高能效互联网传输技术的应用分析

文／何峡峰

摘要：随着我国计算机的普及和网络技术快速发展，互联网用户、高宽带需求业务增加。在此背景下，产生巨大的互联网数据，能源消耗严重，对互联网可持续发展造成威胁。因此，提高网络能源利用率，优化网络能耗是发展无线通信的必然趋势，需要采用合理技术，减少数据重复传输，提高网络传输速度，降低传输能效。本文主要对概述目前互联网能耗问题，介绍高能效互联网传输技术，并探究该技术的具体应用。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：互联网；高效能；传输技术；应用

随着无线移动通信系统迅速发展，人们可利用无线通信下系统进行移动多媒体业务，为移动用户提供高速宽带无线传输、无线接入可能，为用户生活、工作提供方便。但是，在网络规模不断扩大、用户数量陡增情况下，无线通信网络能耗剧增，造成大量的温室气体、能耗排放，污染环境。目前，运营商、全社会高度关注网络能耗污染问题，对绿色互联网提出需求，明确能耗组成，优化互联网传输，全面应用高能效互联网传输技术，实现互联网的绿色、可持续发展。

1、目前我国互联网传输能耗问题

1.1 网络能耗大

在全球能源消耗中，通信、信息产业每天产生占全球温室气体排放量3%的CO2等温室气体，对环境、气候造成严重影响。在电能消耗方面，每年全球蜂窝移动通信系统消耗约600亿度电，且每年我国移动运营商消耗约200亿度电，无线通信能源消耗严重[1]。同时，以太网接入点剧增，并有大量与之相连的路由器、交换机等设备，整个信息系统耗能量大。随着能耗的持续增长，全球碳排放随之增加，节能减排成为关注的重点。各国积极开展有关环境、气候保护会议，共同商讨如何节能减排，确保全球的可持续发展。例如，在2009年哥本哈根气候峰会上，我国在“十二五”发展规划中纳入节能减排内容，并承诺与2005年相比，2020年CO2排放量降低4%。

1.2 系统设计不足

在我国创建节能型社会背景下，降低计算机设备、网络设备能源消耗成为社会建设重点，需要运行商加强网络系统设计，提高通信传输能力。然而在目前网络系统设计中，存在冗余设计、超额资源供给问题，设计目标为保障通信畅通，忽视能耗问题，能源效率低。例如，在网络空闲情况下，系统链路利用率低于5%，而在繁忙时间，利用率不足30%[2]。但峰值带宽是决定网络设备能耗的核心因素，在设备全天全速工作状态中，用户真正需要最高宽带的时间较少，但设备能量消耗仍以峰值宽带进行，造成大量能源浪费。因此，在网络运行中，提出绿色无线通信概念，提高蜂窝移动通信网络能量效率，注重资源使用效率，降低网路运营成本，降低宽带通信系统能耗。

2、高效能互联传输技术

2.1 边缘网络节能技术

边缘网络节能技术主要包括以太网节能技术和网络存在性代理两方面。其中，以太网是局域网组网的核心技术，传统利用率低，能源消耗大。为了实现高能效互联网，以以太网休眠技术、变频技术实现网络节能。例如，在2010年9月，IEEE802.3az EEE相关标准被制定，在无数据传输时，休眠模式开启，链路进入低能耗状态，而当数据传输时，链路开启，迅速传输新数据，工作示意图如图1。其中，在图1中，Ts表示进入休眠所需时间，Tq为低能耗模式时间，Tr为刷新时间，而换新醒链路时间为Tw。在具体工作中，空闲时，以太网处于低能耗模式，能源消耗仅为正常模式的10%。在物理成的IPI协议下，EEE得以实现，且链路两端设备在IPI模式下利用率低，低能耗模式切换灵活，保持链路状态不变。

在网络存在性代理方面，网络边缘节点禁用电源管理的核心是保持网络的的时刻存在性，共享应用远程管理、远程登录、P2P等资源。在具体工作中，网络开始工作时，节点处活跃状态，传输数据，而当节点空闲时，节点、代理之间进行状态传输，之后节点进入休眠状态，且在休眠期间，发往被代理节点的网络报文被网络存在代理截获处理，清理被代理节点状态，实现直接通信[3]。同时，在不同网络层，网络存在性代理处理路基不同。例如，在网络层，支持IPv6、IPv4、ARP协议，并在一定情况下支持DHCP、IGMP。

2.2 核心网节能路由技术

对于链路及节点而言，其在核心网中利用频率并不高，且在传统网络设计中，对峰值时间段出现的负载具有较多考虑，将网络设备位置在峰值状态。而由于网络流量具有自身周期性，以天数自身表现计算，这样，在低负载情况下，可让一些不重要链路、节点处于低能耗模式，节约能耗，实现网络的可持续发展。在具体核心网节能路由技术设计、应用中，节能路由器需要满足电源模式、链路利用率、能源优化器等问题。例如，需要链路、路由器逐渐形成低能耗电源模式，合理处理不同电源的能耗开销及转换问题，降低电源使用率、浪费率。同时，全面结合网络吞吐能力、链路利用率、组丢失率等建设评价模型、约束模型[4]。此外，建模能源优化器，确定链路频率，关闭节点。如改变互联网的拓扑结构，依据网络负载、变化状态，选择具有能源面感性效果的网络拓扑，确保网络设备活跃数量联系网络负载，从而在负载下降时，使网络设备处于休眠状态，而负载提升使，加速设备工作运行。

3、高效能互联传输技术的具体应用

3.1 依据能效比例计算理念，优化网络能耗组成

实现绿色无线通信互联网的核心理念是能效比例计算。该理念为互联网设计提供新的方向，指的是系统能耗正比于工作负载，即在理想状态下，网络工作无负载时，能耗也几乎不存在。在实际工作中，将整个网络看做一个系统，网络能耗相比于网络负载，以整个系统为基础进行能耗计算。同时，电源模型、能源优化器为实现高效计算的必要条件，以此为基础组成、优化网络能耗。例如，首先，利于变频支持，优化设备、硬件层面，并自动实现链路变频、流量聚合，感知流感，优化传输协议层面。其次，利用重尾分布规律，结合人们显式、隐式访问现象，将数据重复传输降低，节约流量，或用用广播代替单播，进而将流量降低，降低能耗。最后，利用控制流量、数据通讯量特点，提高应用位置的感知能力，将网络存在代理发放应用在网络系统中，实现网络优化[5]。此外，对无线通信天线、功放等耗能器件效率进行优化，优化基站偏置功率。

3.2 优化链路级能量

各类无线接入节点组成无线接入网，无线接入网的能耗几乎均来自于基站系统功耗，因此在高能效互联网设计中，应准确分析基站功耗结构、网络能量效率、建模基站功率，确定传输相关功率。在此基础上，优化链路级能量，由于天线效率、功放效率、馈线损耗等因素影响，基站射频部分消耗较大功率，且其功率配置影响无线通信系统能力。因此，需要利用高能效传输技术，优化链路，优化整个无线通信系统，其具体应用依赖业务传输性能与功耗折中、无线资源与传输功耗折中。例如，为满足用户业务需求，提高无线通信系统服务能力，需要对系统中各指标进行优化。在传统蜂窝网络中，功率分配根据设备处理能力、网络最大负载量所达到的最大传输速度确定，以此确保业务传输畅通，但是，低负载阶段仍消耗大量功率，资源浪费。这样，利用最小功耗代价、放松各性能苛刻要求，折中功率、业务，可有效提高传输能量。在应用过程中，需要运营商全面了解业务特性，分析无线资源功率分配情况，进而对各传输参数进行准确设置，实现网络能量效率最大化[6]。

3.3 分配无线资源，融合多媒体广播

对用户无线接入竞争进行协同是分配无线资源的核心，根据用户CSI对传输功能功率、无线信道进行合理分配，进而自适应无线链路，提高网络传输容量。同时，随着网络技术的提升、业务的丰富，网络资源分配也需全面考虑用户接入公平性、业务需求等因素。例如，OFDMA网络利用用户分集分配资源。而LTE系统充分考虑信道业务需求、“双选”特性，利用资源调度方法优化无线资源。此外，移动多媒体业务被下一代无线通信系统支持，且多媒体业务请求的规律性明显，因此，可基于用户请求业务内容，广播热点业务，避免单播造成的重复传输[7]。融合广播网、通信网，利用广播网数据拥塞低、容量高、宽带传输等特点，将热点业务移交给广播网络传输，节省单播功率消耗。在此基础上，还可融合WLAN、蜂窝网络、终端短距离通信等网络，集中、分布调度数据，基于业务特性、用户分布对接入点进行合适选择，减少传输距离。

4、结束语

随着全球对网络高能耗的关注，绿色节能网络成为网络系统研发、发展的主要方向。利用边缘网络节能技术、核心网节能路由技术，优化链路级能量、网络能耗组成，进而合理分配资源，实现网络资源的准确传输，降低资源浪费，实现能源消耗最小化，确保互联网的可持续发展。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

[1] 张国强，林森，刘真等.高能效互联网传输技术研究[J].通信学报，2012，33（5）：158-168.

[2] 刘晖.高能效互联网传输技术研究[J].硅谷，2013，（9）：55，25.

[3] 陈军.以太网节能技术的研究和应用[J].科技信息，2013，（12）：267.

[4] 肖潇，陶晓明，陆建华等.基于高能效无线接入网的绿色无线通信关键技术研究[J].电信科学，2011，27（11）：75-83.

[5] 王国玺.绿色无线通信的基站体系[C].//北京通信学会2012信息通信网技术业务发展研讨会论文集.2012：187-194.

[6] 唐奕军.上海贝尔倡导的高效能接入网络[J].邮电设计技术，2010，（5）：30-33.

[7] 刘永刚.关于社会建立绿色互联网的设想和实施方案研究[J].中国新通信，2013，（18）：21.

作者简介：何峡峰，大学本科，湖北三峡职业技术学院，讲师，研究方向为互联网、数据库技术。