通信网络能耗与节能技术应用分析

丁春风

摘要：通信网络与人们的现代生活密切相关，通过构建广泛的通信网络实现了跨区域的网络互连。但与此同时，通信网络的能耗问题也成了重要的技术挑战。文章对现代通信网络建设方法进行研究，结合绿色通信网络建设的相关理论，对目前阶段通信网络软硬件在能耗方面的情况作出了归纳和分析，并以能耗产生的具体条件和具体方式为主要切入口，对节能技术的应用进行创新型的设计和论述，从而提升通信网络的绿色环保能力。

关键词：通信网络；网络能耗分析；绿色通信；节能技术

据相关能源部门的统计数据显示，在全球能耗当中，通信网络行业的能耗占比已经接近5%，且表现为大规模的碳排放。在一些发达国家，通信网络行业所造成的环境破坏也已经到了十分惊人的水平。与此同时，在技术发展的影响下，云技术、智能终端的广泛应用，也带来了大量的无线网络流量，也使得网络耗能更加明显。因此在环境研究领域，越来越多的研究人员提出了绿色网络的概念，希望借助节能技术的应用，提高通信网络的环境保护能力。

1 通信网络所产生的能耗分析

1.1 网络数据中心能耗分析

在现阶段的通信网络建设当中，为了满足更为广泛的用户群体的网络通信需求，通信网络希望能够借助大数据、云计算等技术提高数据统计和网络运算能力，从而提升网络服务质量。因此，网络服务商需要通过搭建大规模的网络数据中心来实现网络数据的获取、计算和控制。在对数据中心进行分析后，笔者发现，目前的数据中心在运行过程中所产生的能耗主要集中在网络、服务器以及硬件散热3个方面。在这3个部分中，作为非IT设备的散热系统所产生的能耗最为显著，因此在研究领域，研究人员希望通过PUE（PowerUsage Effectiveness）指标对能耗情况进行衡量[1]。除了散热问题之外，服务器的运行所产生的能耗也成为主要的能耗来源。众所周知，通信网络所建构的数据中心，需要将大量的数据内容与中心服务器相互连接，而在连接的过程中，数据中心需要与上层应用之间进行通信，并提供高性能的钻发服务。为了保证数据服务精准、高效，在进行服务设置时通常需要依靠设备、链路的充裕，实现“富连接”。但是在实际的应用过程中，这种充裕的“富连接”方式所表现出的网络拓扑在低负载的情况下，效率极低。但是由于数据中心本身的特性，能耗的产生量和负载大小并无直接关系，以致于无论是何种负载状态，其所产生的能耗数量都是趋同的，因此在低负载状态下，造成了严重的负载浪费，能耗增高。

1.2 无线网络传感器能耗分析

在目前所广泛应用的无线网络之中，无线网络传感器的能耗的产生主要集中在两个部分。其中一种能耗产生与无线网络的通信无关，一般表现在无线传感器所进行的数据采集和数据处理这一层面，另一种能耗产生则与通信能力相关，主要集中在无线通信过程中的数据传输和发送这个阶段。在相关的研究中，研究者通过指标对比发现，两种能耗情况虽然同为无线网络传感器能耗，但是在能耗大小和能耗影响方面，无线网络状态下的数据通信所产生的能耗是要远高于与通信无关的数据处理能耗的。本文在进行分析论述时，主要将目光和重点放置在无线网络传感器的通信能耗之上。

目前所采用的无线网络传感器，在其工作过程中，每一个周期内部都存在4种工作状态：在进行数据发送时，传感器为发送状态。在进行数据信息获取时，则处于接受状态。此外，在空闲阶段，传感器还会进入到空闲状态以及休眠状态。在4种状态当中，网络传感器处于数据发送时的能耗最高，这主要由于无线傳感器在利用无线信道进行通信数据传输时，需要增大功率，并通过功率增强的方式，保证信号数据的传输范围和传输距离，因而产生较大的能耗[2]。而在接收状态和空闲状态之下，传感器需要对信道内部的信号进行获取和监听，同样需要运用到同一功率，但是相较于发送状态，这两种状态的能耗则降低许多。最后一种状态为休眠状态，这种状态之下传感器不再进行工作，无法对无线信道内部的信号数据进行传输和监听，因此此时的能耗最低。

2 通信网络的节能技术应用

2.1 有线网络的休眠技术应用

通过前文的数据中心能耗分析可以看到，在目前通信网络所应用的网络结构中，有限网络链路所形成的能量消耗与其负载利用情况之间并没有直接的相关关系，在具体的运行中，二者相互独立，因此链路的利用率变化并不会造成能耗的改变。在低负载状态下链路会仍然维持信息量同步，并发送不包含信息内容的帧，因此造成了空闲链路的非必要能量消耗。为了解决这一能耗问题，在相关的研究中，研究者希望通过IEEE802.3的工作组方式，提高以太网链路的有效性，并通过采用低能量空闲状态，控制链路损耗。通信网络中IEEE802.3az主要的通信方式为对数据包进行处理，从而使数据包的传输延迟得到控制。为了改变能耗问题，在进行数据包控制时，将控制手段放置在数据包发送的初期，在通信网络数据中心进行数据包发送时，调整设备状态在“活跃模式”，而当数据包传输数量降低或没有数据包发送时，则调整设备状态，使其能够进入到“休眠模式”[3]。在休眠模式之中，通过Ts秒的时间使模式转入到低能耗状态。在休眠模式中，设备处于低能耗状态，这一时期，数据中心有线链路只能够在较短的时间内进行信号的发送，但是在较长的时间段内，有线链路则需要保证休眠，直到数据包传输需要时，恢复状态，回到“活跃模式”，进行数据包的发送。这种模式的转化与数据中心的传输需求直接关联，从而实现能量运用的有效性。以太网的运作主要依托数据包操作，通过队列的先后，对数据包信息进行调度和搜集，从而完成有效归并。

2.2 数据中心能耗控制

在数据中心的能耗控制中，除了要能够对以太网链路的负载情况、数据包进行处理之外，还需要对硬件设备进行调整，保证数据中心具有良好的节能环境。在现阶段的硬件设备选用方面，笔者认为，构建节能、绿色的数据中心，可以尝试采用刀片式的服务处理器，使处理能耗能够得到充分控制。在数据中心的运行过程中，数据芯片的发热量最为巨大，因此其散热压力也更高。在进行设备设计和设备应用过程中，数据中心需要挑选具有低功耗的处理芯片。此外，在服务器建设方面，刀片式服务器是一种独特的一体化建设方式，服务器内部的刀片实际上能够作为系统母板实现功能，进而形成了服务器的独立设置。与传统的常规服务器相比，刀片式的独立服务器设置能够达到超过30%的能耗控制。

2.3 无线网络的休眠控制

无线网络由于受到传感器状态影响，大部分时间处于一种高功耗状态，无法进行自由的状态切换，因此其休眠状态很难做到完全的工号控制。因此在技术研发和技术应用中，研究者提出了通过链路层作为媒体介入的方式进行Mac控制层的信道介入控制。随后，在Mac层级之上，进行无线网卡smac的运用实现休眠动态控制，提高无线传感器的节能能力。无线网卡smac的动态控制主要是进行周期性的监听和休眠轮换。与传统的无线网络节点不同，传统的网络节点在进行数据传输时只能够在监听信道和传输信道进行择一选择，但是smac网卡的周期性机制，能够对不必要监听进行控制，从而实现数据传输与休眠之间的完美轮换，降低能耗。而在休眠机制选择方面，smac无线网卡则可以通过节点传播的方式，对全网进行分析，随后依据分析结果选择节点特征，并发出休眠指令。在具体的休眠时，依据预设的休眠机制和时间戳，对不同机制的优先级进行选择，从而实现机制的同步，达到智能动态控制。

2.4 网络拓扑控制

除了进行动态休眠状态控制之外，通信网络节能技术方面，还可以选择应用网络拓扑控制技术。对于网络拓扑来说，每一个网络拓扑都可以被描述成为一个有向图形式，在有向图中，拥有网络节点集合和节点间的连接集合，因此需要通过网络性能，保证拓扑的连同属性。在以往的网络结构拓扑当中，技术手段对于拓扑的控制以及能耗问题无法极性平衡，因此在进行节点连接之间的通信时，容易出现能耗的增加，因此为了解决能耗问题，需要进行平衡性的拓扑控制。本文提出，可以尝试通过控制数据帧的方法，构建具有更高连通性的结构，从而实现有效的鏈路信息交流，实现节点能耗的控制。同时，在数据传输过程中，还可以采用周期性的监听技术，从而使网络内部端到端的延迟以及资源配置能够得到优化。此外，在拓扑控制策略当中，还可以采用分布式的拓扑结构在进行拓扑构建时，可以将无线网络特点中的节点覆盖作为拓扑节点，并形成覆盖范围的拓展，实现网络效率的提升。在拓扑维持阶段，则选用动态控制方法，降低连通当中的数据包重传现象，最终达到节能目标。

3 结语

绿色的通信网络建构是节约型社会发展和环保要求的主要创新方向。为了能够实现对于网络能耗的控制，需要对有线网络、无线网络中低负载、重复传输所造成的能耗加以控制，通过采用链路优化、拓扑结构的改善，最终达到能耗的控制。

[参考文献]

[1]邹欣洁，吕振宁，王卫星，等.兆瓦（MW）级海岛微电网通信网络架构研究及工程应用[J].电力系统保护与控制，2015（19）：112-117.

[2]张玉琢，曹源，闻映红.基于交换式以太网的列车通信网络建模与性能分析[J].通信学报，2015（9）：181-187.

[3]黄新波，唐书霞，刘家兵，等.青海一西藏交直流联网工程输电线路在线监测通信网络设计与应用[J].高电压技术，2013（11）：2589-2596.