說到有線網(wǎng)絡(luò)，人們自然會想到那連接電腦的長長的"臍帶".你想挪個地方上網(wǎng)嗎？不行！"臍帶"太短，不能斷了網(wǎng)線！更難堪的是，你若是個火急火燎的性子，說不定哪天被網(wǎng)線跘個"狗吃屎"!也許連電腦也跟著受傷住院了。如今，有了無線網(wǎng)絡(luò)，一切的煩惱都迎刃而解了。任何無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，你只要憑借自己的上網(wǎng)帳戶即可隨時隨地自由地遨游在互聯(lián)網(wǎng)的世界里。在宿舍、在教室、在圖書館、在食堂，甚至在汽車里、在操場上，你都可以粘在網(wǎng)絡(luò)上。所謂空中教室、空中圖書館、空中聊天室，在無線網(wǎng)絡(luò)的世界里就是現(xiàn)實！無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著計算機技術(shù)的進步走到今天的。近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了巨大的進步。一方面，速率大大提高，可達千兆級。但"接入點的固定和有限"隨著"移動辦公"日益強烈的需求，有線接入難以為繼。同時，眾多局域網(wǎng)的互聯(lián)，使得布線遇到重重困難。無線局域網(wǎng)在這種情況下應(yīng)運而生，它所提供的"多點接入"、"點對點中繼"（即所謂的mesh技術(shù)）為用戶提供了一種替代有線的高速解決方案。可以說無線網(wǎng)絡(luò)的世紀已經(jīng)到來了。

通信行業(yè)的能量消耗包括信息傳輸能耗、設(shè)備制造能耗、機房溫度控制能耗等多個方面，而本文主要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度討論無線信息傳輸過程的能效。

1 無線網(wǎng)絡(luò)的能效測度

根據(jù)信息論可知，傳輸速率越低，則能量消耗越小。傳輸速率與能量消耗的關(guān)系如圖1所示。圖1中，達到C/2速率的能量消耗遠小于按速率C進行傳輸?shù)哪芰肯牡囊话搿Ｓ捎跇I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸有時延限制，所以傳輸不可能太慢。在業(yè)務(wù)時延要求滿足的前提下，用盡量低的速率進行傳輸可以獲得較高的能效。可以看出，存在傳輸性能和能量消耗之間的折衷平衡。要降低通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，首先要建立相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的節(jié)能機制的能效測度。

目前一些國際組織和企業(yè)已經(jīng)制訂了能效測度的定義和方法。國際節(jié)能測量和認證規(guī)程委員會制訂了國際節(jié)能效果測量和認證規(guī)程[2]（IPMVP），提出了節(jié)能量測定的基本方法和4類測量方案以及在具體操作時的常見問題。美國Verizon電信公司提出了一種通信設(shè)備能量效率評價體系[3]（TEEER），對通信過程的不同部分分別定義了對應(yīng)的測試方式和能效計算公式，包括信息傳輸、交換路由、用戶接入、功率放大器等。

已有的大部分能效測度都是針對無線傳輸進行設(shè)計，只考慮了無線網(wǎng)絡(luò)中的某部分的能效情況，而對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的效果無法得到合理的衡量。針對無線通信網(wǎng)絡(luò)的能效測度，考慮無線網(wǎng)絡(luò)的特點，在定義能效測度及其評價體系時可以考慮以下兩個方面：

（1）綠色通信的度量最終要與碳排放量相結(jié)合，而不能僅僅基于傳輸能耗，特別是當衡量整個系統(tǒng)、整個設(shè)備的綠色特性的場景下。事實上，單比特能耗與碳排放量并不是簡單的線性關(guān)系，不同形式的能量其碳排放量顯著地不同，所產(chǎn)生的效用也不同。在對整個無線網(wǎng)絡(luò)進行能效評估時，需要把直接與綠色程度相關(guān)的碳排放量與無線網(wǎng)絡(luò)的最終效用聯(lián)系起來。

（2）傳統(tǒng)的單比特能耗等直接度量在實際無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中存在很多的問題。比如與應(yīng)用的具體場景包括噪聲、負載等密切相關(guān)，很多通信算法和協(xié)議在低負載、低噪聲情況下效能高，另一些則剛好相反。因此，僅僅單比特能耗是不足以刻畫綠色的程度的，需要與負載有關(guān)的能效評價或者針對典型場景從統(tǒng)計意義上加以規(guī)范。通過與具體場景相結(jié)合來衡量在各種應(yīng)用情況下的能效，得到更具有實際意義的結(jié)果。

2 無線網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化方法

2.1 減少設(shè)備

在無線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量較小的情況下，可以減少或停止部分設(shè)備的使用，來降低能量的消耗。常見的優(yōu)化方法有關(guān)閉設(shè)備、轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)以及減少天線和載波等3種[4-5].

（1）基站設(shè)備關(guān)閉

當一個區(qū)域由多個小區(qū)覆蓋，而該區(qū)域的話務(wù)量又較低時，可以關(guān)閉覆蓋該區(qū)域的部分小區(qū)基站設(shè)備，而本來由其所服務(wù)的用戶可以切換到其他仍然活動的小區(qū)中。由于整個基站的設(shè)備都被關(guān)閉，因此這一方案可以獲得最大的節(jié)能效果。但是，這一方案的局限在于它僅僅適用于有重復(fù)覆蓋的區(qū)域，而各小區(qū)通常只是部分重復(fù)覆蓋。在部分重復(fù)覆蓋情況下，需要根據(jù)話務(wù)分布的情況，決定最優(yōu)的被關(guān)閉的小區(qū)，以避免因為基站設(shè)備關(guān)閉導(dǎo)致覆蓋空洞。基站設(shè)備關(guān)閉后，需要調(diào)整周圍基站的配置，對覆蓋空洞進行補償，另外還需要更新鄰區(qū)關(guān)系，以盡量減低用戶切換到其他小區(qū)的時延。

（2）轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)或采用延長非連續(xù)接收時間間隔的方法

當小區(qū)中沒有活動用戶時，可以轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)，只保持部分必要的通信。采用延長非連續(xù)接收（DRX）時間間隔的方法同樣可以減少傳輸?shù)膮⒖?a target="_blank">信號（RS）。DRX可以通過功率調(diào)整節(jié)省不需要傳輸RS時的能量，但是在這種情況下，用戶需要通過測量同步控制信道來補償由于RS減少導(dǎo)致的同步問題。這種方案通常只適用于沒有活動用戶的情況。

（3）減少配置天線和載波

在活動狀態(tài)下的基站天線端口數(shù)是固定的，用戶設(shè)備可通過讀取控制信息來監(jiān)測天線的數(shù)目信息。物理廣播信道（PBCH）的循環(huán)冗余碼校驗（CRC）比特是根據(jù)基站發(fā)射天線的配置來進行加密編碼的。如果基站在沒有通知用戶的情況下更改了天線的數(shù)目，用戶將無法準確接收必要的控制信息和數(shù)據(jù)信息，影響用戶的正常通信。

天線數(shù)目更改通知的一種合適方法是采用系統(tǒng)信息（SI）更改通知機制。天線的數(shù)目可以在下一個系統(tǒng)信息更改周期開始時進行更改。出于節(jié)能角度的考慮，天線的數(shù)目需要經(jīng)常改變，但這又會影響到用戶的某些配置參數(shù)。

在天線數(shù)目發(fā)生改變時，用戶應(yīng)立即重新進行相應(yīng)配置。然而，要實現(xiàn)天線數(shù)目改變和用戶參數(shù)重新配置之間的同步存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。若天線數(shù)目改變和用戶參數(shù)重新配置不同步進行，則會出現(xiàn)用戶無法解碼數(shù)據(jù)或信令的情況。為了解決不同步的情況，可以由用戶監(jiān)測到天線數(shù)目的變化時采用缺省的物理信道配置，這樣網(wǎng)絡(luò)就可以在此基礎(chǔ)上重新配置用戶的相應(yīng)參數(shù)，而不存在同步的問題了。

改變載波配置也可以采用類似的方法。通過基站進行SI更改通知或者用戶監(jiān)測配置變動兩種機制，在業(yè)務(wù)量較小時，可以停止部分載波上的傳輸來節(jié)省能量消耗。

2.2 能量有效的無線資源調(diào)度

通過無線資源調(diào)度提高能效已經(jīng)有比較充分的研究，歸納起來主要可以分為三大類：減少節(jié)點能耗、減少網(wǎng)絡(luò)能耗、減少傳輸信息。

為了減少節(jié)點能耗，文獻[6]提出了把網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點分為多個不相交的集合輪流進行休眠，并提出了分布式的實現(xiàn)方法。IEEE 802.15.4[7]首次把節(jié)點休眠機制寫入標準。TRAMA[8]和SERENA[9]是基于時隙的休眠機制。這兩種休眠機制按照業(yè)務(wù)情況調(diào)度節(jié)點進行休眠。

在路由選擇和資源調(diào)度方面，從網(wǎng)絡(luò)角度考慮解決能耗問題產(chǎn)生了一些研究成果。通過比較所有可能路由方式，文獻[10]中提出選擇能量消耗最小的路由并采用REAR算法[11]選擇剩余能量最多的路由；文獻[12]中綜合考慮了能量消耗和剩余能量兩個因素，提出合適的折衷算法；在文獻[13]中，提出了考慮電池特性的數(shù)據(jù)包傳輸調(diào)度算法。

減少傳輸信息主要有匯聚傳輸信息和避免無效傳輸兩個方面。匯聚傳輸信息的方法主要應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)典的數(shù)據(jù)匯聚方法LEACH[14]基于節(jié)點分簇來使數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點處進行匯聚，而MLDA]通過建立樹來確定數(shù)據(jù)的匯聚途徑。文獻[16]提出了通過建立連通支配集的方法來避免不必要的傳輸。

2.3 節(jié)點協(xié)作

在一定業(yè)務(wù)時延需求的約束下，節(jié)省能量的一條有效途徑是增加傳輸使用的無線資源，通過節(jié)點選取合適的可用信道，把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率分配到多個信道上，使得在單個信道上的傳輸速率較慢，以達到節(jié)省能量的目的。在可用的無線資源有限的情況下，可以采用節(jié)點之間協(xié)作的方法降低能量消耗。節(jié)點協(xié)作傳輸?shù)谋举|(zhì)其實是增加傳輸?shù)目捎觅Y源。利用這個特點，可以采用協(xié)作的方式來進行高能效傳輸。

節(jié)點之間主要有兩種形式的協(xié)作。一種是協(xié)作中繼，在采用協(xié)作中繼時，通常中繼節(jié)點離目的節(jié)點的位置相對源節(jié)點來說要更近。這樣，進行協(xié)作中繼相當于增加了一個質(zhì)量更好的信道共同進行傳輸。另一種是虛擬多天線技術(shù)（VMIMO）。由于移動終端設(shè)備受到尺寸或硬件復(fù)雜度的限制，往往只配置了單天線。為了提高傳輸效率和節(jié)省能耗，單天線節(jié)點在傳輸自己信息的同時，也能傳送所接收和檢測到的協(xié)作節(jié)點的信息，利用其他節(jié)點的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線。節(jié)點以最小化能量消耗為目標，選擇合適的一個或者多個協(xié)作節(jié)點，通過傳輸速率分配來達到負載均衡，降低能量消耗。值得注意的是，節(jié)點在活動狀態(tài)即使不傳輸數(shù)據(jù)也會因為常規(guī)信令交互以及設(shè)備電路產(chǎn)生固定的能量消耗。在這種情況下，顯然使用所有備選的協(xié)作節(jié)點不一定是最佳選擇。

3 無線網(wǎng)絡(luò)的能效監(jiān)控與評估機制

對無線網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的所有過程要進行能效監(jiān)控和評估，在通信系統(tǒng)各個設(shè)備節(jié)點，包括核心網(wǎng)、基站、中繼，甚至在終端上也同樣要進行能效監(jiān)控和評估，并通過適當?shù)男帕钣枰苑答仭?/p>

在無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分層架構(gòu)中適當?shù)卦黾幽苄ьA(yù)測、能效監(jiān)控和能效評估模塊，并使之與協(xié)議棧的其他各部分（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層以及網(wǎng)管、安全模塊等）充分結(jié)合。自主能效預(yù)測、能效監(jiān)控、能效評估與能效決策將是綠色通信設(shè)備最為重要的特征之一。通過全局或局部網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的獲取，綠色通信設(shè)備可進行有效的能效預(yù)測，在此基礎(chǔ)上通過能效決策協(xié)調(diào)整個通信過程進行高能效傳輸。

4 挑戰(zhàn)與展望

無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化和評估受到了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并已經(jīng)出現(xiàn)一些研究成果，但還存在很多尚未得到解決的技術(shù)挑戰(zhàn)以及實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題。

（1）混合業(yè)務(wù)下的能效評估

要降低通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，關(guān)鍵是要建立相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的節(jié)能機制的評價指標。不同的研究內(nèi)容，其能效測度也不盡相同，所以對應(yīng)具體的研究內(nèi)容，需具體分析其節(jié)能性的評價指標。混合業(yè)務(wù)下的能效評估測度需要考慮針對不同業(yè)務(wù)的能量使用效果以及能量消耗形式，提出合理的綜合性能效測度。

（2）基于感知的能效優(yōu)化方法

基于感知的能量優(yōu)化控制技術(shù)具有重要的研究和應(yīng)用價值。只有通過感知獲得更充分的傳輸條件和業(yè)務(wù)需求的信息，才能更有針對性地對無線網(wǎng)絡(luò)的能量進行優(yōu)化控制，有效地利用網(wǎng)絡(luò)能量滿足業(yè)務(wù)需求。另外，獲取相關(guān)信息的過程本身也需要消耗能量，使用不同的系統(tǒng)開銷可以得到不同精度的感知結(jié)果。在考慮基于感知的能效優(yōu)化方法時，需要同時考慮兩部分的能量消耗。

（3）能效監(jiān)控和評估的協(xié)議設(shè)計

把能效監(jiān)控和評估機制設(shè)計到協(xié)議中，并且與已有的協(xié)議模塊進行有機結(jié)合具有一定的挑戰(zhàn)性。既要達到較好的能效監(jiān)控和評估效果以便做出準確的能效決策，又要對已有協(xié)議盡量少改動，并保證避免與協(xié)議中其他機制的沖突。

（4）無線傳輸與設(shè)備制造能效

更宏觀一點，可以將通信設(shè)備的綠色制造過程考慮在內(nèi)。衡量通信設(shè)備在其壽命期內(nèi)，制造和使用過程總的綠色效益。值得注意的是，使通信性能更好的設(shè)備要求和制造方法也不一樣，可能需要更多的能量消耗，這樣就還需要綜合考慮無線傳輸過程的能耗和高性能設(shè)備制造過程的能耗。

（5）統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)能效標準

目前，各個標準組織和企業(yè)各自提出了不同能效評價體系。建立統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)能效行業(yè)標準，能使得各方面在無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能上的努力具有一致的目標，避免無線網(wǎng)絡(luò)的不同模塊或者無線信息傳輸過程的不同部分之間的沖突。

5 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)能效已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。無線網(wǎng)絡(luò)能效的優(yōu)化和評估也將成為未來幾年內(nèi)的研究重點。通過建立合理的無線網(wǎng)絡(luò)能效評估體系，并以此為衡量標準對能效進行優(yōu)化，可大大降低無線網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的綠色通信。