綠色通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路徑探究

梁勃

（長春工業(yè)大學(xué)，吉林 長春130012）

1 引言

近年來，隨著中國通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，中國的通信用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)量也在不斷增加，給人們的通信等帶來了極大的便利。但是隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，也增加了通信網(wǎng)絡(luò)運行中的能耗，這與目前提倡發(fā)展節(jié)能環(huán)保的低碳經(jīng)濟策略不符。這就需要針對目前蓬勃發(fā)展的通信行業(yè)，提高對其能耗的重視，通過節(jié)能降耗措施的應(yīng)用來推進(jìn)綠色通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

2 綠色通信網(wǎng)絡(luò)概述

由于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和運營過程中會表現(xiàn)出較高能耗的特點并產(chǎn)生污染環(huán)境的溫室氣體。為此提出了發(fā)展綠色通信網(wǎng)絡(luò)的策略，通過此種綠色通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來減少溫室氣體排放量，同時也盡量減少其運行中的能耗，并產(chǎn)生更多的效益。而從信息通信角度上分析，此種網(wǎng)絡(luò)則可以有效保證通信用戶的通信質(zhì)量，在滿足人們通信要求的同時，也盡量減少對網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。這在目前全球范圍內(nèi)發(fā)展低碳經(jīng)濟的過程中成為未來的必然發(fā)展趨勢之一。

此外，在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，也通常采取配置更多復(fù)雜鏈路的方式來提升網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性，應(yīng)對突發(fā)故障的出現(xiàn)，但是這也增加了資源消耗和浪費，無法實現(xiàn)對所有鏈路和設(shè)備的高效利用。

3 通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及存在的問題

目前的通信網(wǎng)絡(luò)主要通過無線和有線兩種網(wǎng)絡(luò)方式。對于前者來說，無線網(wǎng)絡(luò)運行中的能耗較高，而且在目前無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大的同時也增加了無線接入點和手持終端的數(shù)量，更是增加了其運行中的能耗。為此，可以通過構(gòu)建相關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞絹硖嵘芰康挠行裕蛘呤峭ㄟ^有效技術(shù)來重新分配資源，比如在設(shè)備上引入和應(yīng)用休眠技術(shù)，通過上述節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用來減少能量消耗。而對于后者，表現(xiàn)出有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心具有較低網(wǎng)絡(luò)資源利用率的特點。在運行中也主要分為閑置期和非閑置期兩種，在每日凌晨03：00—07：00 的閑置期中仍然表現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬于滿載的狀態(tài)。因此可以針對閑置期來整合網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置，降低能源消耗。具體地說，可以關(guān)閉閑置期內(nèi)的空閑設(shè)備，在需要時才開啟來減少其電能消耗。或者是對各類資源進(jìn)行優(yōu)化分配，在保證通信網(wǎng)絡(luò)可以正常運行的同時盡量減少資源消耗。

4 綠色通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路徑

4.1 無線網(wǎng)絡(luò)休眠技術(shù)的應(yīng)用

針對無線網(wǎng)絡(luò)運行中能耗較高的特點，可以通過在MAC 層次上對無線接入點進(jìn)行動態(tài)休眠。比較常用的SNMP 技術(shù)應(yīng)用中，首先要合理選擇休眠機制。為了確保無線網(wǎng)絡(luò)同步于一種機制，需要針對不同節(jié)點存在同時發(fā)出一致休眠機制的可能性，以及針對其中存在的多種不同休眠機制的特點，采取優(yōu)先級和時間戳的機制。或者是在邊界節(jié)點工作中應(yīng)用多種機制，提升新節(jié)點檢測工作的效率和準(zhǔn)確性，有利于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓Ｆ浯问侵芷谛孕菝吲c監(jiān)聽。通過此技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)出具有休眠的特征，實現(xiàn)對監(jiān)聽過程的優(yōu)化，減少其中不必要的監(jiān)聽，實現(xiàn)監(jiān)聽效率的提升以及不必要能耗的產(chǎn)生。也就是可以保證在需要上傳和下載數(shù)據(jù)時可以正常啟動，但是在沒有數(shù)據(jù)傳輸時則進(jìn)入休眠狀態(tài)，最大化降低閑置時期的設(shè)備功率和運行能耗。最后就是防止串音和碰撞的措施。為了防止此問題，可以通過特定機制的應(yīng)用，通過對物理層檢測信道信號的強弱來判斷信道是否空閑，比如通過檢測噪聲的方式來實現(xiàn)。通過SNMP 協(xié)議的應(yīng)用，可以實時觀測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌淖兓约案鱾€網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實時負(fù)載情況。可以準(zhǔn)確得出網(wǎng)絡(luò)運行的高峰時段和空閑時段，再通過一定的時間觀察和積累后，可以使空閑時段無人使用的無線接入點、管理交換機進(jìn)入到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能、降耗、減排的效果。在不影響網(wǎng)絡(luò)通訊的情況下，通過合理規(guī)劃、減少無線接入點等手段，不但節(jié)能，還可以有效延長設(shè)備使用壽命。

4.2 有線網(wǎng)絡(luò)休眠技術(shù)的應(yīng)用

由于鏈路利用率不會對能量消耗造成影響，而且鏈路能量也與實際流量無關(guān)，主要是受到鏈路設(shè)計容量的影響，這就可以通過將空閑鏈路關(guān)閉的方式來節(jié)省能量消耗。在應(yīng)用有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，針對其中的以太網(wǎng)技術(shù)，可以采取動態(tài)路由協(xié)議和動態(tài)帶寬分配來提升能源利用的效率。通過動態(tài)帶寬協(xié)議的應(yīng)用，可以在沒有數(shù)據(jù)包時進(jìn)入休眠或低能耗模式，同時又能保證有數(shù)據(jù)包傳輸時滿足其要求，實現(xiàn)設(shè)備能耗的減少。此外，由于相鄰路由器之間存在鏈路也會消耗能量，也可以通過將部分鏈路關(guān)閉的方式來降低能耗，也就是在數(shù)據(jù)傳輸需求較低的時候采取上述節(jié)能措施。與此同時，還需要通過線性優(yōu)化方法來保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。而通過啟發(fā)式算法則可以在降低大概70%能耗的同時來保證其正常運行，也是目前技術(shù)研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)操作人員比較常用的方法。

4.3 數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心是保證通信設(shè)備正常運行的關(guān)鍵，但是由于數(shù)據(jù)中心運行中也存在較為顯著的能耗問題，主要表現(xiàn)在其中存在大量的制冷設(shè)備、照明設(shè)備以及IT 設(shè)備在運行中的能耗較高。為此，可以在其中通過云計算、硬件優(yōu)化設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)計算以及虛擬化等節(jié)能方式來提升其節(jié)能效率。

4.4 分布式基站技術(shù)

此種技術(shù)就是利用分布式基站結(jié)構(gòu)，也就是基于基帶處理單元和射頻處理單元通過分布式方式進(jìn)行設(shè)計的結(jié)構(gòu)，在同一個機房中集中布置無線網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、基帶處理單元和核心網(wǎng)等，將上述2 個處理單元通過光纖進(jìn)行連接來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋的目的。通過此種基站結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基站地理空間利用率的提升，同時也實現(xiàn)基站配套設(shè)備運行能耗的降低。

4.5 配套能源系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)

通過對設(shè)備電源架構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，可以實現(xiàn)電源切換過程中功率損耗的降低，比如針對直流輸入設(shè)備，可以將高效率電源設(shè)計在板卡內(nèi)部，或者是針對交流輸入設(shè)備，通過AC/DC 電源的應(yīng)用，發(fā)揮其高效率的特點，實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換損耗的降低。

5 通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗案例分析

以建設(shè)分布式基站為例來分析綠色通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降耗效果，以某運營商結(jié)合本地情況所建立的分布式基站為例，通過分布式基站技術(shù)的應(yīng)用來開展自然村中移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。在此基站設(shè)計和建設(shè)方案中，所用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基站主要對無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，以減少基站數(shù)量。而且在此基站的機房中，通過中央控制器和溫濕度傳感器組成的測溫和測濕系統(tǒng)對通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)的啟停進(jìn)行控制。同時也將原有的高功率空調(diào)進(jìn)行替換，轉(zhuǎn)而使用通風(fēng)節(jié)能技術(shù)，通過通風(fēng)系統(tǒng)的自動啟動來將室外溫度更低的空氣引入室內(nèi)中，排出室內(nèi)空氣，降低室內(nèi)溫度。此外，也通過電源監(jiān)控單元芯片的應(yīng)用來智能處理整流模塊，采取休眠的方式來節(jié)省電能。在監(jiān)控系統(tǒng)中還連接著中央控制器和運營商的動力環(huán)境，實現(xiàn)對基站電源空調(diào)的遠(yuǎn)端自動控制。此分布式基站建設(shè)中所應(yīng)用的節(jié)能控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基站節(jié)能控制系統(tǒng)原理圖

將應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)的分布式基站與同期建設(shè)的自然村基站相比，二者之間的節(jié)能對比結(jié)果如表1 所示。

表1 基站節(jié)能對比分析

經(jīng)過表1 的對比可知，通過分布式技術(shù)所建設(shè)的基站可以節(jié)能40%以上，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。如果按照0.8元/kW·h 進(jìn)行計算，上述分布式基站的建立每年可以節(jié)省4 452 元的電費消耗。除此之外，通過分布式基站的建設(shè)還可以減少其運營過程中的維護(hù)費用，具有顯著的節(jié)能減排效果。

6 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展改變了人們的生活方式，實現(xiàn)了生活水平和質(zhì)量的提升。但是在發(fā)展和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的同時也表現(xiàn)出能耗較高以及嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為此，本文提出了發(fā)展綠色通信網(wǎng)絡(luò)的策略，通過多種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用來降低其運行能耗，推動中國通信網(wǎng)絡(luò)的良性循環(huán)、健康發(fā)展。