綠色物聯(lián)網(wǎng):需求、發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)*

張 興，黃 宇，王文博

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)線信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（WSPN）北京 100876）

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)近年得到政產(chǎn)學(xué)研用社會(huì)各界的極大關(guān)注，美國(guó)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測(cè)[1]，到2020年，全球物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30∶1，因此物聯(lián)網(wǎng)被稱為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的通信業(yè)務(wù)。自1999年美國(guó)移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議提出物聯(lián)網(wǎng)的概念以來，物聯(lián)網(wǎng)的研究已經(jīng)經(jīng)過了十幾個(gè)年頭。2009年8月7日，國(guó)務(wù)院總理溫家寶在視察中國(guó)科學(xué)研究院嘉興無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心無(wú)錫研發(fā)分中心時(shí)，提出“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”，并且明確要求盡快建立我國(guó)的傳感信息中心，稱為“感知中國(guó)”。在關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)注意到，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的能耗問題日益突出，綠色物聯(lián)網(wǎng)的需求越來越迫切。為了避免以往“先發(fā)展，后治理”的錯(cuò)誤行業(yè)誤區(qū)，適應(yīng)“綠色通信”的發(fā)展趨勢(shì)，減小通信行業(yè)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力，在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，提前做好綠色物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究工作，對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)未來的健康發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

綠色物聯(lián)網(wǎng)，一般指節(jié)能減排，減少環(huán)境污染、資源浪費(fèi)以及對(duì)人體和環(huán)境有危害的新一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行改造、優(yōu)化并引入新技術(shù)，以達(dá)到降低能耗的目的，最終實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)的綠色發(fā)展需求

作為最大的發(fā)展中國(guó)家以及第二大能源消費(fèi)國(guó)，并且從目前情況來看，通信行業(yè)已經(jīng)成為耗電大戶，排在全國(guó)各行業(yè)的第12位[2]。巨額的用電成本不僅阻礙了行業(yè)的發(fā)展，也意味著碳排放量的大幅度升高。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，除包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之外，還包括無(wú)線/有線接入網(wǎng)、IP核心網(wǎng)以及大型計(jì)算處理管理平臺(tái)，幾乎包含ICT產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模所帶來的電力消耗使其成為限制ICT產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的最大瓶頸；同時(shí)受到物聯(lián)網(wǎng)自身特點(diǎn)的限制，其發(fā)展也非常依賴低功耗、高能效的綠色技術(shù)的研究與應(yīng)用。所以做好物聯(lián)網(wǎng)“綠化”工作，既是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求，也是自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

近年來信息產(chǎn)業(yè)與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步結(jié)合，估計(jì)在不遠(yuǎn)的未來，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求將有大幅度的增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。按照現(xiàn)有模式，業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)將進(jìn)一步帶動(dòng)能耗的指數(shù)式增加，從而給我國(guó)的節(jié)能減排工作帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，綠色物聯(lián)網(wǎng)勢(shì)在必行。因此，需要以低能耗、高能效技術(shù)為主導(dǎo)建設(shè)全新的綠色物聯(lián)網(wǎng)，使得物聯(lián)網(wǎng)能夠沿著高能效、低排放的趨勢(shì)發(fā)展。

3 綠色物聯(lián)網(wǎng)的必要性

從部署來看，龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要求物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)一定要從“重建”過渡到“重構(gòu)”上來，即最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，盡量避免重復(fù)建設(shè)；從運(yùn)營(yíng)成本來看，除了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷外，巨額的耗電量對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)來說也是一個(gè)亟待解決的問題；從物聯(lián)網(wǎng)自身特點(diǎn)來看，開展綠色技術(shù)研究不僅可以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，同時(shí)可以擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。

物聯(lián)網(wǎng)涉及ICT產(chǎn)業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域，從底層的傳感器網(wǎng)絡(luò)到接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，再到計(jì)算管理平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，包括基站、服務(wù)器等在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施眾多，如果完全按照物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，除了需要巨額的資金成本，也會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。另一方面，已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施利用率相對(duì)較低，還有很大的利用空間，以中國(guó)移動(dòng)的基站利用率為例，其蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的工作日典型基站流量分布如圖1所示[3]，在某些特定的時(shí)段，基站利用率很低，還有很大的挖掘空間。所以如何充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，并在此基礎(chǔ)上采用新的管理方式使其符合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求是關(guān)系到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的“綠色化”將極大地推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

除了基本的維護(hù)成本外，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)來說，很重要的一項(xiàng)運(yùn)維開支就是電力支出。以中國(guó)移動(dòng)的電力支出為例，其電力支出增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖2所示，電力成本呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，這不僅意味著需要巨大的運(yùn)行成本，也帶來了大量的碳排放。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)量將是現(xiàn)有業(yè)務(wù)量的數(shù)十倍，按照現(xiàn)在的趨勢(shì)，接入網(wǎng)這一部分的耗電量和所帶來的碳排放量都將是難以承受的，再結(jié)合有線接入網(wǎng)、核心承載網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算處理過程的耗電量，物聯(lián)網(wǎng)將成為用電和碳排放的“無(wú)底洞”。

巨額的電力支出將嚴(yán)重制約物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模商用，也必將制約物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，所以研究物聯(lián)網(wǎng)綠色理論以減小網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量消耗，進(jìn)而減小運(yùn)營(yíng)成本，將使物聯(lián)網(wǎng)更具應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1 蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的工作日典型基站流量分布

圖2 中國(guó)移動(dòng)電力支出增長(zhǎng)趨勢(shì)

4 現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)中的能耗來源

解決物聯(lián)網(wǎng)的整體能耗問題，需要從物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)出發(fā)，找到物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)效功耗的來源，從而有針對(duì)性地展開物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展。按照功能可將物聯(lián)網(wǎng)分為3層:感知傳感層、網(wǎng)絡(luò)接入與承載層、計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層。

4.1 感知傳感層

感知傳感層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，包含大量的信息生成設(shè)備，是物聯(lián)網(wǎng)中耗能最多的部分。根據(jù)信息的流動(dòng)方向，可以分為信息生成和信息匯聚兩個(gè)過程。

在信息生成過程中，能量損失主要來自3個(gè)模塊:傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊上。圖3為Deborah Estrin在ACM MobiCom 2002會(huì)議的特邀報(bào)告[4]中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的能量消耗情況。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊的能量消耗情況

傳感信息匯聚的過程是將感知信息由信息生成節(jié)點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)的過程。無(wú)效功耗主要來自不合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和低效的路由算法。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)來說具有非常重要的作用，它們從邏輯上構(gòu)建整體網(wǎng)絡(luò)的框架，使數(shù)據(jù)分組在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)多跳傳輸。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)有特點(diǎn)使其有別于傳統(tǒng)的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò):無(wú)線鏈路的隨機(jī)特性嚴(yán)重影響了通信的可靠性，單一節(jié)點(diǎn)有限的計(jì)算能力和能源支持使得合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和低能耗、高能效的路由算法顯得尤為重要。

4.2 網(wǎng)絡(luò)接入與承載層

本層連接感知傳感層和計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層，負(fù)責(zé)傳遞上下層數(shù)據(jù)。按照信息的流向，本層可以分為泛在接入和核心承載兩部分。其中，泛在接入網(wǎng)主要包括無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)網(wǎng)以及有線接入網(wǎng)等，是連接傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與核心傳輸網(wǎng)的通道；核心承載網(wǎng)包括IP核心傳輸網(wǎng)部分，負(fù)責(zé)傳感信息的遠(yuǎn)距離傳輸。

泛在接入涉及的技術(shù)眾多，能耗分布也相對(duì)分散，從整體上可以分為兩類:無(wú)線接入網(wǎng)和有線接入網(wǎng)。從目前的研究[5]來看，無(wú)線接入網(wǎng)的能耗主要來自種類繁多的基站，包括宏小區(qū)基站、微小區(qū)基站、皮小區(qū)基站和家庭基站等，在整體網(wǎng)絡(luò)能耗中，基站能耗占80%，比較固定的功率放大器和配套設(shè)備部分占70%左右。也就是說，即使沒有任何業(yè)務(wù)需求，基站也會(huì)消耗大量能量，是無(wú)線接入網(wǎng)能耗的主要部分。在有線接入網(wǎng)中，能耗主要來自數(shù)量眾多的接入設(shè)備，包括交換機(jī)和集線器等。雖然單個(gè)接入設(shè)備的能耗較低，但由于接入設(shè)備數(shù)目眾多，因此在整個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)的能耗中，接入設(shè)備的能耗占70%。與無(wú)線接入網(wǎng)類似，這部分的無(wú)效能耗也主要來自設(shè)備的空轉(zhuǎn)，即為維持實(shí)時(shí)接入特性，在業(yè)務(wù)量需求相對(duì)較低的情況下，為保持設(shè)備的正常運(yùn)行，造成了大量的能量浪費(fèi)。

傳輸承載是指通過IP核心網(wǎng)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其能耗主要來自數(shù)量眾多的硬件設(shè)備，具體來說，主要包括數(shù)據(jù)、控制以及輔助3個(gè)平面。其中，數(shù)據(jù)平面涉及數(shù)據(jù)分組的處理以及經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口的轉(zhuǎn)發(fā)；控制平面指數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)配置等；而輔助平面則指空調(diào)、電力供應(yīng)等配套設(shè)備。各平面的能耗分布如圖4所示，可以看出，數(shù)據(jù)平面是傳輸承載部分的主要能耗來源，輔助平面也占了相當(dāng)大的比例。

圖4 無(wú)線通信系統(tǒng)IP核心網(wǎng)各平面的能耗分布

4.3 計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層

本層位于網(wǎng)絡(luò)接入與承載層之上，總體來說可以分為計(jì)算平面和管理平面。計(jì)算平面包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和處理，管理平面包括網(wǎng)絡(luò)管理（互聯(lián)網(wǎng)、接入網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)）和應(yīng)用管理。管理平面的能耗相對(duì)較低，多為軟件應(yīng)用；而計(jì)算平面由于服務(wù)器等硬件設(shè)備眾多，產(chǎn)生大量電力支出，本文重點(diǎn)分析計(jì)算平面的能耗來源。

本層能耗主要來源于計(jì)算平面。這主要是因?yàn)橛?jì)算平面包含大量的服務(wù)器等硬件設(shè)備，海量的數(shù)據(jù)信息需要大量數(shù)據(jù)中心、計(jì)算中心進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。以中國(guó)電信為例，截至2011年12月，國(guó)內(nèi)擁有近300個(gè)數(shù)據(jù)中心、5個(gè)海外數(shù)據(jù)中心以及4個(gè)全國(guó)核心云數(shù)據(jù)中心。除了數(shù)量眾多之外，單一數(shù)據(jù)中心的耗電量也相當(dāng)驚人，有數(shù)據(jù)顯示一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心的能耗等于30000個(gè)家庭基站能耗的總和。

數(shù)據(jù)中心的能耗分布如圖5所示?？梢钥闯觯琁T設(shè)備約占30%；空氣處理設(shè)備約占45%；配電傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備約占24%；還有1%用于照明、維修和辦公設(shè)備等。除了IT設(shè)備必要的用電量之外，空氣處理設(shè)備和配電傳輸轉(zhuǎn)換設(shè)備消耗了數(shù)據(jù)中心近70%的能量，即實(shí)際的電能使用率只有3%左右。這也是目前數(shù)據(jù)中心面臨的一個(gè)主要問題，即能量消耗巨大但電能效率卻較低。

圖5 數(shù)據(jù)中心的能耗分布

5 產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的推動(dòng)

（1）國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商

截至2009年，中國(guó)移動(dòng)的M2M終端數(shù)量已達(dá)到300萬(wàn)，年均增長(zhǎng)率超過80%。在電力行業(yè)的節(jié)能減排應(yīng)用方面，中國(guó)移動(dòng)與廣東省的南方電網(wǎng)、北京和重慶的電力公司合作，安裝了104萬(wàn)臺(tái)無(wú)線電表的遠(yuǎn)程抄表設(shè)備。江西全省范圍內(nèi)的20000臺(tái)配電變壓器都安裝了中國(guó)移動(dòng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且提供用電檢查、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、負(fù)荷管理、線損管理、需求側(cè)管理的一體化服務(wù)，一年內(nèi)總共節(jié)省電能1.2億千瓦時(shí)[6]。

（2）第三代合作伙伴計(jì)劃

在第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）中，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的主要是“機(jī)器到機(jī)器（machine to machine）”的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合，根據(jù)M2M通信的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)以及未來的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）和第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

從Release 8（R8）開始，3GPP開始對(duì)M2M展開標(biāo)準(zhǔn)化工作。R8主要是在概念上對(duì)M2M加以描述并提出了M2M通信的具體要求以及應(yīng)用場(chǎng)景，為以后的標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了良好的鋪墊，但是對(duì)能效問題并沒有明確說明。根據(jù) R8中提出的 M2M通信要求，3GPP從 Release 9（R9）版本開始對(duì)M2M中的具體問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。R9中重點(diǎn)解決通信的安全性和遠(yuǎn)程控制問題，沒有特別關(guān)注能效問題。

3GPP真正開始對(duì)能效問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作是從Release 10（R10）版本開始，并將能效作為一個(gè)主要的優(yōu)化目標(biāo)。實(shí)際上，R10重點(diǎn)關(guān)注的是M2M的核心網(wǎng)絡(luò)問題，對(duì)能效問題的優(yōu)化也是從核心網(wǎng)入手，研究工作已經(jīng)凍結(jié)。在之后的 Release 11（R11）和 Release 12（R12）版本中，能效問題依然是3GPP解決的重點(diǎn)，其中R11是從接入網(wǎng)入手考慮能效問題，目前研究工作仍在進(jìn)行中。另外，在自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organized network，SON）的研究[7]中，也涉及能量節(jié)省方面的研究。

（3）Internet工程任務(wù)組

Internet工程任務(wù)組（IETF）重點(diǎn)關(guān)注無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由問題，共成立了3個(gè)工作組進(jìn)行低功耗IPv6網(wǎng)絡(luò)方面的研究。其中，6LowPan（IPv6 over low power and lossy network）工作組主要討論如何把IPv6協(xié)議適配到IEEE 802.15.4（ZigBee）的MAC層和 PHY層協(xié)議棧上；RoLL（routing over low power and lossy network）工作組主要討論低功耗網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議，制訂了各個(gè)場(chǎng)景的路由需求以及 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 RPL （routing protocol for LLN）；CoRE（constrained restful environment）工作組由 6LowApp 興趣小組發(fā)展而來，主要討論資源受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級(jí)的應(yīng)用層協(xié)議（constrained application protocol，CoAP）。

（4）其他標(biāo)準(zhǔn)化組織

目前，各大主流標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注偏重應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，對(duì)能效部分的關(guān)注并不多，但是由于物聯(lián)網(wǎng)的底層傳感器節(jié)點(diǎn)能耗有限，標(biāo)準(zhǔn)化組織也均按照要求進(jìn)行定義，但還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)化工作。只有個(gè)別組織的個(gè)別工作組有一些在研究的項(xiàng)目，如我國(guó)CCSA TC10的WG4（感知延伸組）研究的適用于低功耗松散網(wǎng)絡(luò)（LLN）環(huán)境下的輕量級(jí)IPv6協(xié)議。

6 綠色物聯(lián)網(wǎng)分層關(guān)鍵技術(shù)

為解決物聯(lián)網(wǎng)的整體能耗問題，需要從物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)出發(fā)，根據(jù)每一層的能耗構(gòu)成，有針對(duì)性地研究每一層相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)，提高物聯(lián)網(wǎng)的能效水平。按照功能將物聯(lián)網(wǎng)分為3層:感知傳感層、網(wǎng)絡(luò)接入與承載層、計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層，下面分別對(duì)這3層的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體的介紹，如圖6所示。

感知傳感層主要負(fù)責(zé)信息的采集工作。傳感器節(jié)點(diǎn)的使用非常廣泛，因其數(shù)量巨大而消耗了大部分能量，為此傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)尤為重要，在信息采集過程中的節(jié)能技術(shù)，包括低功耗通信技術(shù)和低功耗處理器技術(shù)。在信息匯聚的過程中，涉及多次節(jié)點(diǎn)之間的短距離數(shù)據(jù)傳輸，考慮到感知傳感層中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是采用電池供電，因此傳輸能耗也是不可忽略的。由此可見，提高感知傳感層的傳輸能效尤為關(guān)鍵，在信息匯聚過程中的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)是高效能路由協(xié)議技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)接入與承載層由泛在接入子層和核心承載子層組成，該層收集的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后匯聚到感知層網(wǎng)關(guān)，感知層網(wǎng)關(guān)通過區(qū)域內(nèi)的泛在接入子層 （3G、4G、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵某休d子層，核心承載子層再把來自不同感知層網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸?shù)綉?yīng)用層的數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。泛在接入子層的主要能耗在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站端，其節(jié)能技術(shù)包括高能效功率放大器技術(shù)、動(dòng)態(tài)覆蓋調(diào)整技術(shù)以及服務(wù)傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)；核心承載子層的節(jié)能技術(shù)包括動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)和深度睡眠/喚醒技術(shù)。

感知傳感層收集到的數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)接?jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層，這為計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)中心帶來了更高的要求，數(shù)據(jù)中心的能耗及所產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益受到關(guān)注。如何做到綠色物聯(lián)網(wǎng)，在計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層主要表現(xiàn)為如何更加綠色地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要的節(jié)能技術(shù)包括虛擬化的云計(jì)算技術(shù)、硬件設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的低功耗技術(shù)。

6.1 感知傳感層的高能效設(shè)計(jì)

感知傳感層的主要能耗集中在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，即信息的采集和匯聚過程，其節(jié)能技術(shù)為低功耗的信息采集技術(shù)以及高能效的信息匯聚技術(shù)。

6.1.1 低功耗的信息采集技術(shù)

作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，信息采集主要負(fù)責(zé)各種環(huán)境信息的搜集，并將得到的信息有效地發(fā)送到傳感信息匯聚節(jié)點(diǎn)。低功耗的信息采集技術(shù)需要以低能耗的信息采集設(shè)備為依托。信息采集設(shè)備總體上可以分為兩大類:無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID等移動(dòng)信息生成設(shè)備。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由于傳感器節(jié)點(diǎn)眾多，與RFID相比網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，能耗節(jié)點(diǎn)更多，需重點(diǎn)關(guān)注。

傳感器節(jié)點(diǎn)大致可以分為3個(gè)模塊:傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。其中，能量消耗最大的是通信模塊，因?yàn)橥ㄐ胚^程中涉及復(fù)雜的物理層和MAC算法，并且為了保證通信的有效性，需要高能耗的功率放大器的支持。另外，處理器模塊是無(wú)線傳感器模塊的核心，幾乎所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)都在該模塊的支持下進(jìn)行，因此降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗主要從通信模塊和傳感器模塊兩方面著手。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)各層的關(guān)鍵技術(shù)

（1）通信模塊的低功耗設(shè)計(jì)

為降低通信模塊的能耗，需要盡可能地減少通信模塊的工作時(shí)間以及每次的發(fā)射功率，可以從減少通信流量和延長(zhǎng)睡眠時(shí)間兩個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)高能效的MAC協(xié)議，在保證網(wǎng)絡(luò)工作效率的前提下最大限度地降低感知傳感層的能耗。

通過減少通信模塊發(fā)送和接收的比特?cái)?shù)，能降低通信模塊的能耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信的內(nèi)容主要分為兩類:數(shù)據(jù)信息和控制信息。減少數(shù)據(jù)信息的方法有以下5種[8]:本地計(jì)算和數(shù)據(jù)融合；減少傳輸碰撞；減少傳輸串?dāng)_；增加冗余校驗(yàn)和糾錯(cuò)機(jī)制；減少額外開銷。對(duì)于控制信息，可以通過減少控制數(shù)據(jù)分組的數(shù)量和分組頭長(zhǎng)度，使得網(wǎng)絡(luò)中的控制信息流量保持較低的水平，從而減少能耗。

（2）處理器模塊的低功耗技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)處理器的低功耗運(yùn)行，傳感器節(jié)點(diǎn)使用的處理器應(yīng)該滿足低功率要求，支持睡眠模式，且可通過任務(wù)調(diào)度和功率分配使得處理器盡可能長(zhǎng)地處在睡眠模式。在選擇節(jié)點(diǎn)處理器的時(shí)候就要注意選擇那些功耗、工作電壓和運(yùn)行頻率低的處理器單元，并且還要采取中斷機(jī)制使其處在睡眠狀態(tài)。

6.1.2 高能效的信息匯聚技術(shù)

在信息匯聚的過程中，路由選擇尤為重要。能效優(yōu)先的路由選取策略能夠最大程度地減少網(wǎng)絡(luò)能耗，提高信息匯聚的效率，因此合適的路由選取策略能夠使信息匯聚的過程更加快捷、高效以及節(jié)能。選擇的路由不同，能耗的結(jié)果有所不同，能量感知路由能夠盡可能實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。能效優(yōu)先的路由選擇策略都是基于節(jié)點(diǎn)剩余能量或轉(zhuǎn)發(fā)能耗的，主要有最長(zhǎng)剩余能量路由、最少能量消耗路由、最少跳數(shù)路由、最高剩余能量路由4種[9]。路由協(xié)議的節(jié)能策略主要有[10]:多跳路由、數(shù)據(jù)融合、平衡網(wǎng)絡(luò)能耗、減少通信流量，通過上述4個(gè)方面能夠顯著減少信息匯聚中的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕研浴?/p>

6.2 網(wǎng)絡(luò)接入與承載層的節(jié)能技術(shù)

無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的能耗主要集中在基站，隨著基站數(shù)目的日益增加，龐大的基站數(shù)量導(dǎo)致無(wú)線接入網(wǎng)的能耗不斷增加，使得接入網(wǎng)的能量消耗占運(yùn)營(yíng)商能量消耗的80%[11]。因此，要降低無(wú)線接入網(wǎng)的能耗，首先必須降低基站的能耗。

6.2.1 泛在接入子層的節(jié)能技術(shù)

（1）高效率功率放大器

傳統(tǒng)的功率放大器效率很低，因?yàn)樵诜糯笮⌒盘?hào)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)小的信號(hào)失真，放大器必須工作在線性工作區(qū)，此時(shí)傳統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)是供電電壓恒定不變，當(dāng)放大器輸出信號(hào)的電壓小于波動(dòng)時(shí)，輸入電壓比輸出電壓高，因此多出來的電壓只能轉(zhuǎn)化成熱量浪費(fèi)掉。而高效率的功率放大器的設(shè)計(jì)思想是使放大器的供電電壓隨著放大信號(hào)包絡(luò)的變化而變化[12]，稍比放大信號(hào)的電壓高一點(diǎn)，這樣只有高出來的電壓會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，因此相比傳統(tǒng)功率放大器會(huì)減少很大的能耗。

（2）動(dòng)態(tài)覆蓋調(diào)整技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)傳感層檢測(cè)的信息可能具有一定的變化規(guī)律，傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要上傳的信息可能會(huì)隨著時(shí)間和空間有規(guī)律地波動(dòng)。因此有的接入子層基站可能處于較低的負(fù)載狀態(tài)，而有的接入子層基站處于較高的負(fù)載狀態(tài)，這種負(fù)載的不均衡會(huì)使得覆蓋大小固定的接入子層基站不能適應(yīng)負(fù)載量的變化。參考文獻(xiàn)[13]提出了一種靈活度更高的“小區(qū)聚焦”技術(shù)，采用這種技術(shù)，基站不但可以根據(jù)負(fù)載水平的高低“縮放”覆蓋范圍，還能夠在周邊小區(qū)都處于輕負(fù)載的情況下，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。由于基站進(jìn)入睡眠狀態(tài)而出現(xiàn)的覆蓋空洞，由中間開啟的基站通過增大發(fā)射功率，擴(kuò)大覆蓋范圍，把睡眠基站服務(wù)的數(shù)據(jù)切換到本小區(qū)進(jìn)行傳輸，從而達(dá)到在低負(fù)載情況下減少服務(wù)基站的目的。

（3）用戶業(yè)務(wù)聚合自適應(yīng)傳輸技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸過程中，基站有可能會(huì)向大量傳感器傳輸相同的指令或者大量傳感器請(qǐng)求上傳感測(cè)到的數(shù)據(jù)，因此傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會(huì)呈現(xiàn)出相似的統(tǒng)計(jì)特征。傳統(tǒng)的傳輸方案對(duì)于多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求，無(wú)論傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容是否相同，都會(huì)采用單播傳輸，這樣會(huì)造成發(fā)射功率、系統(tǒng)帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。根據(jù)上述傳感器業(yè)務(wù)的趨同性分析，可以采用基于用戶業(yè)務(wù)聚合的單播、多播、廣播、推送等服務(wù)傳輸模式自適應(yīng)切換技術(shù)，若同一數(shù)據(jù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要大量傳輸，則采用多播方式代替單播傳輸，以提高接入網(wǎng)能效[14]。

蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶業(yè)務(wù)聚合自適應(yīng)傳輸示意如圖7所示。單播/多播傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)的設(shè)計(jì)思路是利用無(wú)線廣播與多播傳輸通道，向多個(gè)用戶發(fā)送所需的相同數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過多個(gè)用戶分享無(wú)線帶寬，降低信息的無(wú)線傳輸成本。具體來說，基站首先會(huì)設(shè)定長(zhǎng)度可變的時(shí)間窗口，對(duì)于每一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)申請(qǐng)的數(shù)據(jù)，基站會(huì)存儲(chǔ)在緩存中，分析每個(gè)業(yè)務(wù)內(nèi)容上的相似性。到了下一個(gè)時(shí)間窗口，基站把緩存中內(nèi)容相同的業(yè)務(wù)進(jìn)行多播傳輸，而對(duì)于內(nèi)容不同的業(yè)務(wù)則進(jìn)行單播傳輸。

圖7 蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶業(yè)務(wù)聚合自適應(yīng)傳輸示意

圖8是所提方案的理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯觯谟脩魳I(yè)務(wù)的趨同性比例為5%時(shí)，單播/多播混合傳輸方案能耗降低8%，能量效率提升10%；而在用戶業(yè)務(wù)的趨同性比例為15%時(shí)，能耗降低34%，能量效率提升50%，這說明單播/多播混合傳輸技術(shù)能夠有效降低系統(tǒng)能耗，提升能量效率。服務(wù)模式自適應(yīng)技術(shù)充分發(fā)揮了廣播低功耗、高速率的優(yōu)勢(shì)，只需要合理設(shè)置時(shí)間窗口長(zhǎng)度，就能夠通過一次多播傳輸滿足多個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而只增加極少的時(shí)延。這不僅節(jié)省了系統(tǒng)帶寬資源，而且降低了物聯(lián)網(wǎng)接入子層每個(gè)發(fā)送機(jī)、接收機(jī)所需的能耗，從而大大降低了通信成本和運(yùn)營(yíng)成本。

圖8 用戶業(yè)務(wù)聚合自適應(yīng)傳輸性能

6.2.2 核心承載子層的節(jié)能技術(shù)

核心承載子層節(jié)能技術(shù)的原理是根據(jù)該層的負(fù)載變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行節(jié)能，包括動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)和深度睡眠/喚醒技術(shù)。

（1）動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)

動(dòng)態(tài)適應(yīng)技術(shù)的原理是根據(jù)數(shù)據(jù)分組負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件資源（如處理能力或者數(shù)據(jù)帶寬），主要包括動(dòng)態(tài)頻率/電壓調(diào)整和動(dòng)態(tài)關(guān)閉邏輯單元兩種技術(shù)。動(dòng)態(tài)頻率/電壓調(diào)整技術(shù)主要是用過調(diào)整期間的電壓或者時(shí)鐘頻率達(dá)到節(jié)能的效果。當(dāng)數(shù)據(jù)處于低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，硬件自動(dòng)降低了工作頻率/電壓，因此比不采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)的能耗水平低，相比關(guān)閉邏輯單元技術(shù)，能耗波動(dòng)起伏比較小，但由于運(yùn)算能力隨著工作頻率/電壓的降低而下降，因此數(shù)據(jù)分組的處理時(shí)間變長(zhǎng)。

（2）深度睡眠/喚醒技術(shù)

當(dāng)設(shè)備不需要處理任何數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)備可以進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，只需要維持內(nèi)存以及處理器少部分邏輯單元所需要的電力，因此需要極低的能量消耗，相比期間級(jí)的喚起時(shí)間，設(shè)備喚醒時(shí)間會(huì)長(zhǎng)得多。

6.3 計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層的能耗管理

[15]曾預(yù)計(jì)，到2015年，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將實(shí)現(xiàn)5000多億元的規(guī)模，隨之而來的就是數(shù)據(jù)的迅速膨脹，這就為數(shù)據(jù)中心帶來了更高的要求，而數(shù)據(jù)中心的能耗及所產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益受到人們的關(guān)注。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能，本節(jié)主要從基于虛擬化的云計(jì)算技術(shù)、硬件設(shè)備的低功耗技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的低功耗技術(shù)3方面進(jìn)行介紹。

6.3.1 基于虛擬化的云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算[16]是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，以互聯(lián)網(wǎng)為載體提供基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺(tái)、軟件等服務(wù)，整合大規(guī)?？蓴U(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等分布式計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)同工作的超級(jí)計(jì)算模式。物聯(lián)網(wǎng)中引入云計(jì)算不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IT基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化建設(shè)，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，從而減少服務(wù)器，達(dá)到降低功耗的目的。

基本云計(jì)算技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)如圖9所示?？梢钥闯?，云計(jì)算的基礎(chǔ)是資源虛擬化，將網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等虛擬成一個(gè)資源池，統(tǒng)一靈活調(diào)配。如果正確地構(gòu)建服務(wù)器環(huán)境，就可以在提高性能的同時(shí)減少物理服務(wù)器的數(shù)量，從而節(jié)省電力、冷卻和場(chǎng)地成本；如果采用虛擬存儲(chǔ)，所有的存儲(chǔ)設(shè)備將被統(tǒng)一管理，使得內(nèi)部存儲(chǔ)利用率提高，節(jié)省了存儲(chǔ)成本，減少了能源消耗。

6.3.2 硬件設(shè)備的低功耗技術(shù)

服務(wù)器設(shè)備一方面采用低功耗、易管理和空間小的刀片式服務(wù)器，另一方面研發(fā)更高效、更低功耗的處理器，低功耗的處理器只需要使用一個(gè)正常的服務(wù)器處理能量的5%，就可以提供60%的工作性能，并且還有在更高的環(huán)境溫度下運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。從動(dòng)態(tài)控制能耗出發(fā)，有分級(jí)存儲(chǔ)和MAID（massive arrays of idle disks）等技術(shù)[17]，分級(jí)存儲(chǔ)就是對(duì)滿足不同用戶需求的存儲(chǔ)器進(jìn)行統(tǒng)一的管理，為應(yīng)用提供一個(gè)大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)；MAID技術(shù)是當(dāng)磁盤無(wú)訪問的時(shí)候，關(guān)閉耗電量大的磁盤驅(qū)動(dòng)器，從而減少磁盤全負(fù)荷的工作時(shí)間，節(jié)約電能。

6.3.3 基礎(chǔ)設(shè)施的低功耗技術(shù)

在供電系統(tǒng)內(nèi)，采用直流供電方式可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的能源節(jié)約。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究指出，將來成熟的直流電技術(shù)可以使數(shù)據(jù)中心的效率提升10%～20%。另外，可以利用天然資源進(jìn)行發(fā)電。IBM在印度班加羅爾建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，利用太陽(yáng)能電池板供電，減少了約10%的能源消耗。我國(guó)新疆15萬(wàn)平方千米的風(fēng)能等自然資源可以為綠色物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)，水冷卻的效果是傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)的3500倍。同時(shí)，選擇氣候寒冷的地方建址可以直接降低制冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。例如美國(guó)雅公司于2010年在紐約州的布法羅地區(qū)建設(shè)了“雞舍”式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心[18]，我國(guó)也可以在諸如東北、內(nèi)蒙古等地建設(shè)綠色物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心。對(duì)于已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)中心，則可以通過改變機(jī)柜的排列方式來改善散熱狀況。

7 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)成為我國(guó)通信行業(yè)未來的發(fā)展重點(diǎn)，在大力發(fā)展的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的“綠色化”將對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)未來的健康發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。本文首先對(duì)我國(guó)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求進(jìn)行了深入分析，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出物聯(lián)網(wǎng)在能源問題上面臨重大挑戰(zhàn)，進(jìn)而得出大力發(fā)展綠色物聯(lián)網(wǎng)的必要性。然后按照物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次（感知傳感層、網(wǎng)絡(luò)接入與承載層、計(jì)算管理與服務(wù)應(yīng)用層）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的能耗構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且總結(jié)歸納了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界在綠色物聯(lián)網(wǎng)方面的推動(dòng)工作，為今后提出解決物聯(lián)網(wǎng)能源問題的各種技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)。本文所描述的大部分綠色節(jié)能技術(shù)主要從物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)的角度對(duì)能耗的節(jié)省進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，雖然提出了很多節(jié)能技術(shù)和方案，但是物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)，研究和關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的綠色節(jié)能技術(shù)，需要從系統(tǒng)整體和全局網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度重新審視物聯(lián)網(wǎng)的能耗問題，從而才有可能從根本上提升整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的能量使用效率，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的健康良性發(fā)展。

在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，建設(shè)綠色物聯(lián)網(wǎng)是必然趨勢(shì)。高能效的感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展方向，它真正實(shí)現(xiàn)了高能效和低耗能的平衡，有效減少資源的浪費(fèi)、大大降低服務(wù)的運(yùn)行成本。未來通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開綠色物聯(lián)網(wǎng)，我國(guó)各級(jí)政府高度重視節(jié)能減排，為其發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力，相信在不久的將來，我國(guó)的綠色物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展會(huì)更加成熟，更好地為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

圖9 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

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