關(guān)鍵字:綠色通信；無線網(wǎng)絡(luò)；能效測度；能效優(yōu)化

英文摘要:This paper discusses metrics and evaluation methods for energy efficiency in wireless networks. It is proposed that carbon emissions are the standard for measuring energy efficiency, and energy efficiency is evaluated according to different network loads. Using the metric model, several methods are available for reducing energy consumption, including decreasing equipment usage, radio resource scheduling, and node cooperation. Monitoring and evaluating energy efficiency should also be added to wireless network protocols as an extra module. Technical challenges associated with optimizing and evaluating energy efficiency are discussed in conclusion.

英文關(guān)鍵字:green communications; wireless networks; energy efficiency metric; energy efficiency optimization

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展(“973”)規(guī)劃(2009CB320405)；國家自然科學(xué)基金(61001098、60972057、60972058、60802012)

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，移動互聯(lián)網(wǎng)將向用戶提供個性化的多種業(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，無線通信與環(huán)境的不和諧也日益明顯，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，不僅僅對行業(yè)自身降低成本大有裨益，同時能夠減少對能源的消耗，實現(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方面，而本文主要從整個網(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)傳輸有時延限制，所以傳輸不可能太慢。在業(yè)務(wù)時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)制的能效測度。

目前一些國際組織和企業(yè)已經(jīng)制訂了能效測度的定義和方法。國際節(jié)能測量和認(rèn)證規(guī)程委員會制訂了國際節(jié)能效果測量和認(rèn)證規(guī)程[2](IPMVP)，提出了節(jié)能量測定的基本方法和4類測量方案以及在具體操作時的常見問題。美國Verizon電信公司提出了一種通信設(shè)備能量效率評價體系[3](TEEER)，對通信過程的不同部分分別定義了對應(yīng)的測試方式和能效計算公式，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度都是針對無線傳輸進(jìn)行設(shè)計，只考慮了無線網(wǎng)絡(luò)中的某部分的能效情況，而對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的效果無法得到合理的衡量。針對無線通信網(wǎng)絡(luò)的能效測度，考慮無線網(wǎng)絡(luò)的特點，在定義能效測度及其評價體系時可以考慮以下兩個方面：

(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)衡量整個系統(tǒng)、整個設(shè)備的綠色特性的場景下。事實上，單比特能耗與碳排放量并不是簡單的線性關(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。在對整個無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能效評估時，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)的能效評價或者針對典型場景從統(tǒng)計意義上加以規(guī)范。通過與具體場景相結(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)一個區(qū)域由多個小區(qū)覆蓋，而該區(qū)域的話務(wù)量又較低時，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的小區(qū)中。由于整個基站的設(shè)備都被關(guān)閉，因此這一方案可以獲得最大的節(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)，以避免因為基站設(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，對覆蓋空洞進(jìn)行補償，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)的時延。

(2)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)或采用延長非連續(xù)接收時間間隔的方法

當(dāng)小區(qū)中沒有活動用戶時，可以轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)，只保持部分必要的通信。采用延長非連續(xù)接收(DRX)時間間隔的方法同樣可以減少傳輸?shù)膮⒖夹盘?RS)。DRX可以通過功率調(diào)整節(jié)省不需要傳輸RS時的能量，但是在這種情況下，用戶需要通過測量同步控制信道來補償由于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用戶的情況。

(3)減少配置天線和載波

在活動狀態(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)測天線的數(shù)目信息。物理廣播信道(PBCH)的循環(huán)冗余碼校驗(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)目可以在下一個系統(tǒng)信息更改周期開始時進(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，但這又會影響到用戶的某些配置參數(shù)。

在天線數(shù)目發(fā)生改變時，用戶應(yīng)立即重新進(jìn)行相應(yīng)配置。然而，要實現(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)測到天線數(shù)目的變化時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)測配置變動兩種機(jī)制，在業(yè)務(wù)量較小時，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為三大類：減少節(jié)點能耗、減少網(wǎng)絡(luò)能耗、減少傳輸信息。

為了減少節(jié)點能耗，文獻(xiàn)[6]提出了把網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點分為多個不相交的集合輪流進(jìn)行休眠，并提出了分布式的實現(xiàn)方法。IEEE 802.15.4[7]首次把節(jié)點休眠機(jī)制寫入標(biāo)準(zhǔn)。TRAMA[8]和SERENA[9]是基于時隙的休眠機(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兩個因素，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)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LEACH[14]基于節(jié)點分簇來使數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點處進(jìn)行匯聚，而MLDA[15]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)點協(xié)作

在一定業(yè)務(wù)時延需求的約束下，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)速率分配到多個信道上，使得在單個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)點之間協(xié)作的方法降低能量消耗。節(jié)點協(xié)作傳輸?shù)谋举|(zhì)其實是增加傳輸?shù)目捎觅Y源。利用這個特點，可以采用協(xié)作的方式來進(jìn)行高能效傳輸。

節(jié)點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，通常中繼節(jié)點離目的節(jié)點的位置相對源節(jié)點來說要更近。這樣，進(jìn)行協(xié)作中繼相當(dāng)于增加了一個質(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)點在傳輸自己信息的同時，也能傳送所接收和檢測到的協(xié)作節(jié)點的信息，利用其他節(jié)點的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線。節(jié)點以最小化能量消耗為目標(biāo)，選擇合適的一個或者多個協(xié)作節(jié)點，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，節(jié)點在活動狀態(tài)即使不傳輸數(shù)據(jù)也會因為常規(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)點不一定是最佳選擇。

3 無線網(wǎng)絡(luò)的能效監(jiān)控與評估機(jī)制

對無線網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的所有過程要進(jìn)行能效監(jiān)控和評估，在通信系統(tǒng)各個設(shè)備節(jié)點，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)控和評估，并通過適當(dāng)?shù)男帕钣枰苑答仭?/p>

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、能效監(jiān)控和能效評估模塊，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、能效監(jiān)控、能效評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)信息的獲取，綠色通信設(shè)備可進(jìn)行有效的能效預(yù)測，在此基礎(chǔ)上通過能效決策協(xié)調(diào)整個通信過程進(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)以及實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題。

(1)混合業(yè)務(wù)下的能效評估

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)制的評價指標(biāo)。不同的研究內(nèi)容，其能效測度也不盡相同，所以對應(yīng)具體的研究內(nèi)容，需具體分析其節(jié)能性的評價指標(biāo)?；旌蠘I(yè)務(wù)下的能效評估測度需要考慮針對不同業(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度。

(2)基于感知的能效優(yōu)化方法

基于感知的能量優(yōu)化控制技術(shù)具有重要的研究和應(yīng)用價值。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，才能更有針對性地對無線網(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，需要同時考慮兩部分的能量消耗。

(3)能效監(jiān)控和評估的協(xié)議設(shè)計

把能效監(jiān)控和評估機(jī)制設(shè)計到協(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)控和評估效果以便做出準(zhǔn)確的能效決策，又要對已有協(xié)議盡量少改動，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，可以將通信設(shè)備的綠色制造過程考慮在內(nèi)。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，各個標(biāo)準(zhǔn)組織和企業(yè)各自提出了不同能效評價體系。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)化和評估也將成為未來幾年內(nèi)的研究重點。通過建立合理的無線網(wǎng)絡(luò)能效評估體系，并以此為衡量標(biāo)準(zhǔn)對能效進(jìn)行優(yōu)化，可大大降低無線網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的綠色通信。

6 參考文獻(xiàn)
[1] UDANI S, SMITH J. Power Management in Mobile Computing (a survey) [R]. Philadelphia, PA, USA: University of Pennsylvania, 1996.
[2] IPMVP Committee. International Performance Measurement and Verification Protocol(IPMVP) [S]. 2007.
[3] VZ-TPR-9207. Verizon NEBS Compliance: TEEER Metric Quantification [S]. 2009.
[4] 3GPP TR 36.913. Requirements for Further Advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) [S]. 2009.
[5] 3GPP R2-101824, “Energy saving techniques for LTE”, Huawei
[6] CARDEI M, DU D. Improving Wireless Sensor Network Lifetime Through Power Aware Organization [J]. ACM Wireless Networks, 2005,11(3): 333-340.
[7] IEEE 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) [S]. 2003.
[8] RAJENDRAN V, OBRACZKA K, GARCIA J J. Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks [C]//Proceedings of the 1st International Conference on  Embedded Networked Sensor Systems (SenSys'03), Nov 5-7, 2003, Los Angeles, CA, USA. New York, NY,USA: ACM, 2003: 181-192.
[9] MINET P, MAHFOUDH S. Performance Evaluation of the SERENA Algorithm to SchEdule RoutEr Nodes Activity in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks [C]//Proceedings of the 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA'08), Mar 25-28, 2008, Okinawa, Japan. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2008: 287-294.
[10] KWON S, SHROFF N B. Energy-Efficient Interference-based Routing for Multi-Hop Wireless Networks [C]//Proceedings of the 25th IEEE International Conference on Computer Communications(INFOCOM'06): Vol 3, Apr 23-29, 2006, Barcelona, Spain. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2006:1350-1361.
[11] HASSANEIN H, LUO J. Reliable Energy Aware Routing in Wireless Sensor Networks [C]//Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Dependability and Security in Sensor Networks and Systems (DSSNS'06), Apr 24-28, 2006, Columbia, MD, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2006:54-64.
[12] SHRESTA N. Reception Awarness for Energy Conservation in Ad Hoc Networks [D]. Sydney, Australia: Macquarie University, 2006.
[13] EL GAMAL A, NAIR C, PRABHAKAR B, et al. Energy-Efficient Scheduling of Packet Transmissions over Wireless Networks [C]//Proceedings of IEEE 21th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies(INFOCOM'02): Vol 3, Jun 23-27, 2002, New York, NY, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2002: 1773-1782.
[14] HEINZELMAN W, CHANDRAKASAN A, BALAKRISHNAN H. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks [C]//Proceeding of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences(HICSS'00), Jan 4-7,2000, Maui, HI,USA. Los Alamitos, CA,USA: IEEE Computer Society,2000:3005-3014.
[15] KALPAKIS K, DASGUPTA K, NAMJOSHI P. Maximum Lifetime Data Gathering and Aggregation in Wireless Sensor Networks [C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Networking (ICN'02), Apr 26-29,2002, Atlanta, GA,USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2002:685-696.
[16] DAI F, WU J. An Extended Localized Algorithm for Connected Dominating Set Formation in Ad Hoc Wireless Networks [J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2004, 15(10): 908-920.

王瑋，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系講師、博士；主要研究領(lǐng)域為認(rèn)知無線電、綠色無線通信、協(xié)作通信、無線資源分配等；主持國家自然科學(xué)基金等多項科研項目，發(fā)表論文30余篇。

張朝陽，浙江大學(xué)浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域為無線通信、無線網(wǎng)絡(luò)、寬帶接入等；主持和參加國家“863/973”、國家科技重大專項和國家自然科學(xué)基金等項目10余項，發(fā)表SCI、EI論文100余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利12項。

余官定，浙江大學(xué)浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系副教授、碩士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域為無線通信、無線網(wǎng)絡(luò)和信息論；主持1項國家自然科學(xué)基金項目，作為主要參與人完成10余項科研項目，發(fā)表論文50余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利2項。