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。
(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。
(5)统一的无线网络能效标准
目前，各个标准组织和企业各自提出了不同能效评价体系。建立统一的无线网络能效行业标准，能使得各方面在无线网络的节能上的努力具有一致的目标，避免无线网络的不同模块或者无线信息传输过程的不同部分之间的冲突。
5 结束语
无线网络能效已经受到越来越多的关注。无线网络能效的优化和评估也将成为未来几年内的研究重点。通过建立合理的无线网络能效评估体系，并以此为衡量标准对能效进行优化，可大大降低无线网络的能量消耗，实现无线网络的绿色通信。
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王玮，浙江大学信息与电子工程学系讲师、博士；主要研究领域为认知无线电、绿色无线通信、协作通信、无线资源分配等；主持国家自然科学基金等多项科研项目，发表论文30余篇。
张朝阳，浙江大学浙江大学信息与电子工程学系教授、博士生导师；主要研究领域为无线通信、无线网络、宽带接入等；主持和参加国家“863/973”、国家科技重大专项和国家自然科学基金等项目10余项，发表SCI、EI论文100余篇，获授权国家发明专利12项。
余官定，浙江大学浙江大学信息与电子工程学系副教授、硕士生导师；主要研究领域为无线通信、无线网络和信息论；主持1项国家自然科学基金项目，作为主要参与人完成10余项科研项目，发表论文50余篇，获授权国家发明专利2项。