无线网络能效的优化与评估

(3)减少配置天线和载波

在活动状态下的基站天线端口数是固定的，用户设备可通过读取控制信息来监测天线的数目信息。物理广播信道(PBCH)的循环冗余码校验(CRC)比特是根据基站发射天线的配置来进行加密编码的。如果基站在没有通知用户的情况下更改了天线的数目，用户将无法准确接收必要的控制信息和数据信息，影响用户的正常通信。

天线数目更改通知的一种合适方法是采用系统信息(SI)更改通知机制。天线的数目可以在下一个系统信息更改周期开始时进行更改。出于节能角度的考虑，天线的数目需要经常改变，但这又会影响到用户的某些配置参数。

在天线数目发生改变时，用户应立即重新进行相应配置。然而，要实现天线数目改变和用户参数重新配置之间的同步存在一些技术挑战。若天线数目改变和用户参数重新配置不同步进行，则会出现用户无法解码数据或信令的情况。为了解决不同步的情况，可以由用户监测到天线数目的变化时采用缺省的物理信道配置，这样网络就可以在此基础上重新配置用户的相应参数，而不存在同步的问题了。

改变载波配置也可以采用类似的方法。通过基站进行SI更改通知或者用户监测配置变动两种机制，在业务量较小时，可以停止部分载波上的传输来节省能量消耗。

2.2 能量有效的无线资源调度

通过无线资源调度提高能效已经有比较充分的研究，归纳起来主要可以分为三大类：减少节点能耗、减少网络能耗、减少传输信息。

为了减少节点能耗，文献[6]提出了把网络中所有节点分为多个不相交的集合轮流进行休眠，并提出了分布式的实现方法。IEEE 802.15.4[7]首次把节点休眠机制写入标准。TRAMA[8]和SERENA[9]是基于时隙的休眠机制。这两种休眠机制按照业务情况调度节点进行休眠。

在路由选择和资源调度方面，从网络角度考虑解决能耗问题产生了一些研究成果。通过比较所有可能路由方式，文献[10]中提出选择能量消耗最小的路由并采用REAR算法[11]选择剩余能量最多的路由；文献[12]中综合考虑了能量消耗和剩余能量两个因素，提出合适的折衷算法；在文献[13]中，提出了考虑电池特性的数据包传输调度算法。

减少传输信息主要有汇聚传输信息和避免无效传输两个方面。汇聚传输信息的方法主要应用在无线传感器网络中。经典的数据汇聚方法LEACH[14]基于节点分簇来使数据在簇头节点处进行汇聚，而MLDA[15]通过建立树来确定数据的汇聚途径。文献[16]提出了通过建立连通支配集的方法来避免不必要的传输。

2.3 节点协作

在一定业务时延需求的约束下，节省能量的一条有效途径是增加传输使用的无线资源，通过节点选取合适的可用信道，把要传输的数据速率分配到多个信道上，使得在单个信道上的传输速率较慢，以达到节省能量的目的。在可用的无线资源有限的情况下，可以采用节点之间协作的方法降低能量消耗。节点协作传输的本质其实是增加传输的可用资源。利用这个特点，可以采用协作的方式来进行高能效传输。

节点之间主要有两种形式的协作。一种是协作中继，在采用协作中继时，通常中继节点离目的节点的位置相对源节点来说要更近。这样，进行协作中继相当于增加了一个质量更好的信道共同进行传输。另一种是虚拟多天线技术(VMIMO)。由于移动终端设备受到尺寸或硬件复杂度的限制，往往只配置了单天线。为了提高传输效率和节省能耗，单天线节点在传输自己信息的同时，也能传送所接收和检测到的协作节点的信息，利用其他节点的天线与自身天线构成多发射天线。节点以最小化能量消耗为目标，选择合适的一个或者多个协作节点，通过传输速率分配来达到负载均衡，降低能量消耗。值得注意的是，节点在活动状态即使不传输数据也会因为常规信令交互以及设备电路产生固定的能量消耗。在这种情况下，显然使用所有备选的协作节点不一定是最佳选择。

3 无线网络的能效监控与评估机制

对无线网络传递信息的所有过程要进行能效监控和评估，在通信系统各个设备节点，包括核心网、基站、中继，甚至在终端上也同样要进行能效监控和评估，并通过适当的信令予以反馈。

在无线网络通信协议分层架构中适当地增加能效预测、能效监控和能效评估模块，并使之与协议栈的其他各部分(应用层、网络层、数据链路层和物理层以及网管、安全模块等)充分结合。自主能效预测、能效监控、能效评估与能效决策将是绿色通信设备最为重要的特征之一。通过全局或局部网络状态信息的获取，绿色通信设备可进行有效的能效预测，在此基础上通过能效决策协调整个通信过程进行高能效传输。

4 挑战与展望

无线网络能效的优化和评估受到了学术界和工业界的广泛关注，并已经出现一些研究成果，但还存在很多尚未得到解决的技术挑战以及实际网络应用问题。

(1)混合业务下的能效评估

要降低通信网络的能耗，关键是要建立相关关键技术的节能机制的评价指标。不同的研究内容，其能效测度也不尽相同，所以对应具体的研究内容，需具体分析其节能性的评价指标。混合业务下的能效评估测度需要考虑针对不同业务的能量使用效果以及能量消耗形式，提出合理的综合性能效测度。

(2)基于感知的能效优化方法

基于感知的能量优化控制技术具有重要的研究和应用价值。只有通过感知获得更充分的传输条件和业务需求的信息，才能更有针对性地对无线网络的能量进行优化控制，有效地利用网络能量满足业务需求。另外，获取相关信息的过程本身也需要消耗能量，使用不同的系统开销可以得到不同精度的感知结果。在考虑基于感知的能效优化方法时，需要同时考虑两部分的能量消耗。

(3)能效监控和评估的协议设计

把能效监控和评估机制设计到协议中，并且与已有的协议模块进行有机结合具有一定的挑战性。既要达到较好的能效监控和评估效果以便做出准确的能效决策，又要对已有协议尽量少改动，并保证避免与协议中其他机制的冲突。

(4)无线传输与设备制造能效

更宏观一点，可以将通信设备的绿色制造过程考虑在内。衡量通信设备在其寿命期内，制造和使用过程总的绿色效益。值得注意的是，使通信性能更好的设备要求和制造方法也不一样，可能需要更多的能量消耗，这样就还需要综合考虑无线传输过程的能耗和高性能设备制造过程的能耗。

作者：王玮　张朝阳　余官定   来源：中兴通讯技术——2010年 第6期