無線網(wǎng)絡能效的優(yōu)化與評估

摘要:文章從能效測度入手，對已有的無線網(wǎng)絡能效測度評價體系進行了討論，并提出以碳排放量為標準和與網(wǎng)絡負載相結(jié)合的能效測度模型。在能效測度模型的基礎上，文章提出減少設備使用、無線資源調(diào)度、節(jié)點協(xié)作等一系列無線網(wǎng)絡能效優(yōu)化方法，并建議在無線網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)中加入能效監(jiān)控和能效評估模塊。文章還對無線網(wǎng)絡能效優(yōu)化和評估方法中存在的技術挑戰(zhàn)進行了展望。

關鍵字:綠色通信；無線網(wǎng)絡；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.

英文關鍵字:green communications; wireless networks; energy efficiency metric; energy efficiency optimization

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

隨著無線通信技術的飛速發(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，很大程度上改變?nèi)藗兊纳�活習慣。但是，在通信日漸深入人們生活，網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴張的同時，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注[1]。綠色通信必將引起通信技術的一次革命。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、設備制造能耗、機房溫度控制能耗等多個方面，而本文主要從整個網(wǎng)絡的角度討論無線信息傳輸過程的能效。

1 無線網(wǎng)絡的能效測度

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系如圖1所示。圖1中，達到C/2速率的能量消耗遠小于按速率C進行傳輸?shù)哪芰肯�耗的一半。由于業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸有時延限制，所以傳輸不可能太慢。在業(yè)務時延要求滿足的前提下，用盡量低的速率進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)絡的能耗，首先要建立相關關鍵技術的節(jié)能機制的能效測度。

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)能測量和認證規(guī)程委員會制訂了國際節(jié)能效果測量和認證規(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行設計，只考慮了無線網(wǎng)絡中的某部分的能效情況，而對不同網(wǎng)絡環(huán)境下的效果無法得到合理的衡量。針對無線通信網(wǎng)絡的能效測度，考慮無線網(wǎng)絡的特點，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，特別是當衡量整個系統(tǒng)、整個設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)絡進行能效評估時，需要把直接與綠色程度相關的碳排放量與無線網(wǎng)絡的最終效用聯(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)絡的應用中存在很多的問題。比如與應用的具體場景包括噪聲、負載等密切相關，很多通信算法和協(xié)議在低負載、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，需要與負載有關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)絡能效優(yōu)化方法

2.1 減少設備

在無線網(wǎng)絡中業(yè)務量較小的情況下，可以減少或停止部分設備的使用，來降低能量的消耗。常見的優(yōu)化方法有關閉設備、轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)以及減少天線和載波等3種[4-5]。

(1)基站設備關閉

當一個區(qū)域由多個小區(qū)覆蓋，而該區(qū)域的話務量又較低時，可以關閉覆蓋該區(qū)域的部分小區(qū)基站設備，而本來由其所服務的用戶可以切換到其他仍然活動的小區(qū)中。由于整個基站的設備都被關閉，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覆蓋的區(qū)域，而各小區(qū)通常只是部分重復覆蓋。在部分重復覆蓋情況下，需要根據(jù)話務分布的情況，決定最優(yōu)的被關閉的小區(qū)，以避免因為基站設備關閉導致覆蓋空洞。基站設備關閉后，需要調(diào)整周圍基站的配置，對覆蓋空洞進行補償，另外還需要更新鄰區(qū)關系，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。