电讯光网络的能源效

电信光网络的能源效率摘要——近年来随着能源危机和环境保护被人们越来越多地关注，发明科学的能源保护方法的新研究正在多学科领域开展着。

特别是，由于ICT（信息通讯技术）领域能源消耗的剧增，人们的目光正聚焦于“绿色”ICT的方法上。

在本论文中，我们为与在电信网络领域能源消耗最小化最密切相关的研究活动提供综合评述，并重点阐述那些应用中的光技术。

我们借助光技术调查了能源最小化消耗的机会，分类总结了在不同网络领域中现存的方法，包括核心网、城域网、接入网。

一部分致力于描述能源高效利用的办法，而针对当下一些电信光网络技术的重要应用，如：网格计算和数据中心。

我们提供了在光网络这一领域不断进行的标准化努力的概述。

这项工作展示了对不断增加的研究活动综合、及时的调查，而这些研究涵盖了电信光网络能源消费的大多数方面。

我们的目的在于为不断增加的研究未来光网络能源高效利用的研究人员们提供一个电信光网络领域综合的参考。

索引词——能源、效率、电信、光学的、网络I.介绍近年来，节能逐渐获得社会越来越多的兴趣，作为当今最具吸引力、也是最关键的研究问题之一，人们就将其放入首要研究议程中的必要性越来越普遍的达成了共识。

今天，传统的能源资源，比如：化石燃料能源，满足了人类资源需求的绝大部分；像美国，化石燃料供给了电力所需的85%的基础能源[1]，但是这种能源是不可再生的，并且预计终将在不久的将来用尽。

另外，化石燃料的燃烧释放了大量的温室气体（GHG），这是导致全球变暖的一个主要因素。

两个研究方向的探索正用于应对这个情形。

第一，可再生的资源正被利用以取代传统的化石燃料资源，这不但创造了减少二氧化碳排放的机会，而且为可持续的环境友好型的社会发展铺平了道路[2]。

第二，能源保护方法的探索正在多个科技领域开展着——低能耗的装备和部件正被研发，不仅为减少能源消耗，也是为了促进保护我们的环境。

技术的发展可以使降低人类发展所必需的能源消耗量成为可能，在几乎所有的这些科学技术领域，为研发出新的资源保护办法，研究的努力继续着。

ICT（信息通讯技术）是追求节能最有前景的领域之一，ICT被广泛的用于社会的许多方面，而且一直有着环境友好的形象。

这种声誉的形成主要是因为事实上，世界范围的电信网络已经改变了我们的社会，并且提供了实用的方法来减少人类活动对自然的冲击（细想，举个例：电信应用的远程办公、可视会议、电子商务，以及它们对人类活动的影响）。

然而，ICT却有一个下降的趋势，在人们无论私下的还是职业上的日常生活中，ICT的普遍存在带来了另外一个问题——电脑和网络设备的资源消耗正成为全球资源消费中一个重要的部分[3]、[4]、[5]。

随着ICT覆盖率在世界范围内快速的扩大，ICT能源的消费也在快速的增加，因为每年都有更多的用于网络和交流的设备和部件被部署。

来自2009年的数据显示，ICT消耗了全世界电能总和的8%[6],电信网络，这个ICT的重要代表部分，将在不久贯穿我们的日常生活中。

宽频带电信网络的流量在快速的增加，由它带来的能源消费也在快速的增多。

图形一给出了在未来几年电信网络不断增长的(百分比)能源消费的一个预测[7]、[8]。

考虑到廉价可用化石燃料的减少导致的能源价格上涨和增加的对温室足以引起政府政策转变影响的担忧，ICT的能源消费已经在提出问题，这将急切的促使发展节能的电信方法。

我们需要设计新的组网范例，来保证在未来消费更少能源的情况下使ICT保持相同水平的功能[3]、[9]。

图一电信网络的能源消耗预测[7]、[8]基于众多的网络技术，在这篇文章中，我们主要关注光网络的节能技术。

正是由于光技术的高速度，大容量和其他的吸引人的性质[10]，目前光技术被广泛的应用于电信网络，而且继续成为全世界大多数地方的基础物理网络的底层结构。

光网络技术也在最近十年取得了可喜的进步。

调查了光网络不同的特征，很多想法也被提出用于提高光网络的性能。

举个例：路由，波长分配，交通疏导策略已经被提议用于光网络成本效益的提高[11]。

由于一个光学通信频道占有大量的带宽[12]，光网络的生存性已经被侧底的调查，因为光网络链接和节点的一个失误将会导致重大的损失。

不过在最近几年才被提出的节能光网络是一个全新的概念，从节能光网络将通过ICT技术保护能源的消耗、长远的减少社会能源的消费和保护我们的环境开始，越来越多的研究机构开始专注于它。

光网络能源消耗的最小化大体上可以分为四个级别：元件级、传送级、网络级、应用级。

在元件的等级上，高度集成的全光组件的加工，比如：光学缓冲器、交换机的构造、波长整流器正在被研发中，这无疑将极大的减少能源的耗费[13]、[14]，光学交换结构(OSF)比起电子底板和互联更加的节能[15]、[16]；在传送的等级上，低衰减和低色散光纤，节能的光学发射机和接收机的引进[17]，提高了传送级别上的节能水平；在网络的等级上，节能资源分配机制、绿色路由、远距离光学接入网[18]等等，正在被研发用于减少光网络能源的消耗；在应用的等级上，节能网络连通性机制比如：“代理”和绿色云运算[20]接入正被提议用于减少能源耗费。

在这儿，我们的目的主要是调查网络级别的节能方法，特别地，一个电信网络能细分为三个领域：核心网、城域网、接入网，光学技术在这些领域扮演着重要的角色，而且我们调查研究的目的就是提高在这三领域光网络节能的方法。

正如图形2所示，核心网是电信层的中心部分，并且提供全国性甚至全球性的覆盖，核心网络的链接跨越很远的距离——一条链接(使用光纤)的长度在几百公里到几千公里长不等，链接提供了美国各大主要城市的联系途径。

特别地，核心网依赖网状拓扑来提供增加的适应性保护和网络资源使用效率。

典型城域网跨越一个几十到几百公里范围的大都市区域，并且是以SONET/SDH(同步光纤网络)光环网一种深层次的遗赠为基础构建的。

接入网跨越数公里，并且连接了终端用户和即时服务运营商，使用户(商业和家庭用户)能够连接剩余的网络基础设施，光学接入网常以树状拓扑为基础。

图二电信网络层状结构图在本论文中，我们调查了三个网络领域的能耗数据和节能方法，我们也回顾了一些相关的在应用层的节能方法和数据中心的节能架构，因为这些领域：(i)包含了消耗电信网络有效能源的网络元素；(ii)大量的包含了光学组网技术。

一份综合的关于光网络节能新方法的调查是非常及时和实用的贡献，因为在光网络研究背景下，从事光网络节能的研究人员可能会受益于旁边有一份收集好的关于一个光网络不同组件的能源消耗的基本信息；并且一份综合的带有当前努力和研究方向的分类能够激发研究人员节能研究的新思路。

我们的研究包含这两方面并且预期将来可能的研究领域，当然，要注意不同的国际标准化组织，比如ITU(国际电信联盟)，IEEE(电气与电子工程师协会)和其他的组织，当前都致力于发展新的标准来加强该领域的研究[21]。

本论文中，我们也有一个关于这些标准化努力的总结。

本论文剩下部分的安排如下，第II部分分类了光技术被应用的网络领域，并且提供了在不同网络领域使用的光组件和系统的能耗数据；第III部分总结了电信网络节能化设计的标准化努力；第IV部分提供了在核心网络实现能耗最小化技术和架构的概述，而第V部份提供了光城域网和接入网通信的处理方法；第VI部分描述了一些关于怎样利用光网络技术来提高数据中心和应用层节能效率最新的方法；最后，第VII部分总结了本论文，描出了节能光网络将来可能的研究重点。

II．网络领域电信网络能被分为三个网络领域：核心网，城域网，接入网；这些网络的目的都是为了支持更高传输速度和更高性价比的数据转换。

在此部分，我们描述了三个网络领域并且介绍每个领域最重要的网络单元。

对于这些网络单元，我们也提供了代表性的数据和关于它们能耗的参考。

A.核心网络经由核心网络，我们常提及一个电信网络的骨干基础设施，实现跨越全国的、大陆的、甚至是洲际距离的大城市(作为网络节点)的互联。

核心网络是典型的依赖一种网格互联模式和携带海量的外围地区收集到的电信业务，所以它需要配备合适的接口连接用于业务收集和业务分配的城域网和接入网，以便于被远距离隔开的用户们能通过核心(主干网)网络实现通讯。

在核心网络，光技术被广泛的用于支持物理的基础设施和实现高速度，高容量，可扩展等。

为了智能化控制和管理光网络，不少高级的管理设备和技术已经被发明了，举个例：基于光传输网络、波分复用光网络、或者波分复用光传输网络的架构在过去20年里已经被部署了[22]、[23]。

作为核心网络多层网络架构的展示，核心网络的能耗应该在两个网络层，即光学网络层和电子网络层予以考虑。

让我们以波分复用光网络为例说明，如图三所示——波分复用光网络元件的能耗能够在交换(路由)水平和传输水平中体现出来，在交换水平上，主要的能源消耗者是电子层交换电信号的数字交叉互联器(DXC)和IP路由器，以及在光学层光纤里交换光信号的光学交叉互联器(OXC)；而在传输系统里，WDM技术就是复用许多携带了不同信号的不同波长的激光进入一个光纤信道里面传输，如图三所示，一个WDM传输系统[24]在发射机处使用一个复用器来复合信号并且在图三核心网络接收机处使用一个解复用器实现总信号的分解，转发器用来发射和接收信号，而升压机可以放大能量来补偿复用器导致的能量衰减，前端放大器用来放大光学信号的能量从而增加接收机的敏感性，一个WDM传输系统的所有元件都要消耗能量，用于在光学层放大光信号的掺饵光纤放大器(EDFAs)同样是要消耗能源的：光学放大器的能源消费以及计量方法可能依赖于光学放大器的运转方法[25]。

其次，我们提供了核心网络最重要的网络元件的一些典型的能耗数据。

表一给出了这些元件的能耗数据，表一中显示的能量的价值评价与通信设备能够服务的最大负载量紧密相关，除去全光设备，这是由于它的系统透明性和比特率使能量的价值评价很难计算成为一个特殊的综合值，不过，以上描述的透明性使光学设备比电子设备更具有扩展性(增加容量)。

通过分析这些数据，可以很清晰地显示电子层比光学层消耗多得多的能源，换句话说，通过探索光学技术来进行节能网络设计的时候应把光学交换比电子交换更节能看成是基本观点之一B．城域网作为电信网络一部分的城域网典型地覆盖了大都市的区域，它连接了用于本地用户通信量(比如，提供分散接入网的接口，如不同类别的数字用户线路(xDSL)和光纤到家或光纤到用户(FTTx))汇聚的设备，它也提供了同核心网的直接连接保证了因特网的连通性。

世界范围内不同的网络技术已经被部署用于不同的城域网络，如图四所示，SONET(同步光网络)，光学WDM环，以及城域以太网，是城域网的三个核心技术举个例，城域以太网是一种基于以太网标准的常见的城域网络基础设施[35]，边缘路由器，宽带网络网关，和以太网交换机是它的基础元件。