5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算節(jié)能措施研究

中國移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司 傅升紅

5G網(wǎng)絡(luò)的推廣和應(yīng)用，不僅為人們帶來了更好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)，也為移動(dòng)云計(jì)算提供了更加優(yōu)質(zhì)、高效的載體和技術(shù)支持，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用，使得移動(dòng)云計(jì)算逐漸成為了現(xiàn)如今較為熱門的話題之一，而如何降低移動(dòng)云計(jì)算的能耗問題，不僅是實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)云計(jì)算進(jìn)一步成熟的重要工作之一。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的推廣對移動(dòng)云計(jì)算能耗研究帶來的影響

1.1 對網(wǎng)絡(luò)設(shè)施通信主導(dǎo)系統(tǒng)方面的影響

這里所說的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和通信的主導(dǎo)系統(tǒng)主要是指5G技術(shù)，5G技術(shù)的出現(xiàn)主要是為了更好的滿足網(wǎng)絡(luò)用戶新需求，而5G技術(shù)的研發(fā)除了需要依靠部分被實(shí)現(xiàn)的高新技術(shù)以外，還包括對部分現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)與完善，比如，高頻段通信、云無線接入網(wǎng)、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以及波束形成等技術(shù)手段，使得5G技術(shù)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shè)備連接密度，還可以確保網(wǎng)絡(luò)用戶在高速移動(dòng)過程中能夠更好的使用通信功能。

1.2 對移動(dòng)云計(jì)算無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式方面的影響

現(xiàn)如今的云服務(wù)模式逐漸由傳統(tǒng)的集中式服務(wù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹椒?wù)模式，比如，動(dòng)態(tài)微云以及霧計(jì)算等都屬于分散式服務(wù)模式的實(shí)際應(yīng)用，而云服務(wù)模式的改變，也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信能耗測量因素以及能耗計(jì)算方法出現(xiàn)了不同程度的變化。

1.3 對移動(dòng)設(shè)備任務(wù)遷移方面的影響

移動(dòng)設(shè)備是5G網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)云計(jì)算服務(wù)的重要參與對象之一，任務(wù)遷移則是分散式測控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而移動(dòng)計(jì)算卸載服務(wù)作為降低移動(dòng)設(shè)備能耗的主要措施之一，也受到了5G網(wǎng)絡(luò)帶來的沖擊和影響，主要體現(xiàn)在5G技術(shù)不僅推動(dòng)了無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，也為移動(dòng)設(shè)備提供了更多的蜂窩網(wǎng)絡(luò)高能效卸載算法。

1.4 對云服務(wù)中心相關(guān)資源供應(yīng)及獲取方式的影響

云服務(wù)中心是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)云計(jì)算的核心組成之一，除了需要提供大數(shù)據(jù)存儲和管理服務(wù)以外，還需要根據(jù)移動(dòng)云計(jì)算的實(shí)際需求，及時(shí)提供相關(guān)資源的獲取以及存儲服務(wù)，5G技術(shù)的應(yīng)用可以為移動(dòng)云計(jì)算的高效運(yùn)行提供必要的載體和技術(shù)支持，而加強(qiáng)對5G環(huán)境下移動(dòng)云計(jì)算節(jié)能措施的研究，對云服務(wù)中心運(yùn)行效率的提升有著重要意義。

1.5 影響5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算節(jié)能優(yōu)化的因素

目前，影響5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算節(jié)能優(yōu)化的因素，主要是部分5G技術(shù)對多能源的需求和使用，比如，大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G技術(shù)的重要組成部分，在5G網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提升方面發(fā)揮著極其重要的作用，但大規(guī)模MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)置大量的天線，然后借助天線陣列進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，從而達(dá)到提高用戶網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)的目的。

2 5G網(wǎng)絡(luò)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及通信的節(jié)能研究

2.1 5G無線傳輸技術(shù)節(jié)能研究

5G無線傳輸方面的節(jié)能研究，主要是借助大規(guī)模MIMO、波形設(shè)計(jì)技術(shù)、全雙工技術(shù)以及新型多載波等技術(shù)手段，提高5G無線傳輸?shù)念l譜效率以及發(fā)展?jié)摿?。首先，大?guī)模MIMO主要是遵循多天線多用戶空分這一技術(shù)理念，通過大規(guī)模的天線配置，構(gòu)建出能夠在同一無線信道同時(shí)進(jìn)行多數(shù)據(jù)信息發(fā)送及接受的網(wǎng)絡(luò)（如圖1），大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢之處在于，無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率更好、鏈路更加可靠，而且系統(tǒng)的抗干擾能力也更強(qiáng)，其研究方向主要是對信息傳輸以及獲取方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；其次，全雙工技術(shù)主要是指在同一物理信道上進(jìn)行兩個(gè)方向的信號傳輸，也就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的同步進(jìn)行，全雙工技術(shù)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(shù)手段，其研究方向主要是干擾消除領(lǐng)域以及更好與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用等；第三，濾波器組多載波技術(shù)主要是對碼間干擾問題進(jìn)行處理，其實(shí)現(xiàn)原理主要有頻域內(nèi)濾波以及多相濾波網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)類型，也就是通過提升濾波器復(fù)雜度以及強(qiáng)化調(diào)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(wù)中心能耗分布

2.2 5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)能研究

首先，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是由不同類型基站以及不同種類無線接入技術(shù)組合而成的網(wǎng)絡(luò)，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，既可以對原有蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充，還可以提升無線頻譜的利用效率，對5G網(wǎng)絡(luò)頻譜性能的提升有著積極的促進(jìn)作用，但是，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程中也凸出了很多的問題，比如，不同覆蓋層次的網(wǎng)絡(luò)以及不同類型無線接入技術(shù)之間的相互干擾，無線回傳網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度出現(xiàn)明顯的增加，還有當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在不同區(qū)間移動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)因切換操作而引發(fā)的服務(wù)性能下降現(xiàn)象，仍然需要通過完善網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)等措施來解決這些問題；其次，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要由自組織存儲網(wǎng)、自組織計(jì)算網(wǎng)以及自組織傳感器網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)成，是一種高彈性、智能化、低成本的實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)，可以用于解決5G網(wǎng)絡(luò)中無線回傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜這一問題。

3 5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)設(shè)備任務(wù)遷移的節(jié)能研究

對于5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)設(shè)備任務(wù)遷移的節(jié)能研究，主要涉及到卸載服務(wù)模式、卸載策略以及卸載能耗測量模型等幾個(gè)方面，其研究內(nèi)容則是5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生能耗的因素，比如，移動(dòng)設(shè)備與基站之間的通信等。在研究移動(dòng)設(shè)備任務(wù)遷移能耗時(shí)，除了需要加強(qiáng)相關(guān)計(jì)算模式與算法的提高和完善，還需要考量到計(jì)算模式與5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境的適應(yīng)程度，而5G網(wǎng)絡(luò)利用大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充，其優(yōu)勢之處在于一方面可以顯著減少計(jì)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(dòng)設(shè)備更加便捷的找尋到接入點(diǎn)。

4 5G網(wǎng)絡(luò)下云服務(wù)中心節(jié)能研究

云服務(wù)中心是移動(dòng)云計(jì)算的重要載體以及必要支持條件，主要是指分布在各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心。云服務(wù)中心除了會(huì)通過相關(guān)平臺以及軟件等形式為客戶提供服務(wù)以外，還包括硬件方面的業(yè)務(wù)，無形中大大增加了云服務(wù)中心的能耗問題，根據(jù)相關(guān)測評報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，云服務(wù)中心能耗比例最大的是計(jì)算服務(wù)，占據(jù)了云服務(wù)中心能耗的半數(shù)以上，包括CPU運(yùn)行能耗、外圍設(shè)備運(yùn)行能耗以及主板運(yùn)行能耗等，然后就是訪問交換、聚合交換以及內(nèi)核交換等交換和通信能耗（如圖1）。云服務(wù)中心節(jié)能措施應(yīng)從服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及能源技術(shù)幾個(gè)方面入手，首先，云服務(wù)中心服務(wù)方面的節(jié)能措施，主要包括虛擬化技術(shù)的應(yīng)用以及動(dòng)態(tài)功率管理等，虛擬化技術(shù)應(yīng)用是指利用虛擬機(jī)減少服務(wù)器上的硬件數(shù)量，不僅可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的高效利用，還有助于減少服務(wù)器運(yùn)行過程中的能耗；而動(dòng)態(tài)功率管理一方面需要根據(jù)服務(wù)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行模式調(diào)節(jié)，比如，當(dāng)服務(wù)器處于非活躍狀態(tài)時(shí)可以將其轉(zhuǎn)換為休眠模式，另一方面則需要根據(jù)當(dāng)前服務(wù)器負(fù)載情況對CPU功率進(jìn)行合理調(diào)控。其次，云服務(wù)中心網(wǎng)絡(luò)方面的節(jié)能措施，主要包括自適應(yīng)鏈接設(shè)置、虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入以及網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)置等，自適應(yīng)鏈接設(shè)置主要是通過動(dòng)態(tài)設(shè)置鏈路數(shù)據(jù)速率等方式降低鏈路能耗，而虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入則是通過相應(yīng)的算法在部分設(shè)施上設(shè)置虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，并將空閑的網(wǎng)絡(luò)資源轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。

總結(jié)：總而言之，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普及以及移動(dòng)云計(jì)算用戶數(shù)量的不斷增長，對移動(dòng)云計(jì)算的研究也越來越全面、深入，而節(jié)能降耗作為關(guān)系到5G網(wǎng)絡(luò)下移動(dòng)云計(jì)算持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素之一，對其進(jìn)行的研究工作也從未停止，相關(guān)研究人員除了需要從網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和通信、移動(dòng)設(shè)備以及云服務(wù)中心軟硬件等相關(guān)方面對移動(dòng)云計(jì)算節(jié)能措施以及能效保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究和完善以外，還需要考量到5G技術(shù)帶來的智能性、功能性擴(kuò)展，以及5G技術(shù)的發(fā)展需要和用戶良好體驗(yàn)需求。