5G網絡下移動云計算節能措施研究

中國移動通信集團浙江有限公司 傅升紅

5G網絡的推廣和應用，不僅為人們帶來了更好的網絡使用體驗，也為移動云計算提供了更加優質、高效的載體和技術支持，對社會經濟的發展有著積極的推動作用，使得移動云計算逐漸成為了現如今較為熱門的話題之一，而如何降低移動云計算的能耗問題，不僅是實現綠色計算的關鍵環節之一，也是促進5G網絡和移動云計算進一步成熟的重要工作之一。

1 5G網絡的推廣對移動云計算能耗研究帶來的影響

1.1 對網絡設施通信主導系統方面的影響

這里所說的網絡設施和通信的主導系統主要是指5G技術，5G技術的出現主要是為了更好的滿足網絡用戶新需求，而5G技術的研發除了需要依靠部分被實現的高新技術以外，還包括對部分現有技術的改進與完善，比如，高頻段通信、云無線接入網、超密集異構網絡以及波束形成等技術手段，使得5G技術與現有網絡技術相比，不僅具有更高的頻譜效率、更快的傳輸速率以及更大的設備連接密度，還可以確保網絡用戶在高速移動過程中能夠更好的使用通信功能。

1.2 對移動云計算無線網絡服務模式方面的影響

現如今的云服務模式逐漸由傳統的集中式服務模式轉變為分散式服務模式，比如，動態微云以及霧計算等都屬于分散式服務模式的實際應用，而云服務模式的改變，也導致網絡通信能耗測量因素以及能耗計算方法出現了不同程度的變化。

1.3 對移動設備任務遷移方面的影響

移動設備是5G網絡以及移動云計算服務的重要參與對象之一，任務遷移則是分散式測控系統的關鍵技術之一，而移動計算卸載服務作為降低移動設備能耗的主要措施之一，也受到了5G網絡帶來的沖擊和影響，主要體現在5G技術不僅推動了無線異構網絡的進一步發展，也為移動設備提供了更多的蜂窩網絡高能效卸載算法。

1.4 對云服務中心相關資源供應及獲取方式的影響

云服務中心是實現移動云計算的核心組成之一，除了需要提供大數據存儲和管理服務以外，還需要根據移動云計算的實際需求，及時提供相關資源的獲取以及存儲服務，5G技術的應用可以為移動云計算的高效運行提供必要的載體和技術支持，而加強對5G環境下移動云計算節能措施的研究，對云服務中心運行效率的提升有著重要意義。

1.5 影響5G網絡下移動云計算節能優化的因素

目前，影響5G網絡下移動云計算節能優化的因素，主要是部分5G技術對多能源的需求和使用，比如，大規模MIMO技術作為5G技術的重要組成部分，在5G網絡頻譜效率的提升方面發揮著極其重要的作用，但大規模MIMO技術的實現需要設置大量的天線，然后借助天線陣列進行信號的發送和接收，從而達到提高用戶網絡使用體驗的目的。

2 5G網絡下網絡設施及通信的節能研究

2.1 5G無線傳輸技術節能研究

5G無線傳輸方面的節能研究，主要是借助大規模MIMO、波形設計技術、全雙工技術以及新型多載波等技術手段，提高5G無線傳輸的頻譜效率以及發展潛力。首先，大規模MIMO主要是遵循多天線多用戶空分這一技術理念，通過大規模的天線配置，構建出能夠在同一無線信道同時進行多數據信息發送及接受的網絡（如圖1），大規模MIMO網絡的優勢之處在于，無線網絡的數據速率更好、鏈路更加可靠，而且系統的抗干擾能力也更強，其研究方向主要是對信息傳輸以及獲取方法進行改進和優化；其次，全雙工技術主要是指在同一物理信道上進行兩個方向的信號傳輸，也就是實現數據發送和接受的同步進行，全雙工技術既可以提高頻譜使用靈活程度，也是提高頻譜效率的有效技術手段，其研究方向主要是干擾消除領域以及更好與現有技術進行結合應用等；第三，濾波器組多載波技術主要是對碼間干擾問題進行處理，其實現原理主要有頻域內濾波以及多相濾波網絡等幾個類型，也就是通過提升濾波器復雜度以及強化調制方式的限制等手段，降低帶外功率泄露并提高頻譜效率。

圖1 云服務中心能耗分布

2.2 5G無線網絡技術節能研究

首先，超密集異構網絡主要是由不同類型基站以及不同種類無線接入技術組合而成的網絡，超密集異構網絡的應用，既可以對原有蜂窩網絡進行補充，還可以提升無線頻譜的利用效率，對5G網絡頻譜性能的提升有著積極的促進作用，但是，超密集異構網絡在應用過程中也凸出了很多的問題，比如，不同覆蓋層次的網絡以及不同類型無線接入技術之間的相互干擾，無線回傳網絡的復雜程度出現明顯的增加，還有當移動設備在不同區間移動時可能出現因切換操作而引發的服務性能下降現象，仍然需要通過完善網絡動態部署技術等措施來解決這些問題；其次，自組織網絡技術主要由自組織存儲網、自組織計算網以及自組織傳感器網等技術構成，是一種高彈性、智能化、低成本的實時信息處理技術，可以用于解決5G網絡中無線回傳網絡結構較為復雜這一問題。

3 5G網絡下移動設備任務遷移的節能研究

對于5G網絡下移動設備任務遷移的節能研究，主要涉及到卸載服務模式、卸載策略以及卸載能耗測量模型等幾個方面，其研究內容則是5G網絡下移動云計算運行過程中可能產生能耗的因素，比如，移動設備與基站之間的通信等。在研究移動設備任務遷移能耗時，除了需要加強相關計算模式與算法的提高和完善，還需要考量到計算模式與5G網絡下移動云計算環境的適應程度，而5G網絡利用大規模異構網絡對傳統的蜂窩網絡進行補充，其優勢之處在于一方面可以顯著減少計算卸載以及無線訪問通道的傳輸能耗，另一方面還有助于移動設備更加便捷的找尋到接入點。

4 5G網絡下云服務中心節能研究

云服務中心是移動云計算的重要載體以及必要支持條件，主要是指分布在各個地區的數據中心。云服務中心除了會通過相關平臺以及軟件等形式為客戶提供服務以外，還包括硬件方面的業務，無形中大大增加了云服務中心的能耗問題，根據相關測評報告提供的數據，云服務中心能耗比例最大的是計算服務，占據了云服務中心能耗的半數以上，包括CPU運行能耗、外圍設備運行能耗以及主板運行能耗等，然后就是訪問交換、聚合交換以及內核交換等交換和通信能耗（如圖1）。云服務中心節能措施應從服務、網絡以及能源技術幾個方面入手，首先，云服務中心服務方面的節能措施，主要包括虛擬化技術的應用以及動態功率管理等，虛擬化技術應用是指利用虛擬機減少服務器上的硬件數量，不僅可以實現服務器資源的高效利用，還有助于減少服務器運行過程中的能耗；而動態功率管理一方面需要根據服務器的運行狀況進行模式調節，比如，當服務器處于非活躍狀態時可以將其轉換為休眠模式，另一方面則需要根據當前服務器負載情況對CPU功率進行合理調控。其次，云服務中心網絡方面的節能措施，主要包括自適應鏈接設置、虛擬網絡嵌入以及網絡模式設置等，自適應鏈接設置主要是通過動態設置鏈路數據速率等方式降低鏈路能耗，而虛擬網絡嵌入則是通過相應的算法在部分設施上設置虛擬網絡資源，并將空閑的網絡資源轉換為休眠狀態，從而達到降低網絡能耗的目的。

總結：總而言之，隨著5G網絡的普及以及移動云計算用戶數量的不斷增長，對移動云計算的研究也越來越全面、深入，而節能降耗作為關系到5G網絡下移動云計算持續發展的關鍵要素之一，對其進行的研究工作也從未停止，相關研究人員除了需要從網絡設施和通信、移動設備以及云服務中心軟硬件等相關方面對移動云計算節能措施以及能效保護技術進行研究和完善以外，還需要考量到5G技術帶來的智能性、功能性擴展，以及5G技術的發展需要和用戶良好體驗需求。