在高速率、大帶寬的需求驅動下，電信網絡得到了迅猛發(fā)展，但耗能問題也逐漸引起了運營商、通信設備商、業(yè)務提供商的廣泛關注有預測顯示，假如全國有1000個1.2P的路由器，其耗能將達1.5萬兆功率，相當于一個核電站。歐盟為此成立了綠色光電網絡小組，致力于節(jié)能光器件研究。中國工程院副院長鄔賀銓在2010年中國互聯(lián)網大會開幕式上曾提及：“互聯(lián)網的寬帶化是流量超常規(guī)下發(fā)展的，移動互聯(lián)網將加大網絡的能耗，需要從體系、技術等方面開發(fā)高效、節(jié)能的互聯(lián)網。”作為電信網絡的重要部分，光網絡在綠色、節(jié)能方面擔當著重要角色。
構建低碳環(huán)保網絡迫在眉睫
隨著社會的不斷進步與經濟的不斷發(fā)展，能源消耗與環(huán)境保護的矛盾愈發(fā)凸顯。一方面，環(huán)境對人類可持續(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。解決能源問題，保護生存環(huán)境，已經成為人類發(fā)展的艱巨挑戰(zhàn)。
作為人類社會飛速發(fā)展的標志性產業(yè)，通信行業(yè)在能耗挑戰(zhàn)中首當其沖。隨著人們通信需求的逐步提高，ICT網絡覆蓋范圍的快速增加，ICT耗能也在迅猛增長，網絡設備和元件的消耗量更與日俱增。數(shù)據顯示，ICT耗能2009年已占世界總耗能的8%。作為ICT設施的重要部分，電信網絡的節(jié)能措施也提上了日程。
電信網絡的結構如圖1所示，我們從電信網絡結構的三個組成部分入手，即核心網、城域網和接入網，總結當前存在的光網絡代表性節(jié)能方案。
核心網多層推進
核心網是電信網絡的主要部分，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長、數(shù)據量大、傳輸速率高的特點。骨干網耗能大約占總網絡耗能的12%，預計2020年將達到20%。
首先，核心網的業(yè)務量在一天中不同時刻大小不同。當業(yè)務負載較低時，存在的暫停使用或利用率低的節(jié)點和鏈路，造成了能源的浪費。如何達到能效最大化，即如何盡可能多地關掉空閑節(jié)點和鏈路，是關鍵所在。這個問題即為NP難問題，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)進行解決，但隨著網絡節(jié)點數(shù)的增加，MILP計算量會急劇增大，因此MILP只適應于小型網絡。
針對大型網絡，可以采用啟發(fā)算法完成路由和波長分配，實現(xiàn)網絡有效組件最小化。目前通常采用局部搜索、多空間搜索和全局搜索來處理NP難度問題。局部搜索算法是一類近似算法的通稱，它從一個初始解開始，每一步在當前領域內找到一個更好的解，使目標函數(shù)逐步優(yōu)化.直到不能進一步改進為止；多空間搜索算法采用搜索空間平滑技術來減小局部極小點數(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問題轉換成實空間上的“連續(xù)量SAT問題”，已知的全局優(yōu)化方法有最速下降法、牛頓法、準牛頓法、割平面法、橢球體法、同倫法、布爾差分法等。
其次，核心網中的IP路由是主要耗能設備，其能耗約占全網能耗的90%，如何減小路由耗能也是核心網絡節(jié)能要考慮的一個重要方面。
核心路由的線卡和機箱耗能是不可忽視的，線卡和機箱的配置不同導致能耗不同。一般機箱填充級別越高，節(jié)能越明顯，也就是，高填充率的機箱比低填充率機箱每比特消耗能量少。
第三，核心網中呈現(xiàn)出多層網絡結構，故其節(jié)能應考慮多層網絡的綜合耗能情況。由于大部分交換和傳送設備的耗能在一定程度上取決于業(yè)務負載，因此涉及到多層流量疏導，以實現(xiàn)網絡業(yè)務的最優(yōu)化處理，以減小使用波長和ADM用量。目前流量疏導主要集中于靜態(tài)業(yè)務方案下的WDM環(huán)形網絡，通過建立普遍的流量疏導模型，利用啟發(fā)算法來解決流量疏導以達到網絡最優(yōu)化。另外，經路由傳輸?shù)腎P包大小對其耗能也存在影響。即恒定比特業(yè)務傳輸時，IP包越大，耗能越小。
第四，傳統(tǒng)的最佳路徑選擇依據為最小跳數(shù)，但最小跳數(shù)路徑的節(jié)點被過度使用可能性大，因而造成網絡耗能增加并影響網絡壽命。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，以此降低網絡耗能并延長網絡壽命。能量感知路由有兩種設計：一種是功率效率設計，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一種可升級中心結構，使得路由耗能減小50%。另一種為功率節(jié)約設計，即減小額外的能耗，包含靜態(tài)性能控制和動態(tài)性能控制兩方面。靜態(tài)性能控制可實現(xiàn)10%~20%的節(jié)能，動態(tài)性能控制可以根據到達業(yè)務量動態(tài)改變路由性能，是下一代路由發(fā)展的趨勢。
城域網因地制宜
城域網界于局域網與廣域網之間，它覆蓋一個城市的地理范圍，連接用戶的業(yè)務聚合設備并和核心網直接相連。不同城域網所采用的網絡技術也不同。在城域網的主要技術有SONET、WDM環(huán)、以太網等。其中城域WDM環(huán)形結構應用廣泛。
