摘  要： 不斷增加的能源消耗和日益惡化的環(huán)境問(wèn)題使得“綠色化”成為下一代網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要發(fā)展方向。主要研究和討論了綠色無(wú)線通信系統(tǒng)在推進(jìn)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中面臨的問(wèn)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(jī)和全球變暖問(wèn)題變得日益嚴(yán)重。參考文獻(xiàn)[1]指出，全球能源的3％被ICT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)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(dāng)于全球飛機(jī)的二氧化碳排放量或全球汽車(chē)二氧化碳排放量的四分之一。甚至，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)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(duì)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(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)設(shè)備和系統(tǒng)，而不是以能量效率為目標(biāo)。大多數(shù)的移動(dòng)通信技術(shù)以吞吐量、QoS和可靠性等性能指標(biāo)的最大化為目標(biāo)，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(shí)間，其他時(shí)候網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不是滿負(fù)荷運(yùn)行的，因此通常情況下所需能量遠(yuǎn)低于最大可供能量。在這樣一個(gè)過(guò)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(jìn)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(wèn)題促使必須建立一個(gè)更節(jié)能的綠色無(wú)線通信系統(tǒng)。亟需一個(gè)新的顛覆性的策略和技術(shù)來(lái)解決能量有效性的各個(gè)問(wèn)題，包括：(1)需要新的物理層技術(shù)來(lái)解決單天線和多天線無(wú)線通信系統(tǒng)中增加的復(fù)雜度和功效低的問(wèn)題；(2)需要支持低能耗的先進(jìn)的媒體接入控制MAC（Medium Access Control）協(xié)議和無(wú)線資源管理程序; (3)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由和管理模式的徹底改變實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能。以犧牲QoS來(lái)?yè)Q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(wú)線通信系統(tǒng)在推進(jìn)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中面臨的問(wèn)題，以及下一代網(wǎng)絡(luò)“綠色化”過(guò)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(rèn)知無(wú)線電、綠色移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)等綠色通信技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算、“綠色化”和“服務(wù)質(zhì)量”之間的折中，以及基于預(yù)測(cè)的綠色技術(shù)等綠色服務(wù)技術(shù)和綠色移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)格機(jī)制等。
1 綠色通信技術(shù)
1.1 如何實(shí)現(xiàn)綠色4G網(wǎng)絡(luò)[3]
    在未來(lái)十年內(nèi)，ICT的綠色化高度依賴(lài)于LTE-Advanced 和WiMAX 2這兩個(gè)下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的能效。然而，當(dāng)前人們的關(guān)注點(diǎn)主要集中在頻譜效率和容量性能方面，對(duì)于節(jié)能問(wèn)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(shí)，能量消耗問(wèn)題更為嚴(yán)重。因此，在處理上的復(fù)雜度、嚴(yán)格信道同步帶來(lái)的能耗，以及根據(jù)設(shè)備移動(dòng)性和戶外環(huán)境鏈路動(dòng)態(tài)性進(jìn)行信道表征帶來(lái)的能耗等問(wèn)題上應(yīng)給予足夠的重視。在MAC層，需要設(shè)計(jì)面向MIMO且能量有效的MAC層協(xié)議，通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線數(shù)目達(dá)到可靠性水平與復(fù)用增益之間的平衡，同時(shí)減少幀開(kāi)銷(xiāo)。最近出現(xiàn)的大型天線系統(tǒng)[4]是一種有數(shù)百個(gè)天線單元的擴(kuò)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(gè)天線單元消耗更少的能量，該設(shè)計(jì)極大地提高了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能效。目前的當(dāng)務(wù)之急是進(jìn)行實(shí)際的多用戶大型天線系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)。
    當(dāng)終端主機(jī)在小區(qū)邊緣漫游時(shí)，4G網(wǎng)絡(luò)支持站點(diǎn)內(nèi)與站點(diǎn)間的多點(diǎn)協(xié)作通信來(lái)克服弱信號(hào)和小區(qū)間干擾。在小區(qū)邊緣時(shí)，終端主機(jī)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(jì)高能效的多點(diǎn)協(xié)同通信算法。當(dāng)終端主機(jī)從當(dāng)前基站切換到更好的基站時(shí)需要一定的時(shí)間和能量來(lái)進(jìn)行測(cè)距和關(guān)聯(lián)的工作。因此，無(wú)論是同構(gòu)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還是異構(gòu)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都需要更加高效和自適應(yīng)的切換機(jī)制。
1.2 協(xié)作通信
    無(wú)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(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性和無(wú)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(jìn)一步擴(kuò)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(guò)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(guò)分布式處理產(chǎn)生協(xié)作來(lái)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(diǎn))充當(dāng)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(hào)進(jìn)行融合解碼。
    在協(xié)作通信方面,早期工作重點(diǎn)是中繼選擇策略。然而，隨著“綠色化”的進(jìn)程，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)將轉(zhuǎn)為減小傳輸部分的復(fù)雜度、低傳輸量時(shí)的能量節(jié)省、高效的無(wú)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(shí)際環(huán)境中，隨著通信環(huán)境的變化，使用中繼有時(shí)反而會(huì)降低傳輸?shù)馁|(zhì)量。當(dāng)使用中繼卻又沒(méi)有提升傳輸性能時(shí)，會(huì)白白消耗功率，增加溫室氣體。根據(jù)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有效性和中繼節(jié)點(diǎn)配置問(wèn)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(xiàn)[5]定義了一個(gè)中繼優(yōu)勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)以研究中繼什么時(shí)候有優(yōu)勢(shì)，實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)的好處是更加綠色。由于不是一直打開(kāi)中繼，節(jié)約的電能和減少的溫室氣體遠(yuǎn)超過(guò)一直使用中繼時(shí)優(yōu)化組件和系統(tǒng)所獲得的效果。
1.3 認(rèn)知無(wú)線電
    目前適宜無(wú)線通信的頻譜資源一方面十分稀缺，另一方面又浪費(fèi)嚴(yán)重。其原因在于：靜態(tài)的頻譜分配體制與動(dòng)態(tài)的頻譜利用方式之間不匹配，造成無(wú)線頻譜規(guī)劃緊張，而利用效率低下。認(rèn)知無(wú)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(rèn)知用戶)的可靠通信，從而實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享，提高無(wú)線頻譜的利用率。認(rèn)知無(wú)線電必須通過(guò)主動(dòng)監(jiān)測(cè)來(lái)保持對(duì)內(nèi)部和外部無(wú)線電環(huán)境中的用戶行為和鏈路條件的感知，這勢(shì)必消耗大量的能量。認(rèn)知無(wú)線電給移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和用戶都帶來(lái)了機(jī)會(huì)和綠色效益，但是受到實(shí)際認(rèn)知無(wú)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(lái)認(rèn)知無(wú)線電三個(gè)主要的應(yīng)用方向是對(duì)移動(dòng)用戶的智能頻譜感知、針對(duì)QoS需求的動(dòng)態(tài)頻譜分配以及在移動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)條件下頻譜的可靠性管理。
1.4 綠色移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]
    面向未來(lái)移動(dòng)通信的異構(gòu)環(huán)境，移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò))的集成將為用戶提供實(shí)時(shí)無(wú)縫的智能服務(wù)。在移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)中，功耗問(wèn)題將變得更加嚴(yán)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(lái)看，需要對(duì)能量感知、移動(dòng)性感知、QoS需求以及配置成本等方面進(jìn)行更深入的研究。特別地，針對(duì)氣候監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算
    云計(jì)算通過(guò)有效的網(wǎng)絡(luò)通信將個(gè)人客戶端和企業(yè)級(jí)服務(wù)器的大部分計(jì)算轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處的云端(數(shù)據(jù)中心)。據(jù)預(yù)計(jì)，云計(jì)算將對(duì)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(xiàn)，從而有效地減少全球碳排放。尤其是電力和計(jì)算能力有限的移動(dòng)設(shè)備，受益于云計(jì)算的移動(dòng)空間，將有越來(lái)越多的機(jī)遇和優(yōu)勢(shì)，不僅能夠進(jìn)行云存儲(chǔ)和云計(jì)算，也能得到無(wú)縫的移動(dòng)服務(wù)。
    然而，實(shí)際分析表明，云服務(wù)在目前階段主要是針對(duì)存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)男阅?，很少關(guān)注能源效率。Stratus作為一個(gè)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(shí)發(fā)生的傳輸聚合在一起而進(jìn)行的數(shù)據(jù)融合、非對(duì)稱(chēng)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(jì)算能耗的折中方面也將有更多的挑戰(zhàn)，例如計(jì)算需求和QoS需求的有效估計(jì)、為本地和云處理的自決定而進(jìn)行的中間件能量感知、基于無(wú)線鏈路和用戶的動(dòng)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(lái)?yè)Q取系統(tǒng)功耗的降低，例如基于移動(dòng)性的預(yù)測(cè)的節(jié)能方案，在最壞的情況下，預(yù)測(cè)失敗反而會(huì)導(dǎo)致性能的嚴(yán)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(gè)可能的研究方向：
    (1)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的平衡：移動(dòng)設(shè)備有不同的存儲(chǔ)容量、功耗限制和QoS需求。這種異構(gòu)性使得設(shè)計(jì)一個(gè)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(zhǔn)確的預(yù)測(cè)將有助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)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?dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶提供高度的靈活性，為不同類(lèi)型的用戶提供服務(wù)和不同的QoS需求。
    (3) 多無(wú)線電性能和QoS：設(shè)計(jì)多無(wú)線電終端主機(jī)的調(diào)度和優(yōu)化時(shí)，QoS和用戶體驗(yàn)的連續(xù)性不受到無(wú)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(cè)的綠色技術(shù)
    在實(shí)際的移動(dòng)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(guò)度供給、移動(dòng)性繁忙時(shí)的路由失敗等。因此，基于人類(lèi)活動(dòng)性模型和移動(dòng)模型進(jìn)行業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)性和用戶活動(dòng)性的精確預(yù)測(cè)，將有效防止資源的浪費(fèi)并有效提高移動(dòng)設(shè)備的能效。例如,參考文獻(xiàn)[1]提到的集成WiMAX與WiFi網(wǎng)絡(luò)的切換方案,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的適當(dāng)預(yù)測(cè)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(cè)通過(guò)對(duì)歷史切換方案的精確建模實(shí)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(guò)位置和歷史模型進(jìn)行信號(hào)預(yù)測(cè),例如Bartendr算法。
    預(yù)測(cè)輔助下的綠色技術(shù)有望在將來(lái)得到廣泛應(yīng)用。必須指出的是，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于對(duì)大量的地理和活動(dòng)性信息的收集，這也將帶來(lái)更多的工業(yè)和能源消耗。怎樣克服預(yù)測(cè)失敗帶來(lái)的最差情況，如何減少實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和學(xué)習(xí)方式的計(jì)算復(fù)雜性，是未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)。
3 綠色移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)格機(jī)制

    綠色移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)更關(guān)鍵的問(wèn)題是有效地定價(jià)機(jī)制。傳統(tǒng)的定價(jià)機(jī)制重點(diǎn)是服務(wù)帶寬和內(nèi)容。因此，目前社會(huì)上還缺少一組具有代表性的綠色定價(jià)方案，只有少數(shù)相關(guān)的建議，如以補(bǔ)償為基礎(chǔ)的定價(jià)模型，該模型考慮了由于節(jié)約能量和移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的資源限制造成的QoS下降。
    在將來(lái)，研究人員必須慎重考慮有效的定價(jià)方案鼓勵(lì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)綠色化，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度減少全球二氧化碳排放量。設(shè)計(jì)商用3G、后3G和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的固定和多跳方式的定價(jià)方案，以及基于認(rèn)知無(wú)線的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定價(jià)方案十分重要。
    無(wú)線通信的飛速發(fā)展和用戶業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。未來(lái)的無(wú)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(shí)現(xiàn)一場(chǎng)技術(shù)性的革新。本文針對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)的“綠色化”,探討了綠色無(wú)線通信系統(tǒng)在推進(jìn)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中面臨的問(wèn)題和研究方向。
參考文獻(xiàn)
[1] KARL H. An overview of energy efficient techniques for  mobile communication systems[C]. Technische University Berlin, 2003.
[2] RENZO M D, ALONSO L, FITZEK F H P. GREENET An early stage training network in enabling technologies for green radio[C].2011 IEEE 73rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 15-18 May 2011:1-5.
[3] Wang Xiaofei, VASILAKOS A V, Chen Min, et al. A survey of green mobile networks: opportunities and challenges[J]. Mobile Networks and Applications, 2012, 17(1):4-20.
[4] GreenTouch. GreenTouch demonstrates large-scale antennaimproving energy efficiency[EB/OL]. http://www.youtube.com/watch?v=U3euDDr0uvo. Accessed 5 Mar 2011
[5] BEAULIEU N C. To relay or not to relay in cooperative networks: that is the green question[EB/OL]. http://www.icctconf.org/ks.asp.
[6] 江若宜,季薇,鄭寶玉. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信的能耗優(yōu)化方法研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2010,32(6):1475-1479.
[7] 季薇, 鄭寶玉. 基于能量有效性的協(xié)作節(jié)點(diǎn)配置問(wèn)題研究[J].信號(hào)處理, 2011,27(3):321-327.