng)絡(luò)通信將個人客戶端和企業(yè)級服務(wù)器的大部分計算轉(zhuǎn)移到遠處的云端(數(shù)據(jù)中心)。據(jù)預(yù)計，云計算將對綠色通信與信息技術(shù)ICT(Information and Communication Technology)產(chǎn)業(yè)作出重大貢獻，從而有效地減少全球碳排放。尤其是電力和計算能力有限的移動設(shè)備，受益于云計算的移動空間，將有越來越多的機遇和優(yōu)勢，不僅能夠進行云存儲和云計算，也能得到無縫的移動服務(wù)。
    然而，實際分析表明，云服務(wù)在目前階段主要是針對存儲、處理和傳輸?shù)男阅?，很少關(guān)注能源效率。Stratus作為一個基于云服務(wù)的原型，在能效方面尚有一系列技術(shù)亟待解決，例如將不定時發(fā)生的傳輸聚合在一起而進行的數(shù)據(jù)融合、非對稱的基于字典的壓縮算法、云選擇和云服務(wù)副本高效算法。在通信能耗和計算能耗的折中方面也將有更多的挑戰(zhàn)，例如計算需求和QoS需求的有效估計、為本地和云處理的自決定而進行的中間件能量感知、基于無線鏈路和用戶的動態(tài)自適應(yīng)配置。
2.2 “綠色化”和“QoS”之間的折中
    現(xiàn)有的一些綠色方案，往往以犧牲QoS來換取系統(tǒng)功耗的降低，例如基于移動性的預(yù)測的節(jié)能方案，在最壞的情況下，預(yù)測失敗反而會導(dǎo)致性能的嚴重下降。所以綠色技術(shù)的發(fā)展必須全面綜合考慮網(wǎng)絡(luò)容量、能源消耗、合適的QoS等因素。在“綠色化”和“QoS”折中的研究方面，有如下幾個可能的研究方向：
    (1)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的平衡：移動設(shè)備有不同的存儲容量、功耗限制和QoS需求。這種異構(gòu)性使得設(shè)計一個綜合的支持QoS架構(gòu)非常困難。
    (2) 配置和調(diào)度：各種服務(wù)的配置和準確的預(yù)測將有助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行有效的調(diào)度方法，提高能源利用效率和滿足用戶需求?；诠芾淼亩嘀嘏渲脼橐苿泳W(wǎng)絡(luò)用戶提供高度的靈活性，為不同類型的用戶提供服務(wù)和不同的QoS需求。
    (3) 多無線電性能和QoS：設(shè)計多無線電終端主機的調(diào)度和優(yōu)化時，QoS和用戶體驗的連續(xù)性不受到無線接入掃描和切換的影響。有效的解決方案仍在尋求中。
2.3 基于預(yù)測的綠色技術(shù)
    在實際的移動網(wǎng)絡(luò)中，許多不必要的行為消耗了大量的能量，如資源分配的過度供給、移動性繁忙時的路由失敗等。因此，基于人類活動性模型和移動模型進行業(yè)務(wù)動態(tài)性和用戶活動性的精確預(yù)測，將有效防止資源的浪費并有效提高移動設(shè)備的能效。例如,參考文獻[1]提到的集成WiMAX與WiFi網(wǎng)絡(luò)的切換方案,通過對網(wǎng)絡(luò)接口的適當預(yù)測智能地避免了不必要的切換并增加了連接的成功率，該預(yù)測通過對歷史切換方案的精確建模實現(xiàn)了節(jié)能。還有一些其他的能量感知調(diào)度算法，可通過位置和歷史模型進行信號預(yù)測,例如Bartendr算法。
    預(yù)測輔助下的綠色技術(shù)有望在將來得到廣泛應(yīng)用。必須指出的是，該技術(shù)的實現(xiàn)有賴于對大量的地理和活動性信息的收集，這也將帶來更多的工業(yè)和能源消耗。怎樣克服預(yù)測失敗帶來的最差情況，如何減少實時預(yù)測和學習方式的計算復(fù)雜性，是未來面臨的挑戰(zhàn)。
3 綠色移動網(wǎng)絡(luò)中的價格機制

    綠色移動網(wǎng)絡(luò)中的一個更關(guān)鍵的問題是有效地定價機制。傳統(tǒng)的定價機制重點是服務(wù)帶寬和內(nèi)容。因此，目前社會上還缺少一組具有代表性的綠色定價方案，只有少數(shù)相關(guān)的建議，如以補償為基礎(chǔ)的定價模型，該模型考慮了由于節(jié)約能量和移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商的資源限制造成的QoS下降。
    在將來，研究人員必須慎重考慮有效的定價方案鼓勵移動網(wǎng)絡(luò)綠色化，從長遠的角度減少全球二氧化碳排放量。設(shè)計商用3G、后3G和4G移動網(wǎng)絡(luò)的固定和多跳方式的定價方案，以及基于認知無線的移動網(wǎng)絡(luò)定價方案十分重要。
    無線通信的飛速發(fā)展和用戶業(yè)務(wù)的快速增長，為無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。未來的無線通信系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是限制電池供電設(shè)備的能量消耗。在“綠色通信”框架內(nèi)，有待實現(xiàn)一場技術(shù)性的革新。本文針對下一代網(wǎng)絡(luò)的“綠色化”,探討了綠色無線通信系統(tǒng)在推進與實現(xiàn)過程中面臨的問題和研究方向。
參考文獻
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