摘  要： 不斷增加的能源消耗和日益惡化的環境問題使得“綠色化”成為下一代網絡的一個重要發展方向。主要研究和討論了綠色無線通信系統在推進與實現過程中面臨的問題，總結了相關研究成果，并探討了下一代網絡“綠色化”的研究方向。
關鍵詞： 下一代網絡; 能量效率; 綠色技術

    信息與通信技術ICT(Information and Communication Technology)的爆炸式發展顯著增加了能源需求和二氧化碳排放，使得能源危機和全球變暖問題變得日益嚴重。參考文獻[1]指出，全球能源的3％被ICT基礎設施的運營所消耗，由其而引起的二氧化碳排放占全球二氧化碳排放量的2%，這一數量相當于全球飛機的二氧化碳排放量或全球汽車二氧化碳排放量的四分之一。甚至，移動運營商運營成本的一半都要用于能量消耗[2]。
    然而，目前在ICT領域，人們更加關心通信容量以及通信業務的多樣化和穩定性，而對能量效率卻缺少足夠的重視[3]，主要體現在：(1)以性能為目標來設計設備和系統，而不是以能量效率為目標。大多數的移動通信技術以吞吐量、QoS和可靠性等性能指標的最大化為目標，從不或者很少關注網絡設備的能量消耗。(2)除了高峰時間，其他時候網絡設備并不是滿負荷運行的，因此通常情況下所需能量遠低于最大可供能量。在這樣一個過度配置的情況下，功率不能根據網絡或流量的變化而進行自適應的調整。(3)大多數綠色通信技術以降低服務質量QoS(Quality-of-Service)換取能耗的降低。
    不斷增加的能源消耗和日益惡化的環境問題促使必須建立一個更節能的綠色無線通信系統。亟需一個新的顛覆性的策略和技術來解決能量有效性的各個問題，包括：(1)需要新的物理層技術來解決單天線和多天線無線通信系統中增加的復雜度和功效低的問題；(2)需要支持低能耗的先進的媒體接入控制MAC（Medium Access Control）協議和無線資源管理程序; (3)需要通過網絡路由和管理模式的徹底改變實現顯著的節能。以犧牲QoS來換取系統功耗的降低的方法并不可取[2]。
    本文主要研究和討論綠色無線通信系統在推進與實現過程中面臨的問題，以及下一代網絡“綠色化”過程中的一些非常有意義的研究課題和研究方向，如綠色4G網絡、協作通信、認知無線電、綠色移動傳感器網絡等綠色通信技術，移動網絡的云計算、“綠色化”和“服務質量”之間的折中，以及基于預測的綠色技術等綠色服務技術和綠色移動網絡中的價格機制等。
1 綠色通信技術
1.1 如何實現綠色4G網絡[3]
    在未來十年內，ICT的綠色化高度依賴于LTE-Advanced 和WiMAX 2這兩個下一代移動網絡標準協議的能效。然而，當前人們的關注點主要集中在頻譜效率和容量性能方面，對于節能問題則缺乏足夠的重視。
    為獲得高吞吐量，上述兩種技術都采用了多輸入多輸出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術，這意味著巨大的能量消耗，尤其在使用多用戶MIMO技術時，能量消耗問題更為嚴重。因此，在處理上的復雜度、嚴格信道同步帶來的能耗，以及根據設備移動性和戶外環境鏈路動態性進行信道表征帶來的能耗等問題上應給予足夠的重視。在MAC層，需要設計面向MIMO且能量有效的MAC層協議，通過自適應地調節天線數目達到可靠性水平與復用增益之間的平衡，同時減少幀開銷。最近出現的大型天線系統[4]是一種有數百個天線單元的擴展MIMO系統,其發射功率能隨著天線數目增加而減小，且天線直接指向用戶而不是以廣播的方式發射，因而每個天線單元消耗更少的能量，該設計極大地提高了移動網絡的能效。目前的當務之急是進行實際的多用戶大型天線系統的研究和試驗。
    當終端主機在小區邊緣漫游時，4G網絡支持站點內與站點間的多點協作通信來克服弱信號和小區間干擾。在小區邊緣時，終端主機與基站之間的通信總需要更高的功率。因此，需在保證QoS的前提下，設計高能效的多點協同通信算法。當終端主機從當前基站切換到更好的基站時需要一定的時間和能量來進行測距和關聯的工作。因此，無論是同構移動網絡還是異構移動網絡都需要更加高效和自適應的切換機制。
1.2 協作通信
    無線信道的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和QoS改善的主要原因之一。為克服無線通信網絡動態性和無線資源緊缺性的影響，并有效支持具有不同QoS要求的多樣化寬帶業務，必須尋求進一步擴大信道容量、改善通信質量的新技術。作為一種新的空間分集技術，協作分集通過多用戶之間共享天線和其他網絡資源的形式構造“虛擬多天線陣列”，并通過分布式處理產生協作來獲得一定的空間分集增益。在協作系統中，空閑的用戶(節點)充當源與目的端之間的中繼，接收端將直傳鏈路和中繼鏈路接收到的信號進行融合解碼。
    在協作通信方面,早期工作重點是中繼選擇策略。然而，隨著“綠色化”的進程，協作網絡的研究重點將轉為減小傳輸部分的復雜度、低傳輸量時的能量節省、高效的無線傳輸架構和協議、高效的基站電源管理等[5]。
    需指出的是，在一些實際環境中，隨著通信環境的變化，使用中繼有時反而會降低傳輸的質量。當使用中繼卻又沒有提升傳輸性能時，會白白消耗功率，增加溫室氣體。根據對無線傳感器網絡中的能量有效性和中繼節點配置問題的初步研究，能量有效性取決于多方面的因素，如路徑損耗指數、調制方式、信道衰落的程度、鏈路的數目（跳數）和信噪比的變化等[6-7]。參考文獻[5]定義了一個中繼優勢標準以研究中繼什么時候有優勢，實施該標準的好處是更加綠色。由于不是一直打開中繼，節約的電能和減少的溫室氣體遠超過一直使用中繼時優化組件和系統所獲得的效果。
1.3 認知無線電
    目前適宜無線通信的頻譜資源一方面十分稀缺，另一方面又浪費嚴重。其原因在于：靜態的頻譜分配體制與動態的頻譜利用方式之間不匹配，造成無線頻譜規劃緊張，而利用效率低下。認知無線電可在不影響主用戶通信的前提下，智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(即認知用戶)的可靠通信，從而實現頻譜資源共享，提高無線頻譜的利用率。認知無線電必須通過主動監測來保持對內部和外部無線電環境中的用戶行為和鏈路條件的感知，這勢必消耗大量的能量。認知無線電給移動運營商和用戶都帶來了機會和綠色效益，但是受到實際認知無線電硬件發展的限制，目前大多數工作停留在論文和仿真階段[3]。未來認知無線電三個主要的應用方向是對移動用戶的智能頻譜感知、針對QoS需求的動態頻譜分配以及在移動競爭條件下頻譜的可靠性管理。
1.4 綠色移動傳感器網絡[3]
    面向未來移動通信的異構環境，移動傳感器網絡和其他網絡系統(如移動蜂窩網絡)的集成將為用戶提供實時無縫的智能服務。在移動傳感網絡中，功耗問題將變得更加嚴峻。從數據壓縮融合、傳感配置、傳感可視化、判斷等角度來看，需要對能量感知、移動性感知、QoS需求以及配置成本等方面進行更深入的研究。特別地，針對氣候監測的綠色傳感網絡的大規模部署將大大有助于監測信息與通信技術和地球的綠色化。
2 綠色服務技術[1]
2.1移動網絡的云計算
    云計算通過有效的網絡通信將個人客戶端和企業級服務器的大部分計算轉移到遠處的云端(數據中心)。據預計，云計算將對綠色通信與信息技術ICT(Information and Communication Technology)產業作出重大貢獻，從而有效地減少全球碳排放。尤其是電力和計算能力有限的移動設備，受益于云計算的移動空間，將有越來越多的機遇和優勢，不僅能夠進行云存儲和云計算，也能得到無縫的移動服務。
    然而，實際分析表明，云服務在目前階段主要是針對存儲、處理和傳輸的性能，很少關注能源效率。Stratus作為一個基于云服務的原型，在能效方面尚有一系列技術亟待解決，例如將不定時發生的傳輸聚合在一起而進行的數據融合、非對稱的基于字典的壓縮算法、云選擇和云服務副本高效算法。在通信能耗和計算能耗的折中方面也將有更多的挑戰，例如計算需求和QoS需求的有效估計、為本地和云處理的自決定而進行的中間件能量感知、基于無線鏈路和用戶的動態自適應配置。
2.2 “綠色化”和“QoS”之間的折中
    現有的一些綠色方案，往往以犧牲QoS來換取系統功耗的降低，例如基于移動性的預測的節能方案，在最壞的情況下，預測失敗反而會導致性能的嚴重下降。所以綠色技術的發展必須全面綜合考慮網絡容量、能源消耗、合適的QoS等因素。在“綠色化”和“QoS”折中的研究方面，有如下幾個可能的研究方向：
    (1)異構網絡中的平衡：移動設備有不同的存儲容量、功耗限制和QoS需求。這種異構性使得設計一個綜合的支持QoS架構非常困難。
    (2) 配置和調度：各種服務的配置和準確的預測將有助于網絡系統進行有效的調度方法，提高能源利用效率和滿足用戶需求。基于管理的多重配置為移動網絡用戶提供高度的靈活性，為不同類型的用戶提供服務和不同的QoS需求。
    (3) 多無線電性能和QoS：設計多無線電終端主機的調度和優化時，QoS和用戶體驗的連續性不受到無線接入掃描和切換的影響。有效的解決方案仍在尋求中。
2.3 基于預測的綠色技術
    在實際的移動網絡中，許多不必要的行為消耗了大量的能量，如資源分配的過度供給、移動性繁忙時的路由失敗等。因此，基于人類活動性模型和移動模型進行業務動態性和用戶活動性的精確預測，將有效防止資源的浪費并有效提高移動設備的能效。例如,參考文獻[1]提到的集成WiMAX與WiFi網絡的切換方案,通過對網絡接口的適當預測智能地避免了不必要的切換并增加了連接的成功率，該預測通過對歷史切換方案的精確建模實現了節能。還有一些其他的能量感知調度算法，可通過位置和歷史模型進行信號預測,例如Bartendr算法。
    預測輔助下的綠色技術有望在將來得到廣泛應用。必須指出的是，該技術的實現有賴于對大量的地理和活動性信息的收集，這也將帶來更多的工業和能源消耗。怎樣克服預測失敗帶來的最差情況，如何減少實時預測和學習方式的計算復雜性，是未來面臨的挑戰。
3 綠色移動網絡中的價格機制

    綠色移動網絡中的一個更關鍵的問題是有效地定價機制。傳統的定價機制重點是服務帶寬和內容。因此，目前社會上還缺少一組具有代表性的綠色定價方案，只有少數相關的建議，如以補償為基礎的定價模型，該模型考慮了由于節約能量和移動虛擬網絡運營商的資源限制造成的QoS下降。
    在將來，研究人員必須慎重考慮有效的定價方案鼓勵移動網絡綠色化，從長遠的角度減少全球二氧化碳排放量。設計商用3G、后3G和4G移動網絡的固定和多跳方式的定價方案，以及基于認知無線的移動網絡定價方案十分重要。
    無線通信的飛速發展和用戶業務的快速增長，為無線通信網絡設計帶來了新的機遇和挑戰。未來的無線通信系統面臨的最大挑戰之一是限制電池供電設備的能量消耗。在“綠色通信”框架內，有待實現一場技術性的革新。本文針對下一代網絡的“綠色化”,探討了綠色無線通信系統在推進與實現過程中面臨的問題和研究方向。
參考文獻
[1] KARL H. An overview of energy efficient techniques for  mobile communication systems[C]. Technische University Berlin, 2003.
[2] RENZO M D, ALONSO L, FITZEK F H P. GREENET An early stage training network in enabling technologies for green radio[C].2011 IEEE 73rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 15-18 May 2011:1-5.
[3] Wang Xiaofei, VASILAKOS A V, Chen Min, et al. A survey of green mobile networks: opportunities and challenges[J]. Mobile Networks and Applications, 2012, 17(1):4-20.
[4] GreenTouch. GreenTouch demonstrates large-scale antennaimproving energy efficiency[EB/OL]. http://www.youtube.com/watch?v=U3euDDr0uvo. Accessed 5 Mar 2011
[5] BEAULIEU N C. To relay or not to relay in cooperative networks: that is the green question[EB/OL]. http://www.icctconf.org/ks.asp.
[6] 江若宜,季薇,鄭寶玉. 無線傳感器網絡中協作通信的能耗優化方法研究[J]. 電子與信息學報,2010,32(6):1475-1479.
[7] 季薇, 鄭寶玉. 基于能量有效性的協作節點配置問題研究[J].信號處理, 2011,27(3):321-327.