綠色通信：如何“笑”到最后

摘要：綠色通信的研究應(yīng)從能量的“節(jié)流”和“開源”2個(gè)方向同時(shí)展開，其中節(jié)流最有效的手段來自網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，即通過引入超蜂窩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋的解耦，使得業(yè)務(wù)基站有更多的休眠機(jī)會(huì)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的能耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的能量效率。無論采用哪種手段，其核心技術(shù)挑戰(zhàn)將是如何實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵，也催生出了一個(gè)全新的交叉學(xué)科領(lǐng)域，即能量信息學(xué)。

關(guān)鍵詞：綠色通信；可再生能量；能量信息學(xué)

各種信息技術(shù)，特別是遍布于地球各個(gè)角落的通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)歷了幾十年高速發(fā)展之后都逐漸遇到了能耗的瓶頸，其快速增長(zhǎng)的自身能耗也已演變?yōu)槿驓夂蜃兣脑獌粗?。以移?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為例，通過從1G到4G的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)了100萬倍以上，各種豐富多彩的移動(dòng)業(yè)務(wù)也已經(jīng)大幅度地改變了人類的生活方式。但各種預(yù)測(cè)均顯示：隨著全息媒體和萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，未來5～10年人們對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量的需求仍將呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，相應(yīng)地，其自身的能耗瓶頸也會(huì)越來越凸顯。由此引出了一個(gè)非?；A(chǔ)性的科學(xué)問題：在頻譜與能量資源雙雙受限的情況下，如何進(jìn)一步大幅度提高網(wǎng)絡(luò)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(fā)的頻繁越區(qū)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(zhuǎn)換為：如何能夠使用更少的能量來傳輸更多的信息，即我們?nèi)绾尾拍堋靶Α保⊿MILE：Send More Information bits with Less Energy） 到最后？

如果我們繼續(xù)從移動(dòng)通信的基礎(chǔ)理論，即香農(nóng)公式出發(fā)，看上去是不可能的，因?yàn)橄戕r(nóng)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(fā)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(wǎng)絡(luò)層或是系統(tǒng)層尋找解決方案。其中一個(gè)解決方案是改造目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋的邏輯分離與解耦，構(gòu)建一個(gè)由永遠(yuǎn)在線的控制覆蓋和按需部署的業(yè)務(wù)覆蓋構(gòu)成的超蜂窩網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)[1]，在保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋和頻譜效率的同時(shí)，引入業(yè)務(wù)基站的動(dòng)態(tài)休眠和資源調(diào)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(jié)流”，即通過減少蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的能量浪費(fèi)來提高能量效率，解決了傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)的綠色可持續(xù)發(fā)展問題。這是蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在過去40多年來的第一次重大轉(zhuǎn)變，并有望成為5G及其后續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。

另外一個(gè)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(shù)，從而大幅度降低實(shí)際電網(wǎng)的能耗。能量收集技術(shù)是一種新興的綠色能源技術(shù)，它可直接把環(huán)境中的可再生能量，例如：風(fēng)能、太陽能、機(jī)械能、電磁場(chǎng)輻射等直接轉(zhuǎn)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(shí)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和電池儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，可再生能量的存儲(chǔ)和利用效率大大提高，能量收集技術(shù)已步入實(shí)用階段，并逐步應(yīng)用到了各種信息系統(tǒng)中，例如：傳感器網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)等?？梢灶A(yù)見：未來信息系統(tǒng)的供電模式將日趨多樣化，甚至?xí)霈F(xiàn)完全依賴于可再生能量的自供電信息系統(tǒng)，這不僅可大幅降低信息系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，而且可以減少布線需求和運(yùn)維成本。特別是針對(duì)基站超密集部署的超密集組網(wǎng)（UDN）和分布式多輸入多輸出（MIMO）移動(dòng)通信系統(tǒng)，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(wǎng)，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(jī)性的問題。在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的移動(dòng)通信中，能量供給是穩(wěn)定的，研究人員主要面對(duì)的是業(yè)務(wù)需求的隨機(jī)性和傳輸信道的隨機(jī)性問題；而在可再生能量供電的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，除了上述兩種隨機(jī)性之外，需要同時(shí)面對(duì)能量供給的隨機(jī)性。為此，我們需要擴(kuò)展傳統(tǒng)綠色通信的內(nèi)涵，即僅僅關(guān)注能量效率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要同時(shí)關(guān)注能量持續(xù)性指標(biāo)。該指標(biāo)包含能量中斷和能量溢出2個(gè)層面，前者意指雖有信息服務(wù)的需求但卻沒有足夠能量供給所導(dǎo)致的服務(wù)中斷現(xiàn)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(yīng)的信息服務(wù)需求，從而導(dǎo)致的能量溢出現(xiàn)象。很顯然，這2種現(xiàn)象都是需要盡量避免的，即應(yīng)該盡量做好能量流與信息流的實(shí)時(shí)匹配，從而在保證信息服務(wù)穩(wěn)定性的前提下盡量提高可再生能量的利用率，這實(shí)際上是能量信息學(xué)的核心，也是可再生能量供給信息系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)所在。為此，我們需要回歸原點(diǎn)，從根本上思考一下能量與信息之間的理論關(guān)系。

眾所周知，宇宙是由物質(zhì)、能量和信息3個(gè)基本要素組成的，其中物質(zhì)是本源的存在，沒有物質(zhì)，什么也不存在；能量是運(yùn)動(dòng)的存在，沒有能量，什么也不會(huì)發(fā)生；信息則是聯(lián)系的存在，沒有信息，任何事物都沒意義。經(jīng)典牛頓力學(xué)的理論告訴我們：在封閉的物理世界中物質(zhì)總量是守恒的，能量也是守恒的；愛因斯坦進(jìn)一步揭示了物質(zhì)與能量之間的理論關(guān)系，即物質(zhì)與能量之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，且總量守恒，即著名的物質(zhì)能量守恒公式E=mC2。但能量和信息之間是否也可以相互轉(zhuǎn)換、且遵循某種守恒定律呢？這個(gè)問題迄今為止沒有任何明確的結(jié)論。

為了回答上述問題，我們需要重新思考一下信息與物質(zhì)和能量的不同。根據(jù)維納和香農(nóng)的定義，信息是對(duì)事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或存在方式不確定性的描述，它與物質(zhì)和能量有著本質(zhì)的區(qū)別，即它可以在不損失任何信息的前提下被無限地復(fù)制，也就是說信息本身并不守恒。同時(shí)，最近已有實(shí)驗(yàn)展示：信息與能量之間的確可以互相轉(zhuǎn)換，但應(yīng)該不守恒，因?yàn)槭褂猛瑯拥哪芰靠梢詡鬟f更多的信息比特（如使用多播或是廣播機(jī)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(zhuǎn)的服務(wù)器）?？梢?，由于信息本身的不守恒特性導(dǎo)致了信息與能量轉(zhuǎn)換之間的非守恒特性，這實(shí)際上為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率提供了理論依據(jù)，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(gè)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(shí)分配更多的能量，反之則分配更少的能量。這在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的信息系統(tǒng)中是比較容易實(shí)現(xiàn)的，但在可再生能量供電的信息系統(tǒng)中將面臨巨大的挑戰(zhàn)。雖然可以通過調(diào)控能量緩存器的充放電來解決，但如何做到時(shí)間尺度的實(shí)時(shí)匹配以及空間維度的動(dòng)態(tài)調(diào)度是問題的難點(diǎn)。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(shí)可以傳輸更多的信息，比如引入緩存與推送機(jī)制，通過對(duì)用戶需求的預(yù)測(cè)計(jì)算出用戶的潛在需求，在能量充足時(shí)進(jìn)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(shí)則可以減少信息的傳遞，比如只提供最基本的信息服務(wù)，而推遲提供增強(qiáng)服務(wù)，直至能量變得更加充足，或是將任務(wù)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(wù)留給明天：do todays jobs tomorrow”[2]。

總之，綠色通信的研究應(yīng)從能量的節(jié)流和開源2個(gè)方向同時(shí)展開，其中節(jié)流最有效的手段來自網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，通過引入超蜂窩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋的解耦，使得業(yè)務(wù)基站有更多的休眠機(jī)會(huì)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的能耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的能量效率。但無論采用上述哪種手段，其核心技術(shù)挑戰(zhàn)將是如何實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵，也催生出了一個(gè)全新的交叉學(xué)科領(lǐng)域，即能量信息學(xué)：Energy Informatics for Smart Interaction of Energy and Information（Einstein）。通過對(duì)能量與信息之間相互作用機(jī)理的深入研究，希望能夠建立起類似于愛因斯坦物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的理論，其核心可以概述為2個(gè)不等式，即Energy + Information < Energy和Information - Energy > Information，其中前者意指現(xiàn)有的能量系統(tǒng)（如交通、建筑、制造業(yè)等任何需要消耗能量的系統(tǒng)）如何通過引入更多的環(huán)境信息來使其更加節(jié)能；后者則意指現(xiàn)有的信息系統(tǒng)（如互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)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(chǔ)理論。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛志升，鄭福春，楊晨陽，等. 基于超蜂窩架構(gòu)的綠色通信?？幷甙碵J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，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