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在高速率、大帶寬的需求驅(qū)動(dòng)下，電信網(wǎng)絡(luò)得到了迅猛發(fā)展，但耗能問(wèn)題也逐漸引起了運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備商、業(yè)務(wù)提供商的廣泛關(guān)注有預(yù)測(cè)顯示，假如全國(guó)有1000個(gè)1.2P的路由器，其耗能將達(dá)1.5萬(wàn)兆功率，相當(dāng)于一個(gè)核電站。歐盟為此成立了綠色光電網(wǎng)絡(luò)小組，致力于節(jié)能光器件研究。中國(guó)工程院副院長(zhǎng)鄔賀銓在2010年中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)開(kāi)幕式上曾提及：“互聯(lián)網(wǎng)的寬帶化是流量超常規(guī)下發(fā)展的，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將加大網(wǎng)絡(luò)的能耗，需要從體系、技術(shù)等方面開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能的互聯(lián)網(wǎng)。”作為電信網(wǎng)絡(luò)的重要部分，光網(wǎng)絡(luò)在綠色、節(jié)能方面擔(dān)當(dāng)著重要角色。
構(gòu)建低碳環(huán)保網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源消耗與環(huán)境保護(hù)的矛盾愈發(fā)凸顯。一方面，環(huán)境對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展的重要性，已得到空前重視；改善環(huán)境、減少污染，已成為時(shí)代的急切呼聲。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗總量過(guò)大與能耗效率偏低是限制人類發(fā)展的重大瓶頸。解決能源問(wèn)題，保護(hù)生存環(huán)境，已經(jīng)成為人類發(fā)展的艱巨挑戰(zhàn)。
作為人類社會(huì)飛速發(fā)展的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)，通信行業(yè)在能耗挑戰(zhàn)中首當(dāng)其沖。隨著人們通信需求的逐步提高，ICT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的快速增加，ICT耗能也在迅猛增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和元件的消耗量更與日俱增。數(shù)據(jù)顯示，ICT耗能2009年已占世界總耗能的8%。作為ICT設(shè)施的重要部分，電信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能措施也提上了日程。
電信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，我們從電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三個(gè)組成部分入手，即核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，總結(jié)當(dāng)前存在的光網(wǎng)絡(luò)代表性節(jié)能方案。
圖1 電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
核心網(wǎng)多層推進(jìn)
核心網(wǎng)是電信網(wǎng)絡(luò)的主要部分，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高的特點(diǎn)。骨干網(wǎng)耗能大約占總網(wǎng)絡(luò)耗能的12%，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到20%。
首先，核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)量在一天中不同時(shí)刻大小不同。當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較低時(shí)，存在的暫停使用或利用率低的節(jié)點(diǎn)和鏈路，造成了能源的浪費(fèi)。如何達(dá)到能效最大化，即如何盡可能多地關(guān)掉空閑節(jié)點(diǎn)和鏈路，是關(guān)鍵所在。這個(gè)問(wèn)題即為NP難問(wèn)題，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)進(jìn)行解決，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，MILP計(jì)算量會(huì)急劇增大，因此MILP只適應(yīng)于小型網(wǎng)絡(luò)。
針對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)，可以采用啟發(fā)算法完成路由和波長(zhǎng)分配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效組件最小化。目前通常采用局部搜索、多空間搜索和全局搜索來(lái)處理NP難度問(wèn)題。局部搜索算法是一類近似算法的通稱，它從一個(gè)初始解開(kāi)始，每一步在當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)找到一個(gè)更好的解，使目標(biāo)函數(shù)逐步優(yōu)化.直到不能進(jìn)一步改進(jìn)為止；多空間搜索算法采用搜索空間平滑技術(shù)來(lái)減小局部極小點(diǎn)數(shù)量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局優(yōu)化中，采用特殊的變換模型將離散的布爾空間上的SAT問(wèn)題轉(zhuǎn)換成實(shí)空間上的“連續(xù)量SAT問(wèn)題”，已知的全局優(yōu)化方法有最速下降法、牛頓法、準(zhǔn)牛頓法、割平面法、橢球體法、同倫法、布爾差分法等。
其次，核心網(wǎng)中的IP路由是主要耗能設(shè)備，其能耗約占全網(wǎng)能耗的90%，如何減小路由耗能也是核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)能要考慮的一個(gè)重要方面。
核心路由的線卡和機(jī)箱耗能是不可忽視的，線卡和機(jī)箱的配置不同導(dǎo)致能耗不同。一般機(jī)箱填充級(jí)別越高，節(jié)能越明顯，也就是，高填充率的機(jī)箱比低填充率機(jī)箱每比特消耗能量少。
第三，核心網(wǎng)中呈現(xiàn)出多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故其節(jié)能應(yīng)考慮多層網(wǎng)絡(luò)的綜合耗能情況。由于大部分交換和傳送設(shè)備的耗能在一定程度上取決于業(yè)務(wù)負(fù)載，因此涉及到多層流量疏導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的最優(yōu)化處理，以減小使用波長(zhǎng)和ADM用量。目前流量疏導(dǎo)主要集中于靜態(tài)業(yè)務(wù)方案下的WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)建立普遍的流量疏導(dǎo)模型，利用啟發(fā)算法來(lái)解決流量疏導(dǎo)以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。另外，經(jīng)路由傳輸?shù)腎P包大小對(duì)其耗能也存在影響。即恒定比特業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，IP包越大，耗能越小。
第四，傳統(tǒng)的最佳路徑選擇依據(jù)為最小跳數(shù)，但最小跳數(shù)路徑的節(jié)點(diǎn)被過(guò)度使用可能性大，因而造成網(wǎng)絡(luò)耗能增加并影響網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，人們提出了能量感知路由，它將路徑剩余能量也作為最佳路徑選擇的指標(biāo)，以此降低網(wǎng)絡(luò)耗能并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。能量感知路由有兩種設(shè)計(jì)：一種是功率效率設(shè)計(jì)，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一種可升級(jí)中心結(jié)構(gòu)，使得路由耗能減小50%。另一種為功率節(jié)約設(shè)計(jì)，即減小額外的能耗，包含靜態(tài)性能控制和動(dòng)態(tài)性能控制兩方面。靜態(tài)性能控制可實(shí)現(xiàn)10%~20%的節(jié)能，動(dòng)態(tài)性能控制可以根據(jù)到達(dá)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)改變路由性能，是下一代路由發(fā)展的趨勢(shì)。
城域網(wǎng)因地制宜
城域網(wǎng)界于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，它覆蓋一個(gè)城市的地理范圍，連接用戶的業(yè)務(wù)聚合設(shè)備并和核心網(wǎng)直接相連。不同城域網(wǎng)所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不同。在城域網(wǎng)的主要技術(shù)有SONET、WDM環(huán)、以太網(wǎng)等。其中城域WDM環(huán)形結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛。
針對(duì)單向WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)考慮3種結(jié)構(gòu)：FG（First-Generaion）光網(wǎng)絡(luò)，SH（single-hop）網(wǎng)絡(luò)，MH（multi-hop）網(wǎng)絡(luò)。在FG光網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)流入流出業(yè)務(wù)都是電處理，包括中繼業(yè)務(wù)；在SH網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)或是目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)候才進(jìn)行電處理；MH網(wǎng)絡(luò)介于兩者之間。當(dāng)單向WDM環(huán)形網(wǎng)有著均勻的業(yè)務(wù)時(shí)，且連接速率接近波長(zhǎng)容量，MH網(wǎng)絡(luò)耗能比FG低 。當(dāng)連接速率較低時(shí)，MH網(wǎng)絡(luò)比SH網(wǎng)絡(luò)更好，因?yàn)镸H網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)復(fù)用方面更為靈活。
以太網(wǎng)節(jié)能問(wèn)題的研究重點(diǎn)，主要在于降低以太網(wǎng)接口的能耗問(wèn)題。在IEEE 802.3az工作組的工作中，為減小以太網(wǎng)能耗，工作組對(duì)高效以太網(wǎng)各種電子接口，包括1000BASE-T和10GBASE-T，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。這方面研究的主要思路是：在負(fù)載較小時(shí)，通過(guò)降低端口速率甚至關(guān)閉端口來(lái)降低能耗。關(guān)于以太網(wǎng)能耗問(wèn)題的研究將進(jìn)一步削減以太網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)成本，使得以太網(wǎng)逐步成為一項(xiàng)綠色技術(shù)。
接入網(wǎng)雙管齊下
作為連接用戶終端設(shè)備和某種業(yè)務(wù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，接入網(wǎng)是電信網(wǎng)絡(luò)的最后一公里設(shè)施，組成了電信網(wǎng)絡(luò)的大部分�，F(xiàn)代接入網(wǎng)的特點(diǎn)是綜合業(yè)務(wù)接入，特別是多媒體業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)的綜合接入。有研究表明，由于存在大量活躍節(jié)點(diǎn)，接入網(wǎng)消耗了全網(wǎng)的70%的能量。所以，降低接入網(wǎng)的能耗就可顯著降低全網(wǎng)絡(luò)能耗。
當(dāng)前的接入網(wǎng)技術(shù)主要有有線接入和無(wú)線接入兩類。有線接入技術(shù)包括xDSL、CM、FTTx等，無(wú)線接入技術(shù)包括Wi-Fi、WiMAX和蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)（如LTE、2G、3G等）。
有線接入介紹當(dāng)前廣泛使用的FTTx，作為FTTx主要技術(shù)的PON的節(jié)能主要從改進(jìn)集成電路技術(shù)、節(jié)能芯片設(shè)計(jì)、設(shè)備改良幾個(gè)方面來(lái)考慮。新型網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)LR-PON（Long-reach Passive Optical Network）的提出，如圖2所示，將傳統(tǒng)PON的傳輸距離由20km延伸到100km，可以為大量接入/城域地區(qū)的客戶提供寬帶接入，是一個(gè)有前途的未來(lái)接入網(wǎng)的方案。由于在中心局和用戶之間采用無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，使得傳輸耗能大大減小；且合并多種光線路終端和中心局，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)，減少設(shè)備接口和網(wǎng)絡(luò)元素，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能。
圖2 長(zhǎng)距離PON結(jié)構(gòu)圖
無(wú)線接入以蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)為例，在蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)中，由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)限制源功率和傳輸功率，所以通常采用一種基于蜂窩的路由感知協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)能量感知和負(fù)載平衡。
未來(lái)節(jié)能網(wǎng)絡(luò)暢想
圖3 未來(lái)綠色光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
未來(lái)綠色光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，它應(yīng)該具有五大特點(diǎn)。
其一，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為全光網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)交換、選路、傳輸和恢復(fù)等所有功能都以光的形式進(jìn)行，不但突破了電傳輸?shù)乃俾势款i，而且無(wú)需光/電、電/光轉(zhuǎn)換設(shè)備，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗。
其二，使用動(dòng)態(tài)能量感知路由，根據(jù)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)改變路由性能，即根據(jù)業(yè)務(wù)量調(diào)整發(fā)射器的功率及根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路剩余能耗實(shí)現(xiàn)最佳路徑選擇，從而減小某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，使數(shù)據(jù)流平均分布在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。
其三，采取動(dòng)態(tài)流量疏導(dǎo)，在不改變ADM和波長(zhǎng)的數(shù)量及ADM分布的情況下，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變各個(gè)波長(zhǎng)所承載的業(yè)務(wù)，調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)在波長(zhǎng)中的分布，靈活實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，達(dá)到用最少的ADM數(shù)量來(lái)支持動(dòng)態(tài)改變的業(yè)務(wù)。
其四，根據(jù)節(jié)點(diǎn)和鏈路的業(yè)務(wù)量大小，對(duì)于未利用和低于閾值的節(jié)點(diǎn)和鏈路進(jìn)入休眠，對(duì)于高利用率節(jié)點(diǎn)設(shè)置較低閾值，低利用率節(jié)點(diǎn)設(shè)置較高閾值，在業(yè)務(wù)達(dá)到閾值則開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)，低于閾值則選擇其它鏈路，達(dá)到動(dòng)態(tài)高效利用節(jié)點(diǎn)和鏈路的目的。
其五，采用長(zhǎng)距離接入網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，其光線路終端到本地交換的90km饋線段和本地交換到ONU的10km下線段均采用無(wú)源器件傳輸，減小傳統(tǒng)方案有源器件的耗能。由于上行信息的突發(fā)模式，使得ONU存在大量空閑時(shí)間，可以設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制，即有信息傳輸才啟動(dòng)OUN，無(wú)信息則進(jìn)入休眠模式，以此減小ONU空閑時(shí)間能耗。
節(jié)能光網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)近來(lái)較新的研究點(diǎn)，本文總結(jié)了光網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)能方案，為節(jié)能網(wǎng)絡(luò)研究有興趣的研究者提供了參考，希望有助于未來(lái)綠色光網(wǎng)絡(luò)的研究。
