通信網(wǎng)絡(luò)能耗與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析

丁春風(fēng)

摘要：通信網(wǎng)絡(luò)與人們的現(xiàn)代生活密切相關(guān)，通過構(gòu)建廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)互連。但與此同時，通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題也成了重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。文章對現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法進行研究，結(jié)合綠色通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的相關(guān)理論，對目前階段通信網(wǎng)絡(luò)軟硬件在能耗方面的情況作出了歸納和分析，并以能耗產(chǎn)生的具體條件和具體方式為主要切入口，對節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進行創(chuàng)新型的設(shè)計和論述，從而提升通信網(wǎng)絡(luò)的綠色環(huán)保能力。

關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)能耗分析；綠色通信；節(jié)能技術(shù)

據(jù)相關(guān)能源部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在全球能耗當(dāng)中，通信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的能耗占比已經(jīng)接近5%，且表現(xiàn)為大規(guī)模的碳排放。在一些發(fā)達國家，通信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)所造成的環(huán)境破壞也已經(jīng)到了十分驚人的水平。與此同時，在技術(shù)發(fā)展的影響下，云技術(shù)、智能終端的廣泛應(yīng)用，也帶來了大量的無線網(wǎng)絡(luò)流量，也使得網(wǎng)絡(luò)耗能更加明顯。因此在環(huán)境研究領(lǐng)域，越來越多的研究人員提出了綠色網(wǎng)絡(luò)的概念，希望借助節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，提高通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境保護能力。

1 通信網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的能耗分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心能耗分析

在現(xiàn)階段的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)當(dāng)中，為了滿足更為廣泛的用戶群體的網(wǎng)絡(luò)通信需求，通信網(wǎng)絡(luò)希望能夠借助大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計和網(wǎng)絡(luò)運算能力，從而提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商需要通過搭建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取、計算和控制。在對數(shù)據(jù)中心進行分析后，筆者發(fā)現(xiàn)，目前的數(shù)據(jù)中心在運行過程中所產(chǎn)生的能耗主要集中在網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器以及硬件散熱3個方面。在這3個部分中，作為非IT設(shè)備的散熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗最為顯著，因此在研究領(lǐng)域，研究人員希望通過PUE（PowerUsage Effectiveness）指標(biāo)對能耗情況進行衡量[1]。除了散熱問題之外，服務(wù)器的運行所產(chǎn)生的能耗也成為主要的能耗來源。眾所周知，通信網(wǎng)絡(luò)所建構(gòu)的數(shù)據(jù)中心，需要將大量的數(shù)據(jù)內(nèi)容與中心服務(wù)器相互連接，而在連接的過程中，數(shù)據(jù)中心需要與上層應(yīng)用之間進行通信，并提供高性能的鉆發(fā)服務(wù)。為了保證數(shù)據(jù)服務(wù)精準(zhǔn)、高效，在進行服務(wù)設(shè)置時通常需要依靠設(shè)備、鏈路的充裕，實現(xiàn)“富連接”。但是在實際的應(yīng)用過程中，這種充裕的“富連接”方式所表現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)拓撲在低負載的情況下，效率極低。但是由于數(shù)據(jù)中心本身的特性，能耗的產(chǎn)生量和負載大小并無直接關(guān)系，以致于無論是何種負載狀態(tài)，其所產(chǎn)生的能耗數(shù)量都是趨同的，因此在低負載狀態(tài)下，造成了嚴重的負載浪費，能耗增高。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能耗分析

在目前所廣泛應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)之中，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的能耗的產(chǎn)生主要集中在兩個部分。其中一種能耗產(chǎn)生與無線網(wǎng)絡(luò)的通信無關(guān)，一般表現(xiàn)在無線傳感器所進行的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理這一層面，另一種能耗產(chǎn)生則與通信能力相關(guān)，主要集中在無線通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送這個階段。在相關(guān)的研究中，研究者通過指標(biāo)對比發(fā)現(xiàn)，兩種能耗情況雖然同為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能耗，但是在能耗大小和能耗影響方面，無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信所產(chǎn)生的能耗是要遠高于與通信無關(guān)的數(shù)據(jù)處理能耗的。本文在進行分析論述時，主要將目光和重點放置在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信能耗之上。

目前所采用的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，在其工作過程中，每一個周期內(nèi)部都存在4種工作狀態(tài)：在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，傳感器為發(fā)送狀態(tài)。在進行數(shù)據(jù)信息獲取時，則處于接受狀態(tài)。此外，在空閑階段，傳感器還會進入到空閑狀態(tài)以及休眠狀態(tài)。在4種狀態(tài)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)傳感器處于數(shù)據(jù)發(fā)送時的能耗最高，這主要由于無線傳感器在利用無線信道進行通信數(shù)據(jù)傳輸時，需要增大功率，并通過功率增強的方式，保證信號數(shù)據(jù)的傳輸范圍和傳輸距離，因而產(chǎn)生較大的能耗[2]。而在接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)之下，傳感器需要對信道內(nèi)部的信號進行獲取和監(jiān)聽，同樣需要運用到同一功率，但是相較于發(fā)送狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的能耗則降低許多。最后一種狀態(tài)為休眠狀態(tài)，這種狀態(tài)之下傳感器不再進行工作，無法對無線信道內(nèi)部的信號數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)聽，因此此時的能耗最低。

2 通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1 有線網(wǎng)絡(luò)的休眠技術(shù)應(yīng)用

通過前文的數(shù)據(jù)中心能耗分析可以看到，在目前通信網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，有限網(wǎng)絡(luò)鏈路所形成的能量消耗與其負載利用情況之間并沒有直接的相關(guān)關(guān)系，在具體的運行中，二者相互獨立，因此鏈路的利用率變化并不會造成能耗的改變。在低負載狀態(tài)下鏈路會仍然維持信息量同步，并發(fā)送不包含信息內(nèi)容的幀，因此造成了空閑鏈路的非必要能量消耗。為了解決這一能耗問題，在相關(guān)的研究中，研究者希望通過IEEE802.3的工作組方式，提高以太網(wǎng)鏈路的有效性，并通過采用低能量空閑狀態(tài)，控制鏈路損耗。通信網(wǎng)絡(luò)中IEEE802.3az主要的通信方式為對數(shù)據(jù)包進行處理，從而使數(shù)據(jù)包的傳輸延遲得到控制。為了改變能耗問題，在進行數(shù)據(jù)包控制時，將控制手段放置在數(shù)據(jù)包發(fā)送的初期，在通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)包發(fā)送時，調(diào)整設(shè)備狀態(tài)在“活躍模式”，而當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量降低或沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送時，則調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，使其能夠進入到“休眠模式”[3]。在休眠模式之中，通過Ts秒的時間使模式轉(zhuǎn)入到低能耗狀態(tài)。在休眠模式中，設(shè)備處于低能耗狀態(tài)，這一時期，數(shù)據(jù)中心有線鏈路只能夠在較短的時間內(nèi)進行信號的發(fā)送，但是在較長的時間段內(nèi)，有線鏈路則需要保證休眠，直到數(shù)據(jù)包傳輸需要時，恢復(fù)狀態(tài)，回到“活躍模式”，進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。這種模式的轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)中心的傳輸需求直接關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)能量運用的有效性。以太網(wǎng)的運作主要依托數(shù)據(jù)包操作，通過隊列的先后，對數(shù)據(jù)包信息進行調(diào)度和搜集，從而完成有效歸并。

2.2 數(shù)據(jù)中心能耗控制

在數(shù)據(jù)中心的能耗控制中，除了要能夠?qū)σ蕴W(wǎng)鏈路的負載情況、數(shù)據(jù)包進行處理之外，還需要對硬件設(shè)備進行調(diào)整，保證數(shù)據(jù)中心具有良好的節(jié)能環(huán)境。在現(xiàn)階段的硬件設(shè)備選用方面，筆者認為，構(gòu)建節(jié)能、綠色的數(shù)據(jù)中心，可以嘗試采用刀片式的服務(wù)處理器，使處理能耗能夠得到充分控制。在數(shù)據(jù)中心的運行過程中，數(shù)據(jù)芯片的發(fā)熱量最為巨大，因此其散熱壓力也更高。在進行設(shè)備設(shè)計和設(shè)備應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)中心需要挑選具有低功耗的處理芯片。此外，在服務(wù)器建設(shè)方面，刀片式服務(wù)器是一種獨特的一體化建設(shè)方式，服務(wù)器內(nèi)部的刀片實際上能夠作為系統(tǒng)母板實現(xiàn)功能，進而形成了服務(wù)器的獨立設(shè)置。與傳統(tǒng)的常規(guī)服務(wù)器相比，刀片式的獨立服務(wù)器設(shè)置能夠達到超過30%的能耗控制。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)的休眠控制

無線網(wǎng)絡(luò)由于受到傳感器狀態(tài)影響，大部分時間處于一種高功耗狀態(tài)，無法進行自由的狀態(tài)切換，因此其休眠狀態(tài)很難做到完全的工號控制。因此在技術(shù)研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用中，研究者提出了通過鏈路層作為媒體介入的方式進行Mac控制層的信道介入控制。隨后，在Mac層級之上，進行無線網(wǎng)卡smac的運用實現(xiàn)休眠動態(tài)控制，提高無線傳感器的節(jié)能能力。無線網(wǎng)卡smac的動態(tài)控制主要是進行周期性的監(jiān)聽和休眠輪換。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不同，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸時只能夠在監(jiān)聽信道和傳輸信道進行擇一選擇，但是smac網(wǎng)卡的周期性機制，能夠?qū)Σ槐匾O(jiān)聽進行控制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與休眠之間的完美輪換，降低能耗。而在休眠機制選擇方面，smac無線網(wǎng)卡則可以通過節(jié)點傳播的方式，對全網(wǎng)進行分析，隨后依據(jù)分析結(jié)果選擇節(jié)點特征，并發(fā)出休眠指令。在具體的休眠時，依據(jù)預(yù)設(shè)的休眠機制和時間戳，對不同機制的優(yōu)先級進行選擇，從而實現(xiàn)機制的同步，達到智能動態(tài)控制。

2.4 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制

除了進行動態(tài)休眠狀態(tài)控制之外，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)方面，還可以選擇應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)。對于網(wǎng)絡(luò)拓撲來說，每一個網(wǎng)絡(luò)拓撲都可以被描述成為一個有向圖形式，在有向圖中，擁有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合和節(jié)點間的連接集合，因此需要通過網(wǎng)絡(luò)性能，保證拓撲的連同屬性。在以往的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲當(dāng)中，技術(shù)手段對于拓撲的控制以及能耗問題無法極性平衡，因此在進行節(jié)點連接之間的通信時，容易出現(xiàn)能耗的增加，因此為了解決能耗問題，需要進行平衡性的拓撲控制。本文提出，可以嘗試通過控制數(shù)據(jù)幀的方法，構(gòu)建具有更高連通性的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)有效的鏈路信息交流，實現(xiàn)節(jié)點能耗的控制。同時，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，還可以采用周期性的監(jiān)聽技術(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部端到端的延遲以及資源配置能夠得到優(yōu)化。此外，在拓撲控制策略當(dāng)中，還可以采用分布式的拓撲結(jié)構(gòu)在進行拓撲構(gòu)建時，可以將無線網(wǎng)絡(luò)特點中的節(jié)點覆蓋作為拓撲節(jié)點，并形成覆蓋范圍的拓展，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效率的提升。在拓撲維持階段，則選用動態(tài)控制方法，降低連通當(dāng)中的數(shù)據(jù)包重傳現(xiàn)象，最終達到節(jié)能目標(biāo)。

3 結(jié)語

綠色的通信網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)是節(jié)約型社會發(fā)展和環(huán)保要求的主要創(chuàng)新方向。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)能耗的控制，需要對有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)中低負載、重復(fù)傳輸所造成的能耗加以控制，通過采用鏈路優(yōu)化、拓撲結(jié)構(gòu)的改善，最終達到能耗的控制。

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