浅谈无线网络能效的优化与评估

浅谈无线网络能效的优化与评估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展了讨论，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。在能效测度模型的根底上，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参加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展了展望。绿色通信；无线网络；能效测度；能效优化[Abstrat]:Thispaperdisussesetrisandevaluatinethdsfrenergyeffiienyinirelessnetrks.Itisprpsedthatarbneissinsarethestandardfreasuringenergyeffiieny,andenergyeffiienyisevaluatedardingtdifferentnetrklads.Usingtheetridel,severalethdsareavailablefrreduingenergynsuptin,inludingdereasingequipentusage,radiresuresheduling,andndeperatin.nitringandevaluatingenergyeffiienyshuldalsbeaddedtirelessnetrkprtlsasanextradule.Tehnialhallengesassiatedithptiizingandevaluatingenergyeffiienyaredisussedinnlusin.greenuniatins;irelessnetrks;energyeffiienyetri;energyeffiienyptiizatin随着无线通信技术的飞速开展，通信网与互联网的日益交融，挪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，在通信日渐深化人们生活，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本钱大有裨益，同时可以减少对能源的消耗，实现可持续开展。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，那么能量消耗越校传输速率与能量消耗的关系如图1所示。图1中，到达/2速率的能量消耗远小于按速率进展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，用尽量低的速率进展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](IPVP)，提出了节能量测定的根本方法和4类测量方案以及在详细操作时的常见问题。美国Verizn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展设计，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展能效评估时，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络起来。(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。比方与应用的详细场景包括噪声、负载等亲密相关，很多通信算法和协议在低负载、低噪声情况下效能高，另一些那么刚好相反。因此，仅仅单比特能耗是缺乏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标准。通过与详细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，可以减少或停顿部分设备的使用，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，而本来由其所效劳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，以防止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，对覆盖空洞进展补偿，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。物理播送信道(PBH)的循环冗余码校验(R)比特是根据基站发射天线的配置来进展加密编码的。假如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适宜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场时进展更改。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。论文联盟.ll.在天线数目发生改变时，用户应立即重新进展相应配置。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。假设天线数目改变和用户参数重新配置不同步进展，那么会出现用户无法解码数据或信令的情况。为理解决不同步的情况，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根底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。通过基站进展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，可以停顿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进步能效已经有比拟充分的研究，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展休眠，并提出了分布式的实现方法。IEEE802.15.4[7]首次把节点休眠机制写入标准。TRAA[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展休眠。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。通过比拟所有可能路由方式，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，提出适宜的折衷算法；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会聚传输信息和防止无效传输两个方面。会聚传输信息的方法主要应用在无线传感器网络中。经典的数据会聚方法LEAH[14]基于节点分簇来使数据在簇头节点处进展会聚，而LDA[15]通过建立树来确定数据的会聚途径。文献[16]提出了通过建立连通支配集的方法来防止不必要的传输。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，通过节点选取适宜的可用信道，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，以到达节省能量的目的。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展高能效传输。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，进展协作中继相当于增加了一个质量更好的信道共同进展传输。另一种是虚拟多天线技术(VI)。由于挪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。为了进步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的，选择适宜的一个或者多个协作节点，通过传输速率分配来到达负载平衡，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正确选择。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展能效监控和评估，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展能效监控和评估，并通过适当的信令予以反溃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、平安模块等)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。通过全局或部分网络状态信息的获取，绿色通信设备可进展有效的能效预测，在此根底上通过能效决策协调整个通信过程进展高能效传输。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，其能效测度也不尽一样，所以对应详细的研究内容，需详细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展优化控制，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展有机结合具有一定的挑战性。既要到达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，并保证防止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的，防止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完毕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将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展优化，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。6参考文献[1]UDANIS,SITHJ.Peranageentinbileputing(asurvey)[R].Philadelphia,PA,USA:UniversityfPennsylvania,1996.[2]IPVPittee.InternatinalPerfraneeasureentandVerifiatinPrtl(IPVP)[S].2022.[3]VZ-TPR-9207.VeriznNEBSpliane:TEEERetriQ