第一章 绪论

本章首先介绍绿色通信网络的研究背景与意义，然后分析研究现状，接着阐述本论文研究内容和主要创新点，并给出论文的组织结构安排。

1.1 研究背景与意义

当今通信网络蓬勃发展，催生了各种各样的通信技术和通信网络形式，为人们提供信息获取的快捷和交流沟通的方便。如今的通信网络已经发展成为一个由有线网络和无线网络组成的混合的全球性网络。这是一个复杂的异构网络，一种基本的通信网络结构图如图1-1所示。其中，核心网络是通信网络的主干，通过交换机和路由器不仅可以实现对网络设备的智能化访问和决策，还提供了不同子网间信息交换的路径。目前大型企业的主干网中，常采用的是吉比特以太网或 10 吉比特以太网技术。移动通信网络作为无线接入的一部分，为人们提供了随时随地的通信服务。第三代移动通信（3G）网络已经广泛部署，为人们提供数据、传真、语音、多媒体娱乐和全球无缝漫游等服务。移动通信的下一步是走向容量更大、速率更高、功能更强的 4G，同时 5G 技术也逐步开始研究。无线自组织网络具有组网灵活、成本低和可拓展等特点，最初应用在军事、救灾等特殊场景。随着无线自组织网络技术的发展，它已经被广泛应用在无线传感器网络和无线车载通信网等，为人们提供信息获取和信息交流的无线网络服务。复杂异构网络中的每一种网络都在单独地飞速发展，同时它们也相互融合，推动着整个通信网络的不断发展。

尽管迅猛发展的通信网络给人们带来前所未有的便捷，但是能量消耗巨大，导致了大量的温室气体排放，对全球环境和经济造成重大影响。据欧盟报道，如果要避免在 2020 年全球温度上升 2摄氏度，全球需减排温室气体 15%-30%。据估计，信息通信行业每年的能耗约占全球的 3%，每年的碳排放量约占全球的 2%，甚至超过全世界航空业的碳排放量，并具有持续增长势头。在发达国家，例如英国，这个数字已经上升到10%。从图1-2中可以看出，信息通信行业中不同设备的能耗增长势头惊人。在我国，政府每年数百亿元能源消耗中有约 50% 来自信息通信相关行业。云计算和云服务的发展，智能终端的出现，也带来了大量的网络流量。另外，通信网、传感网、互联网和物联网等基础设施的建设，大大增加了网络的规模和能耗。而随着无线接入节点以及无线终端数量的不断增加，不仅是能耗问题，无线辐射所造成的环境污染也已成为人们所关心的重要议题。由此可见，信息通信行业日益增加的能耗已经给社会生产和人们生活带来了很大的挑战。因此，在通信网络中进行节能，构建绿色通信网络，维护人与自然的和谐发展刻不容缓。

1.2 研究现状

当前绿色通信网络还没有一个统一明确的定义。从环境角度上讲，绿色通信网络是旨在减少温室气体排放量的网络结构。从信息通信角度上讲，绿色通信网络是在保证用户服务质量的前提下，尽可能地采用较少的网络资源如能耗、网络设备等实现互联通信的网络结构。为了达成这一目的，一些国际组织、机构和研究者广泛关注绿色通信网络能耗问题，并积极推动信息通信网络的节能方法研究和应用。

1）在国际组织和各国政府方面，Bell 实验室于 2010 年 1 月牵头成立 Green Touch（绿色沟通）组织。该组织通过对现行网络结构和性能进行分析，认为未来 5 年通信网络有效性有望提高千倍以上。绿色沟通的技术目标涉及到对通信网络中的能耗评估、模型确立以及数据预测，并对联盟创新成果在环境保护和网络能源方面的影响进行评估。该组织已成立了一个技术委员会。该委员会将确定网络研究架构、设定技术目标，并对各技术工作组的各项活动进行协调。这些工作组致力于诸如无线和固定网络接入、核心传输以及交换路由技术等方面的研究。TREND 项目是由欧洲的研究者（包括大学、制造商和研究机构）发起的网络优化项目，致力于电信行业的绿色节能。该项目现已经对电信行业的能量问题和未来网络的可持续建设方面做了大量研究和实验。各国政府也对绿色通信网络发展高度重视。美国为智能电网的研究和运营投入重金，以希望提高电网运营的智能化和节能环保。加拿大高级研究和创新机构致力于减少数据中心和制冷设备中的能量消耗。欧盟各国也纷纷投入到各种节能减排方法研究中来。我国在“十二五”规划中已经将节能减排列为重大专项，国家工业与信息化部也制订了通信业节能减排政策。

2）在学术研究方面，国际研究组织国际电子与电气工程师协会（IEEE）对绿色通信网络尤其关注。通过著名国际会议，IEEE 已经多次召开与绿色通信网络节能相关的研讨会。IEEE有关“绿色通信”主题的国际会议分别在ICC2009、GLOBECOM2009、GLOBECOM 2010 连续举办了 3 届并有后续的会议筹备。IEEE 于 2010 年 11 月和 2011年6月和8月组织三期绿色通信专刊，且持续组织专刊征稿，并认为绿色通信技术将是未来 10年通信行业的重中之重。

绿色通信网络的节能方法已是当前学术界所关注的研究热点之一。众多研究者投入到绿色骨干网、无线网络以及混合网的节能研究中去。自适应速率技术、流量聚合机制、休眠机制、功率控制等一系列网络节能技术相继被提出。事实上，当前网络中能量的利用率仍然非常低。网络中的设备都是针对最大流量负载或者最坏情况而设计的，而在普通情况下不能被有效地利用。自适应速率技术根据不同数量级的网络流量选择对应数量级的链路，自适应地调整速率可以有效避免网络流量和链路等级不对等情况，从而节省了不必要的能量浪费。在绿色通信网络中，当网络流量较低时，通过休眠技术可以把网络设备关闭或者置于睡眠状态。当流量增大或者需要再次使用该设备时再把它们开启或者唤醒，这样可以使设备不必全天候处在高功率运转状态，节约了大量能量。目前，低功耗休眠机制已经被 IEEE802.3az 标准采用，作为 IP 网络的重要节能技术。在无线网络中，由于能量受限，需要采用功率控制对能量进行优化配置，达到提高能量有效性和延长网络寿命的目的。

第二章 通信网络节能方法综述

2.1 引言

迅速发展的通信网络在给人们带来生活便利的同时，也产生了巨大能耗，影响行业可持续发展。不论是应用广泛的互联网，还是日新月异的移动通信网络，抑或具有特殊用途的传感器网络，都存在着能耗的问题。这些网络要么是能耗过大浪费太多电量，要么是电量供给有限。因此，从绿色通信网络角度上讲，它们都有节能的必要。为构建绿色通信网络，研究机构和研究者们广泛关注通信网络能耗问题并积极推动节能技术发展。虽然研究方法纷繁复杂，研究成果众多，但是由于当前通信网络主要是由有线网络和无线网络所构成，因此这些节能研究可以归结到有线网络节能、无线网络节能和混合网络节能。本章将从这三个大方面对通信网络节能方法研究进行总结，并关注新兴的节能技术和新能源发展。

2.2 有线网络中的节能研究现状

在核心网络和数据中心里，网络资源的利用率较低。比如，在凌晨 3:00-7:00，网络设备基本处在闲置状态，而这种情况下的设备耗电量约占满载时候的 90%。在这种网络结构中，节能的主要思路是对网络资源进行重新整合，以节能为目的进行优化分配。主要的方法主要包括以下几种：

1) 把空闲的设备关闭，在需要的时候重新开启，以免浪费更多能量。

2) 把资源进行集中整合处理，完成所需求的服务。其中，第一项是有线网络休眠节能技术的主要思路，数据中心的节能采用了第二项的思路，下面将详细介绍这些节能策略。

2.2.1 有线网络中的休眠技术

在当前网络结构中，链路上的能量消耗与它的利用率是相互独立的，即无论链路的利用率是多少，它所消耗的能量不会因此而变化。事实上，即使是在没有数据帧传输的空闲阶段，链路仍然会持续地发送不包含任何信息量的帧以保持同步。因此，链路的能量消耗主要取决于链路的设计容量，而与实际的链路流量无关。因此，可以通过关闭空闲链路来节省不必要的能量消耗。

以太网是局域网的主要有线网络技术。其中，美国有10亿，全世界有30亿的接入需求[15]。自 2006 年以来，IEEE 802.3 工作组致力于提高以太网的能量有效性。工作组于2010年9月30日决定采用低能量空闲模式来降低链路的能量消耗，最终的工作成果成为 IEEE 802.3az 能量有效性以太网标准。采用能量有效性以太网可以为美国带来价值 4 亿美元，全球 10 亿美元的能量节省。文献阐述了标准推出前的工作流程和技术方案的选择，以及最终的解决方案。IEEE 802.3az 采用的数据包处理技术可以有效提高能量有效性并能把数据包延迟控制在可接受的范围内。能量有效以太网的操作流程如图2-1所示：当有数据包需要发送时，设备处在活跃模式；当没有更多的数据包需要传输时，链路将会进入低能耗或者休眠模式。转入低能耗模式需要 Ts秒的时间。一旦处在低能耗模式，设备只会在一个较短的时间 Tr里发送信号，在一个较长的时间 Tq里保持休眠。一旦有数据包到达需要传输，链路又会转到活跃状态。这个转换状态需要Tw秒的时间。在活跃状态时，更多的数据包将会被发送。为提高能量有效性，以太网在数据包操作中采用先进先出队列对数据包进行收集、归并和调度。在此设计中，第一个数据包到达一个空的收集队列并开始计时，一旦达到最大数据包数量或者计时器超时，所有在收集队列的数据包将会被一并发送出去。数据包收集不需要额外的缓冲区，它可以在系统内存里面完成。事实上，这种数据包操作方法已经应用在许多高速接口以降低 CPU 处理数据包的开销。通过对一个 10Gb/s 链路进行能耗与性能的均衡分析，IEEE802.3az的该标准能节省大量能量，且不影响网络性能。

第三章 基于流量预测的有线网络休眠节能研究 ········· 20

3.1 引言 ············· 20

3.2 网络流量预测方法··············· 21

3.2.1 网络流量的特性 ··········· 21

第四章 无线网络中基于能效的拓扑控制研究 ················· 41

4.1 引言 ·············· 41

4.2 系统模型 ················· 42

4.2.1 网络模型 ······················ 42

第五章 混合网络中TCP 的节能研究 ··········· 64

5.1 引言··············· 64

5.2 混合网络的端到端性能问题研究 ··········· 64

第六章 网络能耗估算方法研究

前面三章分别提出了适用于不同网络结构的节能方法。为了更好地指导绿色通信网络研究，需要对网络能耗进行估算。为寻找一种简单快捷并且成本低廉的能量估算手段，本章提出一种基于仿真的能耗估算模型，从数据包的生命周期和节点工作状态两方面来估算网络中的能耗情况。

6.1 引言

在通信网络节能研究领域，诸如协议优化、速率调整和休眠节能等节能策略相继涌现，以降低网络中不必要的能量消耗。在试图降低网络能耗之前，有必要估算一个网络的能耗情况，因为这样可以清楚地知道网络的能耗处在一个什么水平，是否具有能效性，为不同网络层次上的绿色通信设计提供指导。然而，寻找一种简单有效且低成本的方法是比较困难的。一方面，对每一个应用场景搭建一个实际的测试平台尽管是非常精确的测量方法，然而却是不合实际的，因为它不仅复杂昂贵还耗费大量时间和财力并且灵活性差。另一方面，一些软件方面的测试方法要么专注于特定协议要么采用的数学模型不足以适应网络的复杂性，不能完全反映网络的整体能耗情况。另外，他们也无法脱离每个协议的细节，普适性较差。因此，寻找一种简单快捷并且成本低廉的能量估算方法势在必行。本章将从硬件分析和网络模型两个方面来考察现行的网络能耗测量方法，并分析他们的优缺点。然后，提出一种基于仿真的能耗估算方法，从数据包的生命周期角度和网络节点工作状态两方面来估算网络中的能耗情况，构建简单有效且开销小的能量估算模型。

结论

研究总结

通信网络的迅猛发展虽然给人们带来通信的便利，但是大量的能耗也给环境保护带来了很大的挑战。除了提升网络性能，任何网络类型和应用的发展都必须考虑能量节省。因此，对通信网络的能量节省是推进未来信息化可持续发展的必然手段。为此，本文以节能为出发点，从有线网络、无线网络和混合网络等方面开展节能技术研究，并对网络能量估算进行研究。本文的主要结论有以下几点：

1) 当前网络设备的设计是应对最坏情况的，在一般情况下，网络并没有得到完全应用，一直处在活跃状态的空闲设备和链路消耗了大量能量。本文根据网络流量的特性对网络流量进行预测，得出具有较高吻合度的预测结果，并根据预测结果对网络链路进行重新规划，使处在低流量状态下的链路把流量进行聚合，进而变成空闲，从而休眠节省能量。该策略在保证了网络基本性能的前提下，使网络随着流量的大小开放相应的链路，节省了大量不必要的能耗，达到节能目的。

2) 在无线协作通信网络中，能量有效性是一个重要的网络优化目标。本文通过对传输方式选择进行拓扑控制，充分利用协作通信网络中用户协作的优势，提升网络的整体能量有效性。通过把拓扑控制问题描述成一个联盟博弈问题，本文提出一种自适应的联盟博弈算法。该算法具有较好的收敛特性和极低的复杂度，并且产生的联盟结构具有稳定性。仿真结果表明此方案能提高网络的能量有效性和延长网络寿命。

3) 混合网络兼具无线网络和有线网络的特点，但又有不同于它们的特殊特点，使得端到端的性能不容易保证，且会因丢包而造成大量能耗。针对混合网络特点，本文基于 SEMI-TCP 思想，提出一种逐域 TCP 方法。该方法将 TCP 链路分成若干段分别对待，实现逐域的 TCP 控制，到达丢包分域隔离、对丢包快速反应和能量节省的效果。仿真结果表明，逐域 TCP 比传统TCP 有更好的能量节省。

4) 在通信网络节能研究领域，衡量网络能耗可以为网络节能设计提供指导，是构建绿色通信网络必不可少的一步。本文克服现有能量估算方法存在的问题，提出一种基于仿真的能量估算方法，从数据包的生命周期和网络空闲两方面来全面估算网络中的能耗情况。该方法独立于网络协议及协议细节，简单有效且开销小。

参考文献（略）