5G网络下移动云计算节能措施研究

中国移动通信集团浙江有限公司 傅升红

5G网络的推广和应用，不仅为人们带来了更好的网络使用体验，也为移动云计算提供了更加优质、高效的载体和技术支持，对社会经济的发展有着积极的推动作用，使得移动云计算逐渐成为了现如今较为热门的话题之一，而如何降低移动云计算的能耗问题，不仅是实现绿色计算的关键环节之一，也是促进5G网络和移动云计算进一步成熟的重要工作之一。

1 5G网络的推广对移动云计算能耗研究带来的影响

1.1 对网络设施通信主导系统方面的影响

这里所说的网络设施和通信的主导系统主要是指5G技术，5G技术的出现主要是为了更好的满足网络用户新需求，而5G技术的研发除了需要依靠部分被实现的高新技术以外，还包括对部分现有技术的改进与完善，比如，高频段通信、云无线接入网、超密集异构网络以及波束形成等技术手段，使得5G技术与现有网络技术相比，不仅具有更高的频谱效率、更快的传输速率以及更大的设备连接密度，还可以确保网络用户在高速移动过程中能够更好的使用通信功能。

1.2 对移动云计算无线网络服务模式方面的影响

现如今的云服务模式逐渐由传统的集中式服务模式转变为分散式服务模式，比如，动态微云以及雾计算等都属于分散式服务模式的实际应用，而云服务模式的改变，也导致网络通信能耗测量因素以及能耗计算方法出现了不同程度的变化。

1.3 对移动设备任务迁移方面的影响

移动设备是5G网络以及移动云计算服务的重要参与对象之一，任务迁移则是分散式测控系统的关键技术之一，而移动计算卸载服务作为降低移动设备能耗的主要措施之一，也受到了5G网络带来的冲击和影响，主要体现在5G技术不仅推动了无线异构网络的进一步发展，也为移动设备提供了更多的蜂窝网络高能效卸载算法。

1.4 对云服务中心相关资源供应及获取方式的影响

云服务中心是实现移动云计算的核心组成之一，除了需要提供大数据存储和管理服务以外，还需要根据移动云计算的实际需求，及时提供相关资源的获取以及存储服务，5G技术的应用可以为移动云计算的高效运行提供必要的载体和技术支持，而加强对5G环境下移动云计算节能措施的研究，对云服务中心运行效率的提升有着重要意义。

1.5 影响5G网络下移动云计算节能优化的因素

目前，影响5G网络下移动云计算节能优化的因素，主要是部分5G技术对多能源的需求和使用，比如，大规模MIMO技术作为5G技术的重要组成部分，在5G网络频谱效率的提升方面发挥着极其重要的作用，但大规模MIMO技术的实现需要设置大量的天线，然后借助天线阵列进行信号的发送和接收，从而达到提高用户网络使用体验的目的。

2 5G网络下网络设施及通信的节能研究

2.1 5G无线传输技术节能研究

5G无线传输方面的节能研究，主要是借助大规模MIMO、波形设计技术、全双工技术以及新型多载波等技术手段，提高5G无线传输的频谱效率以及发展潜力。首先，大规模MIMO主要是遵循多天线多用户空分这一技术理念，通过大规模的天线配置，构建出能够在同一无线信道同时进行多数据信息发送及接受的网络（如图1），大规模MIMO网络的优势之处在于，无线网络的数据速率更好、链路更加可靠，而且系统的抗干扰能力也更强，其研究方向主要是对信息传输以及获取方法进行改进和优化；其次，全双工技术主要是指在同一物理信道上进行两个方向的信号传输，也就是实现数据发送和接受的同步进行，全双工技术既可以提高频谱使用灵活程度，也是提高频谱效率的有效技术手段，其研究方向主要是干扰消除领域以及更好与现有技术进行结合应用等；第三，滤波器组多载波技术主要是对码间干扰问题进行处理，其实现原理主要有频域内滤波以及多相滤波网络等几个类型，也就是通过提升滤波器复杂度以及强化调制方式的限制等手段，降低带外功率泄露并提高频谱效率。

图1 云服务中心能耗分布

2.2 5G无线网络技术节能研究

首先，超密集异构网络主要是由不同类型基站以及不同种类无线接入技术组合而成的网络，超密集异构网络的应用，既可以对原有蜂窝网络进行补充，还可以提升无线频谱的利用效率，对5G网络频谱性能的提升有着积极的促进作用，但是，超密集异构网络在应用过程中也凸出了很多的问题，比如，不同覆盖层次的网络以及不同类型无线接入技术之间的相互干扰，无线回传网络的复杂程度出现明显的增加，还有当移动设备在不同区间移动时可能出现因切换操作而引发的服务性能下降现象，仍然需要通过完善网络动态部署技术等措施来解决这些问题；其次，自组织网络技术主要由自组织存储网、自组织计算网以及自组织传感器网等技术构成，是一种高弹性、智能化、低成本的实时信息处理技术，可以用于解决5G网络中无线回传网络结构较为复杂这一问题。

3 5G网络下移动设备任务迁移的节能研究

对于5G网络下移动设备任务迁移的节能研究，主要涉及到卸载服务模式、卸载策略以及卸载能耗测量模型等几个方面，其研究内容则是5G网络下移动云计算运行过程中可能产生能耗的因素，比如，移动设备与基站之间的通信等。在研究移动设备任务迁移能耗时，除了需要加强相关计算模式与算法的提高和完善，还需要考量到计算模式与5G网络下移动云计算环境的适应程度，而5G网络利用大规模异构网络对传统的蜂窝网络进行补充，其优势之处在于一方面可以显著减少计算卸载以及无线访问通道的传输能耗，另一方面还有助于移动设备更加便捷的找寻到接入点。

4 5G网络下云服务中心节能研究

云服务中心是移动云计算的重要载体以及必要支持条件，主要是指分布在各个地区的数据中心。云服务中心除了会通过相关平台以及软件等形式为客户提供服务以外，还包括硬件方面的业务，无形中大大增加了云服务中心的能耗问题，根据相关测评报告提供的数据，云服务中心能耗比例最大的是计算服务，占据了云服务中心能耗的半数以上，包括CPU运行能耗、外围设备运行能耗以及主板运行能耗等，然后就是访问交换、聚合交换以及内核交换等交换和通信能耗（如图1）。云服务中心节能措施应从服务、网络以及能源技术几个方面入手，首先，云服务中心服务方面的节能措施，主要包括虚拟化技术的应用以及动态功率管理等，虚拟化技术应用是指利用虚拟机减少服务器上的硬件数量，不仅可以实现服务器资源的高效利用，还有助于减少服务器运行过程中的能耗；而动态功率管理一方面需要根据服务器的运行状况进行模式调节，比如，当服务器处于非活跃状态时可以将其转换为休眠模式，另一方面则需要根据当前服务器负载情况对CPU功率进行合理调控。其次，云服务中心网络方面的节能措施，主要包括自适应链接设置、虚拟网络嵌入以及网络模式设置等，自适应链接设置主要是通过动态设置链路数据速率等方式降低链路能耗，而虚拟网络嵌入则是通过相应的算法在部分设施上设置虚拟网络资源，并将空闲的网络资源转换为休眠状态，从而达到降低网络能耗的目的。

总结：总而言之，随着5G网络的普及以及移动云计算用户数量的不断增长，对移动云计算的研究也越来越全面、深入，而节能降耗作为关系到5G网络下移动云计算持续发展的关键要素之一，对其进行的研究工作也从未停止，相关研究人员除了需要从网络设施和通信、移动设备以及云服务中心软硬件等相关方面对移动云计算节能措施以及能效保护技术进行研究和完善以外，还需要考量到5G技术带来的智能性、功能性扩展，以及5G技术的发展需要和用户良好体验需求。