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展(“973”)規劃(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展，通信網與互聯網的日益融合，移動互聯網將向用戶提供個性化的多種業務，很大程度上改變人們的生活習慣。但是，在通信日漸深入人們生活，網絡規模不斷擴張的同時，無線通信與環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。降低通信行業的能耗，不僅僅對行業自身降低成本大有裨益，同時能夠減少對能源的消耗，實現可持續發展。
通信行業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絡的角度討論無線信息傳輸過程的能效。
1 無線網絡的能效測度
根據信息論可知，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進行傳輸的能量消耗的一半。由于業務數據傳輸有時延限制，所以傳輸不可能太慢。在業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。要降低通信網絡的能耗，首先要建立相關關鍵技術的節能機制的能效測度。
目前一些國際組織和企業已經制訂了能效測度的定義和方法。國際節能測量和認證規程委員會制訂了國際節能效果測量和認證規程[2](IPMVP)，提出了節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，只考慮了無線網絡中的某部分的能效情況，而對不同網絡環境下的效果無法得到合理的衡量。針對無線通信網絡的能效測度，考慮無線網絡的特點，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合，而不能僅僅基于傳輸能耗，特別是當衡量整個系統、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，所產生的效用也不同。在對整個無線網絡進行能效評估時，需要把直接與綠色程度相關的碳排放量與無線網絡的最終效用聯系起來。
(2)傳統的單比特能耗等直接度量在實際無線網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計意義上加以規范。通過與具體場景相結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果。
2 無線網絡能效優化方法
2.1 減少設備
在無線網絡中業務量較小的情況下，可以減少或停止部分設備的使用，來降低能量的消耗。常見的優化方法有關閉設備、轉入空閑狀態以及減少天線和載波等3種[4-5]。
(1)基站設備關閉
當一個區域由多個小區覆蓋，而該區域的話務量又較低時，可以關閉覆蓋該區域的部分小區基站設備，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域，而各小區通常只是部分重復覆蓋。在部分重復覆蓋情況下，需要根據話務分布的情況，決定最優的被關閉的小區，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關系，以盡量減低用戶切換到其他小區的時延。
(2)轉入空閑狀態或采用延長非連續接收時間間隔的方法
當小區中沒有活動用戶時，可以轉入到空閑狀態，只保持部分必要的通信。采用延長非連續接收(DRX)時間間隔的方法同樣可以減少傳輸的參考信號(RS)。DRX可以通過功率調整節省不需要傳輸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。
(3)減少配置天線和載波
在活動狀態下的基站天線端口數是固定的，用戶設備可通過讀取控制信息來監測天線的數目信息。物理廣播信道(PBCH)的循環冗余碼校驗(CRC)比特是根據基站發射天線的配置來進行加密編碼的。如果基站在沒有通知用戶的情況下更改了天線的數目，用戶將無法準確接收必要的控制信息和數據信息，影響用戶的正常通信。
天線數目更改通知的一種合適方法是采用系統信息(SI)更改通知機制。天線的數目可以在下一個系統信息更改周期開始時進行更改。出于節能角度的考慮，天線的數目需要經常改變，但這又會影響到用戶的某些配置參數。
在天線數目發生改變時，用戶應立即重新進行相應配置。然而，要實現天線數目改變和用戶參數重新配置之間的同步存在一些技術挑戰。若天線數目改變和用戶參數重新配置不同步進行，則會出現用戶無法解碼數據或信令的情況。為了解決不同步的情況，可以由用戶監測到天線數目的變化時采用缺省的物理信道配置，這樣網絡就可以在此基礎上重新配置用戶的相應參數，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。通過基站進行SI更改通知或者用戶監測配置變動兩種機制，在業務量較小時，可以停止部分載波上的傳輸來節省能量消耗。
2.2 能量有效的無線資源調度
通過無線資源調度提高能效已經有比較充分的研究，歸納起來主要可以分為三大類：減少節點能耗、減少網絡能耗、減少傳輸信息。
為了減少節點能耗，文獻[6]提出了把網絡中所有節點分為多個不相交的集合輪流進行休眠，并提出了分布式的實現方法。IEEE 802.15.4[7]首次把節點休眠機制寫入標準。TRAMA[8]和SERENA[9]是基于時隙的休眠機制。這兩種休眠機制按照業務情況調度節點進行休眠。
在路由選擇和資源調度方面，從網絡角度考慮解決能耗問題產生了一些研究成果。通過比較所有可能路由方式，文獻[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[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[13]中，提出了考慮電池特性的數據包傳輸調度算法。
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用在無線傳感器網絡中。經典的數據匯聚方法LEACH[14]基于節點分簇來使數據在簇頭節點處進行匯聚，而MLDA[15]通過建立樹來確定數據的匯聚途徑。文獻[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 節點協作
在一定業務時延需求的約束下，節省能量的一條有效途徑是增加傳輸使用的無線資源，通過節點選取合適的可用信道，把要傳輸的數據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，以達到節省能量的目的。在可用的無線資源有限的情況下，可以采用節點之間協作的方法降低能量消耗。節點協作傳輸的本質其實是增加傳輸的可用資源。利用這個特點，可以采用協作的方式來進行高能效傳輸。
節點之間主要有兩種形式的協作。一種是協作中繼，在采用協作中繼時，通常中繼節點離目的節點的位置相對源節點來說要更近。這樣，進行協作中繼相當于增加了一個質量更好的信道共同進行傳輸。另一種是虛擬多天線技術(VMIMO)。由于移動終端設備受到尺寸或硬件復雜度的限制，往往只配置了單天線。為了提高傳輸效率和節省能耗，單天線節點在傳輸自己信息的同時，也能傳送所接收和檢測到的協作節點的信息，利用其他節點的天線與自身天線構成多發射天線。節點以最小化能量消耗為目標，選擇合適的一個或者多個協作節點，通過傳輸速率分配來達到負載均衡，降低能量消耗。值得注意的是，節點在活動狀態即使不傳輸數據也會因為常規信令交互以及設備電路產生固定的能量消耗。在這種情況下，顯然使用所有備選的協作節點不一定是最佳選擇。
3 無線網絡的能效監控與評估機制
對無線網絡傳遞信息的所有過程要進行能效監控和評估，在通信系統各個設備節點，包括核心網、基站、中繼，甚至在終端上也同樣要進行能效監控和評估，并通過適當的信令予以反饋。
在無線網絡通信協議分層架構中適當地增加能效預測、能效監控和能效評估模塊，并使之與協議棧的其他各部分(應用層、網絡層、數據鏈路層和物理層以及網管、安全模塊等)充分結合。自主能效預測、能效監控、能效評估與能效決策將是綠色通信設備最為重要的特征之一。通過全局或局部網絡狀態信息的獲取，綠色通信設備可進行有效的能效預測，在此基礎上通過能效決策協調整個通信過程進行高能效傳輸。
4 挑戰與展望
無線網絡能效的優化和評估受到了學術界和工業界的廣泛關注，并已經出現一些研究成果，但還存在很多尚未得到解決的技術挑戰以及實際網絡應用問題。
(1)混合業務下的能效評估
要降低通信網絡的能耗，關鍵是要建立相關關鍵技術的節能機制的評價指標。不同的研究內容，其能效測度也不盡相同，所以對應具體的研究內容，需具體分析其節能性的評價指標。混合業務下的能效評估測度需要考慮針對不同業務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)基于感知的能效優化方法
基于感知的能量優化控制技術具有重要的研究和應用價值。只有通過感知獲得更充分的傳輸條件和業務需求的信息，才能更有針對性地對無線網絡的能量進行優化控制，有效地利用網絡能量滿足業務需求。另外，獲取相關信息的過程本身也需要消耗能量，使用不同的系統開銷可以得到不同精度的感知結果。在考慮基于感知的能效優化方法時，需要同時考慮兩部分的能量消耗。
(3)能效監控和評估的協議設計
把能效監控和評估機制設計到協議中，并且與已有的協議模塊進行有機結合具有一定的挑戰性。既要達到較好的能效監控和評估效果以便做出準確的能效決策，又要對已有協議盡量少改動，并保證避免與協議中其他機制的沖突。
(4)無線傳輸與設備制造能效
更宏觀一點，可以將通信設備的綠色制造過程考慮在內。衡量通信設備在其壽命期內，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備制造過程的能耗。
(5)統一的無線網絡能效標準
目前，各個標準組織和企業各自提出了不同能效評價體系。建立統一的無線網絡能效行業標準，能使得各方面在無線網絡的節能上的努力具有一致的目標，避免無線網絡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 結束語
無線網絡能效已經受到越來越多的關注。無線網絡能效的優化和評估也將成為未來幾年內的研究重點。通過建立合理的無線網絡能效評估體系，并以此為衡量標準對能效進行優化，可大大降低無線網絡的能量消耗，實現無線網絡的綠色通信。
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