无线网络能效的优化与评估

摘要:文章从能效测度入手，对已有的无线网络能效测度评价体系进行了讨论，并提出以碳排放量为标准和与网络负载相结合的能效测度模型。在能效测度模型的基础上，文章提出减少设备使用、无线资源调度、节点协作等一系列无线网络能效优化方法，并建议在无线网络协议架构中加入能效监控和能效评估模块。文章还对无线网络能效优化和评估方法中存在的技术挑战进行了展望。

关键字:绿色通信；无线网络；能效测度；能效优化

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.

英文关键字:green communications; wireless networks; energy efficiency metric; energy efficiency optimization

基金项目：国家重点基础研究发展("973")规划(2009CB320405)；国家自然科学基金(61001098、60972057、60972058、60802012)

随着无线通信技术的飞速发展，通信网与互联网的日益融合，移动互联网将向用户提供个性化的多种业务，很大程度上改变人们的生活习惯。但是，在通信日渐深入人们生活，网络规模不断扩张的同时，无线通信与环境的不和谐也日益明显，并越来越引起人们的关注[1]。绿色通信必将引起通信技术的一次革命。降低通信行业的能耗，不仅仅对行业自身降低成本大有裨益，同时能够减少对能源的消耗，实现可持续发展。
通信行业的能量消耗包括信息传输能耗、设备制造能耗、机房温度控制能耗等多个方面，而本文主要从整个网络的角度讨论无线信息传输过程的能效。

1 无线网络的能效测度

根据信息论可知，传输速率越低，则能量消耗越小。传输速率与能量消耗的关系如图1所示。图1中，达到C/2速率的能量消耗远小于按速率C进行传输的能量消耗的一半。由于业务数据传输有时延限制，所以传输不可能太慢。在业务时延要求满足的前提下，用尽量低的速率进行传输可以获得较高的能效。可以看出，存在传输性能和能量消耗之间的折衷平衡。要降低通信网络的能耗，首先要建立相关关键技术的节能机制的能效测度。

目前一些国际组织和企业已经制订了能效测度的定义和方法。国际节能测量和认证规程委员会制订了国际节能效果测量和认证规程[2](IPMVP)，提出了节能量测定的基本方法和4类测量方案以及在具体操作时的常见问题。美国Verizon电信公司提出了一种通信设备能量效率评价体系[3](TEEER)，对通信过程的不同部分分别定义了对应的测试方式和能效计算公式，包括信息传输、交换路由、用户接入、功率放大器等。

已有的大部分能效测度都是针对无线传输进行设计，只考虑了无线网络中的某部分的能效情况，而对不同网络环境下的效果无法得到合理的衡量。针对无线通信网络的能效测度，考虑无线网络的特点，在定义能效测度及其评价体系时可以考虑以下两个方面：

(1)绿色通信的度量最终要与碳排放量相结合，而不能仅仅基于传输能耗，特别是当衡量整个系统、整个设备的绿色特性的场景下。事实上，单比特能耗与碳排放量并不是简单的线性关系，不同形式的能量来源其碳排放量显著地不同，所产生的效用也不同。在对整个无线网络进行能效评估时，需要把直接与绿色程度相关的碳排放量与无线网络的最终效用联系起来。

(2)传统的单比特能耗等直接度量在实际无线网络的应用中存在很多的问题。比如与应用的具体场景包括噪声、负载等密切相关，很多通信算法和协议在低负载、低噪声情况下效能高，另一些则刚好相反。因此，仅仅单比特能耗是不足以刻画绿色的程度的，需要与负载有关的能效评价或者针对典型场景从统计意义上加以规范。通过与具体场景相结合来衡量在各种应用情况下的能效，得到更具有实际意义的结果。

2 无线网络能效优化方法

2.1 减少设备

在无线网络中业务量较小的情况下，可以减少或停止部分设备的使用，来降低能量的消耗。常见的优化方法有关闭设备、转入空闲状态以及减少天线和载波等3种[4-5]。

(1)基站设备关闭

当一个区域由多个小区覆盖，而该区域的话务量又较低时，可以关闭覆盖该区域的部分小区基站设备，而本来由其所服务的用户可以切换到其他仍然活动的小区中。由于整个基站的设备都被关闭，因此这一方案可以获得最大的节能效果。但是，这一方案的局限在于它仅仅适用于有重复覆盖的区域，而各小区通常只是部分重复覆盖。在部分重复覆盖情况下，需要根据话务分布的情况，决定最优的被关闭的小区，以避免因为基站设备关闭导致覆盖空洞。基站设备关闭后，需要调整周围基站的配置，对覆盖空洞进行补偿，另外还需要更新邻区关系，以尽量减低用户切换到其他小区的时延。

(2)转入空闲状态或采用延长非连续接收时间间隔的方法

当小区中没有活动用户时，可以转入到空闲状态，只保持部分必要的通信。采用延长非连续接收(DRX)时间间隔的方法同样可以减少传输的参考信号(RS)。DRX可以通过功率调整节省不需要传输RS时的能量，但是在这种情况下，用户需要通过测量同步控制信道来补偿由于RS减少导致的同步问题。这种方案通常只适用于没有活动用户的情况。

作者：王玮　张朝阳　余官定   来源：中兴通讯技术——2010年 第6期