摘要：綠色通信的研究應(yīng)從能量的“節(jié)流”和“開(kāi)源”2個(gè)方向同時(shí)展開(kāi)，其中節(jié)流最有效的手段來(lái)自網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，即通過(guò)引入超蜂窩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋的解耦，使得業(yè)務(wù)基站有更多的休眠機(jī)會(huì)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。開(kāi)源的最有效手段是大量引入可再生能源，通過(guò)高效地利用可再生的能量降低電網(wǎng)的能耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的能量效率。無(wú)論采用哪種手段，其核心技術(shù)挑戰(zhàn)將是如何實(shí)現(xiàn)信息流與能量流的智能匹配，這既是未來(lái)綠色通信能夠“笑”（SMILE： Send More Information bits with Less Energy）到最后的關(guān)鍵，也催生出了一個(gè)全新的交叉學(xué)科領(lǐng)域，即能量信息學(xué)。

關(guān)鍵詞：綠色通信；可再生能量；能量信息學(xué)

各種信息技術(shù)，特別是遍布于地球各個(gè)角落的通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)歷了幾十年高速發(fā)展之后都逐漸遇到了能耗的瓶頸，其快速增長(zhǎng)的自身能耗也已演變?yōu)槿驓夂蜃兣脑獌粗?。以移?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為例，通過(guò)從1G到4G的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)了100萬(wàn)倍以上，各種豐富多彩的移動(dòng)業(yè)務(wù)也已經(jīng)大幅度地改變了人類的生活方式。但各種預(yù)測(cè)均顯示：隨著全息媒體和萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，未來(lái)5～10年人們對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量的需求仍將呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，相應(yīng)地，其自身的能耗瓶頸也會(huì)越來(lái)越凸顯。由此引出了一個(gè)非?；A(chǔ)性的科學(xué)問(wèn)題：在頻譜與能量資源雙雙受限的情況下，如何進(jìn)一步大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量？由于頻譜資源只能是越來(lái)越受限（盡管毫米波、太赫茲等高頻段可以提供更大的帶寬，但其巨大的傳輸損耗以及由此引發(fā)的頻繁越區(qū)切換將很大程度上抵消掉大帶寬所帶來(lái)的好處），上述問(wèn)題則轉(zhuǎn)換為：如何能夠使用更少的能量來(lái)傳輸更多的信息，即我們?nèi)绾尾拍堋靶Α保⊿MILE：Send More Information bits with Less Energy） 到最后？

如果我們繼續(xù)從移動(dòng)通信的基礎(chǔ)理論，即香農(nóng)公式出發(fā)，看上去是不可能的，因?yàn)橄戕r(nóng)公式告訴我們：要想提高傳輸容量，要么需要更大的帶寬或是更大的空間自由度，要么需要大幅度提高信噪比，即提高發(fā)射功率。由此可見(jiàn)：要想笑到最后，首先必須要跳出物理層的范疇，從網(wǎng)絡(luò)層或是系統(tǒng)層尋找解決方案。其中一個(gè)解決方案是改造目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋的邏輯分離與解耦，構(gòu)建一個(gè)由永遠(yuǎn)在線的控制覆蓋和按需部署的業(yè)務(wù)覆蓋構(gòu)成的超蜂窩網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)[1]，在保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋和頻譜效率的同時(shí)，引入業(yè)務(wù)基站的動(dòng)態(tài)休眠和資源調(diào)度，從而大幅度降低整體能耗。該解決方案的核心是能量的“節(jié)流”，即通過(guò)減少蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的能量浪費(fèi)來(lái)提高能量效率，解決了傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)的綠色可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。這是蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在過(guò)去40多年來(lái)的第一次重大轉(zhuǎn)變，并有望成為5G及其后續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。

另外一個(gè)解決方案則是源于能量“開(kāi)源”的思路，通過(guò)引入能量收割技術(shù)，從而大幅度降低實(shí)際電網(wǎng)的能耗。能量收集技術(shù)是一種新興的綠色能源技術(shù)，它可直接把環(huán)境中的可再生能量，例如：風(fēng)能、太陽(yáng)能、機(jī)械能、電磁場(chǎng)輻射等直接轉(zhuǎn)化為電能，某種意義上來(lái)講是一種“取之不盡、用之不竭”的新能源。同時(shí)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和電池儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，可再生能量的存儲(chǔ)和利用效率大大提高，能量收集技術(shù)已步入實(shí)用階段，并逐步應(yīng)用到了各種信息系統(tǒng)中，例如：傳感器網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)等?？梢灶A(yù)見(jiàn)：未來(lái)信息系統(tǒng)的供電模式將日趨多樣化，甚至?xí)霈F(xiàn)完全依賴于可再生能量的自供電信息系統(tǒng)，這不僅可大幅降低信息系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，而且可以減少布線需求和運(yùn)維成本。特別是針對(duì)基站超密集部署的超密集組網(wǎng)（UDN）和分布式多輸入多輸出（MIMO）移動(dòng)通信系統(tǒng)，其廣泛部署的小基站或是天線前端很有可能無(wú)法或是難以直接連接到電網(wǎng)，需要完全依賴于可再生能源供電。

為了更好地用好可再生能量，必須要解決好能量供給隨機(jī)性的問(wèn)題。在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的移動(dòng)通信中，能量供給是穩(wěn)定的，研究人員主要面對(duì)的是業(yè)務(wù)需求的隨機(jī)性和傳輸信道的隨機(jī)性問(wèn)題；而在可再生能量供電的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，除了上述兩種隨機(jī)性之外，需要同時(shí)面對(duì)能量供給的隨機(jī)性。為此，我們需要擴(kuò)展傳統(tǒng)綠色通信的內(nèi)涵，即僅僅關(guān)注能量效率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要同時(shí)關(guān)注能量持續(xù)性指標(biāo)。該指標(biāo)包含能量中斷和能量溢出2個(gè)層面，前者意指雖有信息服務(wù)的需求但卻沒(méi)有足夠能量供給所導(dǎo)致的服務(wù)中斷現(xiàn)象，后者則指由于能量緩存容量的限制，雖有充足的能量供給但卻沒(méi)有相應(yīng)的信息服務(wù)需求，從而導(dǎo)致的能量溢出現(xiàn)象。很顯然，這2種現(xiàn)象都是需要盡量避免的，即應(yīng)該盡量做好能量流與信息流的實(shí)時(shí)匹配，從而在保證信息服務(wù)穩(wěn)定性的前提下盡量提高可再生能量的利用率，這實(shí)際上是能量信息學(xué)的核心，也是可再生能量供給信息系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)所在。為此，我們需要回歸原點(diǎn)，從根本上思考一下能量與信息之間的理論關(guān)系。

眾所周知，宇宙是由物質(zhì)、能量和信息3個(gè)基本要素組成的，其中物質(zhì)是本源的存在，沒(méi)有物質(zhì)，什么也不存在；能量是運(yùn)動(dòng)的存在，沒(méi)有能量，什么也不會(huì)發(fā)生；信息則是聯(lián)系的存在，沒(méi)有信息，任何事物都沒(méi)意義。經(jīng)典牛頓力學(xué)的理論告訴我們：在封閉的物理世界中物質(zhì)總量是守恒的，能量也是守恒的；愛(ài)因斯坦進(jìn)一步揭示了物質(zhì)與能量之間的理論關(guān)系，即物質(zhì)與能量之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，且總量守恒，即著名的物質(zhì)能量守恒公式E=mC2。但能量和信息之間是否也可以相互轉(zhuǎn)換、且遵循某種守恒定律呢？這個(gè)問(wèn)題迄今為止沒(méi)有任何明確的結(jié)論。

為了回答上述問(wèn)題，我們需要重新思考一下信息與物質(zhì)和能量的不同。根據(jù)維納和香農(nóng)的定義，信息是對(duì)事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或存在方式不確定性的描述，它與物質(zhì)和能量有著本質(zhì)的區(qū)別，即它可以在不損失任何信息的前提下被無(wú)限地復(fù)制，也就是說(shuō)信息本身并不守恒。同時(shí)，最近已有實(shí)驗(yàn)展示：信息與能量之間的確可以互相轉(zhuǎn)換，但應(yīng)該不守恒，因?yàn)槭褂猛瑯拥哪芰靠梢詡鬟f更多的信息比特（如使用多播或是廣播機(jī)制）；相反，在沒(méi)有傳輸任何信息比特的情況下也有可能消耗能量（如空轉(zhuǎn)的服務(wù)器）?？梢?jiàn)，由于信息本身的不守恒特性導(dǎo)致了信息與能量轉(zhuǎn)換之間的非守恒特性，這實(shí)際上為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率提供了理論依據(jù)，即我們的確可以使用更少的能量傳輸更多的信息比特，即SMILE是完全可行的。

那么究竟該如何笑（SMILE）到最后呢？基本上這是一個(gè)信息流如何與能量流更好地匹配的問(wèn)題。一方面，我們可以讓能量流更好地去適配信息流，即在需要傳輸更多信息時(shí)分配更多的能量，反之則分配更少的能量。這在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的信息系統(tǒng)中是比較容易實(shí)現(xiàn)的，但在可再生能量供電的信息系統(tǒng)中將面臨巨大的挑戰(zhàn)。雖然可以通過(guò)調(diào)控能量緩存器的充放電來(lái)解決，但如何做到時(shí)間尺度的實(shí)時(shí)匹配以及空間維度的動(dòng)態(tài)調(diào)度是問(wèn)題的難點(diǎn)。另一方面，我們也可以讓信息流更好地去適配能量流，即能量供給比較充足時(shí)可以傳輸更多的信息，比如引入緩存與推送機(jī)制，通過(guò)對(duì)用戶需求的預(yù)測(cè)計(jì)算出用戶的潛在需求，在能量充足時(shí)進(jìn)行推送或緩存。這可以形象地比喻為“將明天的工作放到今天來(lái)做：do tomorrows job today”；反之，在能量供給不足時(shí)則可以減少信息的傳遞，比如只提供最基本的信息服務(wù)，而推遲提供增強(qiáng)服務(wù)，直至能量變得更加充足，或是將任務(wù)卸載到一些能量充足的基站。這可以形象地比喻為“將今天的任務(wù)留給明天：do todays jobs tomorrow”[2]。

總之，綠色通信的研究應(yīng)從能量的節(jié)流和開(kāi)源2個(gè)方向同時(shí)展開(kāi)，其中節(jié)流最有效的手段來(lái)自網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，通過(guò)引入超蜂窩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋的解耦，使得業(yè)務(wù)基站有更多的休眠機(jī)會(huì)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。而開(kāi)源的最有效手段是大量引入可再生能源，通過(guò)高效地利用可再生的能量降低電網(wǎng)的能耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的能量效率。但無(wú)論采用上述哪種手段，其核心技術(shù)挑戰(zhàn)將是如何實(shí)現(xiàn)信息流與能量流的智能匹配，這既是未來(lái)綠色通信能夠笑（SMILE）到最后的關(guān)鍵，也催生出了一個(gè)全新的交叉學(xué)科領(lǐng)域，即能量信息學(xué)：Energy Informatics for Smart Interaction of Energy and Information（Einstein）。通過(guò)對(duì)能量與信息之間相互作用機(jī)理的深入研究，希望能夠建立起類似于愛(ài)因斯坦物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的理論，其核心可以概述為2個(gè)不等式，即Energy + Information < Energy和Information - Energy > Information，其中前者意指現(xiàn)有的能量系統(tǒng)（如交通、建筑、制造業(yè)等任何需要消耗能量的系統(tǒng)）如何通過(guò)引入更多的環(huán)境信息來(lái)使其更加節(jié)能；后者則意指現(xiàn)有的信息系統(tǒng)（如互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等）如何以更少的能量傳遞更多的信息？這是本期?？哪康乃冢彩侵挝覀兡軌蛐Γ⊿MILE）到最后的最基礎(chǔ)理論。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛志升，鄭福春，楊晨陽(yáng)，等. 基于超蜂窩架構(gòu)的綠色通信?？幷甙碵J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（5）：527-528

[2] ZHOU S， GONG J， ZHOU Z Y， et al. GreenDelivery： Proactive Content Caching and Push with Energy-Harvesting-Based Small Cells [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（4）： 142-149. DOI：10.1109/mcom.2015.7081087