绿色物联网：需求、发展现状和关键技术

图 5 数据中心的能耗分布
5 产业界与学术界的推动
（1）国内运营商 截 至 2009 年 ， 中 国 移 动 的 M2M 终 端 数 量 已 达 到 300 万，年均增长率超过 80%。 在电力行业的节能减排应 用方面，中国移动与广东省的南方电网、北京和重庆的电 力公司合作， 安装了 104 万台无线电表的远程抄表设备。 江西全省范围内的 20 000 台配电变压器都安装了中国移 动的监测设备，实现了运行状态的实时监测，并且提供用 电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理 的一体化服务，一年内总共节省电能 1.2 亿千瓦时[6]。 （2）第三代合作伙伴计划 在 第 三 代 合 作 伙 伴 计 划 （3GPP）中 ，与 物 联 网 相 关 的 主要是“机器到机器（machine to machine）”的标准化工作， 目标是实现无线传感网络与蜂窝网络的融合 ， 根据 M2M
图 3 传感器节点各模块的能量消耗情况
传感信息汇聚的过程是将感知信息由信息生成节点 汇聚到网关的过程。 无效功耗主要来自不合理的网络拓扑 结构和低效的路由算法。 网络拓扑结构和路由算法对通信 网络来说具有非常重要的作用，它们从逻辑上构建整体网 络的框架，使数据分组在源节点与目的节点之间实现多跳 传输。 无线传感网络的独有特点使其有别于传统的有线和 无线网络： 无线链路的随机特性严重影响了通信的可靠 性，单一节点有限的计算能力和能源支持使得合理的网络 拓扑结构和低能耗、高能效的路由算法显得尤为重要。 4.2 网络接入与承载层
* 国 家 “973” 计 划 基 金 资 助 项 目 （No.2012CB316005）， 国 家 自 然 科学基金资助项目 （No.61001117，No.U1035001）
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通信行业发展对生态环境的压力，在大力发展物联网的同 时，提前做好绿色物联网的相关研究工作，对我国物联网 未来的健康发展具有重要的指导意义。
物联网涉及 ICT 产业的多个领域 ，从底层的传感器网 络到接入网和核心网，再到计算管理平台，网络规模庞大， 包括基站、服务器等在内的基础设施众多，如果完全按照 物联网相关标准进行网络基础设施建设，除了需要巨额的 资金成本，也会造成大量的资源浪费。另一方面，已有网络 设施利用率相对较低，还有很大的利用空间，以中国移动 的基站利用率为例，其蜂窝移动网络的工作日典型基站流
图 4 无 线 通 信 系 统 IP 核 心 网 各 平 面 的 能 耗 分 布
4.3 计算管理与服务应用层 本层位于网络接入与承载层之上，总体来说可以分为
计算平面和管理平面。 计算平面包括数据的存储、检索和 处理，管理平面包括网络管理（互联网、接入网、无线传感
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网）和应用管理。 管理平面的能耗相对较低，多为软件应 用；而计算平面由于服务器等硬件设备众多，产生大量电 力支出，本文重点分析计算平面的能耗来源。
图 2 中国移动电力支出增长趋势
巨额的电力支出将严重制约物联网的大规模商用，也 必将制约物联网产业链的良性发展，所以研究物联网绿色 理论以减小网络运行的能量消耗， 进而减小运营成本，将 使物联网更具应用和发展潜力。
图 1 蜂窝移动网络的工作日典型基站流量分布 97
综述
4 现阶段物联网中的能耗来源
解决物联网的整体能耗问题，需要从物联网的架构出 发，找到物联网中无效功耗的来源，从而有针对性地展开 物联网的相关研究，推进物联网健康发展。 按照功能可将 物联网分为 3 层：感知传感层、网络接入与承载层、计算管 理与服务应用层。 4.1 感知传感层
泛在接入涉及的技术众多， 能耗分布也相对分散，从 整体上可以分为两类：无线接入网和有线接入网。 从目前 的 研 究[5]来 看 ，无 线 接 入 网 的 能 耗 主 要 来 自 种 类 繁 多 的 基 站，包括宏小区基站、微小区基站、皮小区基站和家庭基站 等，在整体网络能耗中，基站能耗占 80%，比较固定的功率 放大器和配套设备部分占 70%左右。 也就是说，即使没有 任何业务需求，基站也会消耗大量能量，是无线接入网能 耗的主要部分。 在有线接入网中，能耗主要来自数量众多 的接入设备，包括交换机和集线器等。 虽然单个接入设备 的能耗较低，但由于接入设备数目众多，因此在整个有线 网络的能耗中，接入设备的能耗占 70%。 与无线接入网类 似，这部分的无效能耗也主要来自设备的空转，即为维持 实时接入特性，在业务量需求相对较低的情况下，为保持 设备的正常运行，造成了大量的能量浪费。
关键词 物联网；绿色通信；能耗；能效
1 前言
物联网近年得到政产学研用社会各界的极大关注，美 国 权 威 咨 询 机 构 Forrester 预 测[1]，到 2020 年 ，全 球 物 物 互 联的业务跟人与人通信的业务相比，将达到 30∶1，因 此 物 联网被称为下一个万亿级的通信业务。 自 1999 年美国移 动计算和网络国际会议提出物联网的概念以来，物联网的 研究已经经过了十几个年头。 2009 年 8 月 7 日，国务院总 理温家宝在视察中国科学研究院嘉兴无线传感网络工程 中心无锡研发分中心时，提出“在传感网发展中，要早一点 谋划未来，早一点攻破核心技术”，并且明确要求尽快建立 我国的传感信息中心，称为“感知中国”。 在关注物联网技 术发展的同时注意到， 整个物联网的能耗问题日益突出， 绿色物联网的需求越来越迫切。为了避免以往“先发展，后 治理”的错误行业误区，适应“绿色通信”的发展趋势，减小
物联网作为一种全新的网络形态，除包括无线传感器 网络之外，还包括无线/有线接入网、IP 核心网以及大型计 算 处 理 管 理 平 台 ，几 乎 包 含 ICT 产 业 的 各 个 领 域 ，庞 大 的
网络 规 模 所 带 来 的 电 力 消 耗 使 其 成 为 限 制 ICT 产 业 节 能 减排的最大瓶颈；同时受到物联网自身特点的限制，其发 展也非常依赖低功耗、 高能效的绿色技术的研究与应用。 所以做好物联网“绿化”工作，既是经济社会发展的要求， 也是自身产业发展的需要。
除了基本的维护成本外，对于网络运营来说，很重要 的一项运维开支就是电力支出。 以中国移动的电力支出 为例，其电力支出增长趋势如图 2 所示，电力成本呈指数 形式增长，这不仅意味着需要巨大的运行成本，也带来了 大量的碳排放。 据权威机构预测，物联网的业务量将是现 有业务量的数十倍，按照现在的趋势，接入网这一部分的 耗电量和所带来的碳排放量都将是难以承受的， 再结合 有线接入网、核心承载网络、无线传感网络以及计算处理 过程的耗电量，物联网将成为用电和碳排放的“无底洞”。
3 绿色物联网的必要性
从部署来看，庞大的网络规模要求物联网的建设一定 要从“重建”过渡到“重构”上来，即最大限度地利用现有网 络基础设施，尽量避免重复建设；从运营成本来看，除了网 络维护开销外，巨额的耗电量对物联网的运营来说也是一 个亟待解决的问题；从物联网自身特点来看，开展绿色技 术研究不仅可以延长传感器网络的使用寿命，同时可以扩 展物联网的应用范围。
近年来信息产业与工业应用领域进一步结合，估计在 不远的未来，物联网业务需求将有大幅度的增长，物联网 建设规模将持续扩大。 按照现有模式，业务的快速增长将 进一步带动能耗的指数式增加，从而给我国的节能减排工 作带来严峻的挑战，绿色物联网势在必行。因此，需要以低 能耗、高能效技术为主导建设全新的绿色物联网，使得物 联网能够沿着高能效、低排放的趋势发展。
电信科学 2012 年第 8 期
通信的特点， 对现有 GSM 网络以及未来的第三代 移 动 通 信 系 统 （3G ） 和 第 四 代 （4G ） 网 络 进 行 优 化 。
综述
综述
绿色物联网：需求、发展现状和关键技术 *
张 兴，黄 宇，王文博 （北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室无线信号处理与网络实验室（WSPN） 北京 100876）
摘要
从物联网的概念提出至今，政产学研用各界大力投入物联网的研究和建设工作中。 当前，物联网主要 集中在传统的技术设计和行业应用方面，作为信息技术产业的重要组成部分，其建设和发展必然受 到能源和成本问题的制约，绿色节能也是目前关注较少的一个领域。 为从根本上理清物联网目前存 在的能耗问题，为建设高能效的绿色物联网提供理论依据，本文首先介绍了绿色物联网的基本概念， 对绿色物联网的发展进行了分析，然后根据物联网的发展需求，结合我国物联网的发展现状，对当前 绿色物联网各层的能耗构成进行了具体分析， 总结了产业界和学术界在绿色物联网方面的推动工 作；同时以物联网的层次关系为出发点，对绿色物联网各层的绿色节能和能效优先设计技术进行了 深入分析和梳理，然后结合物联网层次关系给出了当前研究界对绿色物联网研究的各个环节的主要 技术，最后对绿色物联网的未来发展进行了总结和展望。
本层连接感知传感层和计算管理与服务应用层，负责 传递上下层数据。 按照信息的流向，本层可以分为泛在接 入和核心承载两部分。 其中，泛在接入网主要包括无线广
域网、无线城域网、无线局域网和无线个网以及有线接入 网等，是连接传感器网关节点与核心传输网的通道；核心 承载网包括 IP 核心传输网部分， 负责传感信息的远距离 传输。
本层能耗主要来源于计算平面。 这主要是因为要大 量数据中心、计算中心进行存储和处理。以中国电信为例， 截至 2011 年 12 月，国内拥有近 300 个数据中心、5 个海外 数据中心以及 4 个全国核心云数据中心。 除了数量众多之外， 单一数据中心的耗电量也相当惊人，有数据显示一个典型 的数据中心的能耗等于 30 000 个家庭基站能耗的总和。
绿色物联网，一般指节能减排，减少环境污染、资源 浪费以及对人体和环境有危害的新一代物联网设计理念， 通过对网络设备进行改造、优化并引入新技术，以达到降低 能耗的目的，最终实现人与自然的和谐相处，实现可持续 发展。
2 物联网的绿色发展需求
作为最大的发展中国家以及第二大能源消费国，并且 从目前情况来看，通信行业已经成为耗电大户，排在全国 各行业的第 12 位[2]。巨额的用电成本不仅阻碍了行业的发 展，也意味着碳排放量的大幅度升高。