綠色通信：如何“笑”到最后

摘要：綠色通信的研究應從能量的“節流”和“開源”2個方向同時展開，其中節流最有效的手段來自網絡覆蓋層，即通過引入超蜂窩的網絡架構實現控制覆蓋與業務覆蓋的解耦，使得業務基站有更多的休眠機會，從而大幅度提高網絡的能量效率。開源的最有效手段是大量引入可再生能源，通過高效地利用可再生的能量降低電網的能耗，從而提高網絡整體的能量效率。無論采用哪種手段，其核心技術挑戰將是如何實現信息流與能量流的智能匹配，這既是未來綠色通信能夠“笑”（SMILE： Send More Information bits with Less Energy）到最后的關鍵，也催生出了一個全新的交叉學科領域，即能量信息學。

關鍵詞：綠色通信；可再生能量；能量信息學

各種信息技術，特別是遍布于地球各個角落的通信與網絡基礎設施，在經歷了幾十年高速發展之后都逐漸遇到了能耗的瓶頸，其快速增長的自身能耗也已演變為全球氣候變暖的元兇之一。以移動通信網絡為例，通過從1G到4G的技術進步已經使得網絡容量增長了100萬倍以上，各種豐富多彩的移動業務也已經大幅度地改變了人類的生活方式。但各種預測均顯示：隨著全息媒體和萬物互聯時代的到來，未來5～10年人們對移動網絡容量的需求仍將呈現指數增長的態勢，相應地，其自身的能耗瓶頸也會越來越凸顯。由此引出了一個非?；A性的科學問題：在頻譜與能量資源雙雙受限的情況下，如何進一步大幅度提高網絡容量？由于頻譜資源只能是越來越受限（盡管毫米波、太赫茲等高頻段可以提供更大的帶寬，但其巨大的傳輸損耗以及由此引發的頻繁越區切換將很大程度上抵消掉大帶寬所帶來的好處），上述問題則轉換為：如何能夠使用更少的能量來傳輸更多的信息，即我們如何才能“笑”（SMILE：Send More Information bits with Less Energy） 到最后？

如果我們繼續從移動通信的基礎理論，即香農公式出發，看上去是不可能的，因為香農公式告訴我們：要想提高傳輸容量，要么需要更大的帶寬或是更大的空間自由度，要么需要大幅度提高信噪比，即提高發射功率。由此可見：要想笑到最后，首先必須要跳出物理層的范疇，從網絡層或是系統層尋找解決方案。其中一個解決方案是改造目前的蜂窩網絡架構，通過控制覆蓋和業務覆蓋的邏輯分離與解耦，構建一個由永遠在線的控制覆蓋和按需部署的業務覆蓋構成的超蜂窩網絡新架構[1]，在保證蜂窩網絡無縫覆蓋和頻譜效率的同時，引入業務基站的動態休眠和資源調度，從而大幅度降低整體能耗。該解決方案的核心是能量的“節流”，即通過減少蜂窩網絡中的能量浪費來提高能量效率，解決了傳統蜂窩架構的綠色可持續發展問題。這是蜂窩網絡架構在過去40多年來的第一次重大轉變，并有望成為5G及其后續演進的關鍵技術。

另外一個解決方案則是源于能量“開源”的思路，通過引入能量收割技術，從而大幅度降低實際電網的能耗。能量收集技術是一種新興的綠色能源技術，它可直接把環境中的可再生能量，例如：風能、太陽能、機械能、電磁場輻射等直接轉化為電能，某種意義上來講是一種“取之不盡、用之不竭”的新能源。同時，隨著智能電網技術和電池儲能技術的飛速發展，可再生能量的存儲和利用效率大大提高，能量收集技術已步入實用階段，并逐步應用到了各種信息系統中，例如：傳感器網、蜂窩通信網等?？梢灶A見：未來信息系統的供電模式將日趨多樣化，甚至會出現完全依賴于可再生能量的自供電信息系統，這不僅可大幅降低信息系統對傳統電網的依賴，而且可以減少布線需求和運維成本。特別是針對基站超密集部署的超密集組網（UDN）和分布式多輸入多輸出（MIMO）移動通信系統，其廣泛部署的小基站或是天線前端很有可能無法或是難以直接連接到電網，需要完全依賴于可再生能源供電。

為了更好地用好可再生能量，必須要解決好能量供給隨機性的問題。在傳統電網供電的移動通信中，能量供給是穩定的，研究人員主要面對的是業務需求的隨機性和傳輸信道的隨機性問題；而在可再生能量供電的移動通信系統中，除了上述兩種隨機性之外，需要同時面對能量供給的隨機性。為此，我們需要擴展傳統綠色通信的內涵，即僅僅關注能量效率是遠遠不夠的，需要同時關注能量持續性指標。該指標包含能量中斷和能量溢出2個層面，前者意指雖有信息服務的需求但卻沒有足夠能量供給所導致的服務中斷現象，后者則指由于能量緩存容量的限制，雖有充足的能量供給但卻沒有相應的信息服務需求，從而導致的能量溢出現象。很顯然，這2種現象都是需要盡量避免的，即應該盡量做好能量流與信息流的實時匹配，從而在保證信息服務穩定性的前提下盡量提高可再生能量的利用率，這實際上是能量信息學的核心，也是可再生能量供給信息系統的核心挑戰所在。為此，我們需要回歸原點，從根本上思考一下能量與信息之間的理論關系。

眾所周知，宇宙是由物質、能量和信息3個基本要素組成的，其中物質是本源的存在，沒有物質，什么也不存在；能量是運動的存在，沒有能量，什么也不會發生；信息則是聯系的存在，沒有信息，任何事物都沒意義。經典牛頓力學的理論告訴我們：在封閉的物理世界中物質總量是守恒的，能量也是守恒的；愛因斯坦進一步揭示了物質與能量之間的理論關系，即物質與能量之間是可以相互轉換的，且總量守恒，即著名的物質能量守恒公式E=mC2。但能量和信息之間是否也可以相互轉換、且遵循某種守恒定律呢？這個問題迄今為止沒有任何明確的結論。

為了回答上述問題，我們需要重新思考一下信息與物質和能量的不同。根據維納和香農的定義，信息是對事物運動狀態或存在方式不確定性的描述，它與物質和能量有著本質的區別，即它可以在不損失任何信息的前提下被無限地復制，也就是說信息本身并不守恒。同時，最近已有實驗展示：信息與能量之間的確可以互相轉換，但應該不守恒，因為使用同樣的能量可以傳遞更多的信息比特（如使用多播或是廣播機制）；相反，在沒有傳輸任何信息比特的情況下也有可能消耗能量（如空轉的服務器）?？梢?，由于信息本身的不守恒特性導致了信息與能量轉換之間的非守恒特性，這實際上為進一步提高網絡的能量效率提供了理論依據，即我們的確可以使用更少的能量傳輸更多的信息比特，即SMILE是完全可行的。

那么究竟該如何笑（SMILE）到最后呢？基本上這是一個信息流如何與能量流更好地匹配的問題。一方面，我們可以讓能量流更好地去適配信息流，即在需要傳輸更多信息時分配更多的能量，反之則分配更少的能量。這在傳統電網供電的信息系統中是比較容易實現的，但在可再生能量供電的信息系統中將面臨巨大的挑戰。雖然可以通過調控能量緩存器的充放電來解決，但如何做到時間尺度的實時匹配以及空間維度的動態調度是問題的難點。另一方面，我們也可以讓信息流更好地去適配能量流，即能量供給比較充足時可以傳輸更多的信息，比如引入緩存與推送機制，通過對用戶需求的預測計算出用戶的潛在需求，在能量充足時進行推送或緩存。這可以形象地比喻為“將明天的工作放到今天來做：do tomorrows job today”；反之，在能量供給不足時則可以減少信息的傳遞，比如只提供最基本的信息服務，而推遲提供增強服務，直至能量變得更加充足，或是將任務卸載到一些能量充足的基站。這可以形象地比喻為“將今天的任務留給明天：do todays jobs tomorrow”[2]。

總之，綠色通信的研究應從能量的節流和開源2個方向同時展開，其中節流最有效的手段來自網絡覆蓋層，通過引入超蜂窩的網絡架構實現控制覆蓋與業務覆蓋的解耦，使得業務基站有更多的休眠機會，從而大幅度提高網絡的能量效率。而開源的最有效手段是大量引入可再生能源，通過高效地利用可再生的能量降低電網的能耗，從而提高網絡整體的能量效率。但無論采用上述哪種手段，其核心技術挑戰將是如何實現信息流與能量流的智能匹配，這既是未來綠色通信能夠笑（SMILE）到最后的關鍵，也催生出了一個全新的交叉學科領域，即能量信息學：Energy Informatics for Smart Interaction of Energy and Information（Einstein）。通過對能量與信息之間相互作用機理的深入研究，希望能夠建立起類似于愛因斯坦物質與能量轉換關系的理論，其核心可以概述為2個不等式，即Energy + Information < Energy和Information - Energy > Information，其中前者意指現有的能量系統（如交通、建筑、制造業等任何需要消耗能量的系統）如何通過引入更多的環境信息來使其更加節能；后者則意指現有的信息系統（如互聯網、移動通信等）如何以更少的能量傳遞更多的信息？這是本期?？哪康乃?，也是支撐我們能夠笑（SMILE）到最后的最基礎理論。

參考文獻

[1] 牛志升，鄭福春，楊晨陽，等. 基于超蜂窩架構的綠色通信?？幷甙碵J].中國科學：信息科學，2017，47（5）：527-528

[2] ZHOU S， GONG J， ZHOU Z Y， et al. GreenDelivery： Proactive Content Caching and Push with Energy-Harvesting-Based Small Cells [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（4）： 142-149. DOI：10.1109/mcom.2015.7081087