1.1 绿色蜂窝的意义

最近10年，迅猛发展的通信网络给人们带来前所未有的便捷，蜂窝网络市场更是有了巨大的增长，用户数量和对网络业务的要求也有了一个很大的提升。随着智能终端的出现、安卓和苹果设备的广泛使用、电子书设备如 iPad 和 Kindle的普及、社交网络如网络巨头脸谱网的成功，蜂窝网络数据业务有了极其显著的增长。云计算和云服务的发展，也带来了大量的网络流量。然而，无线通信领域的不断发展给用户带来前所未有的新服务和新功能的同时，也带来了新的挑战和问题，其中一个主要问题是信息和通信基础设施快速增长的能源消耗问题。随着信息和通信技术（Information and Communication Technolgy，ICT）的快速发展，相应的能量消耗也正以惊人的速度增加，导致了大量的温室气体排放，对全球环境和经济造成重大影响。

高能耗带来的首要问题是化石燃料（如柴油）的大量消耗，并产生大量的温室气体。据欧盟报道，如果要避免在2020年全球温度上升2℃，全球需减排温室气体15%～30%。据SMART 2020报告显示，2002年信息和通信产业产生的二氧化碳（CO2）量是151 万吨，而其中43%产生于移动通信业务，可见移动运营商的能耗在信息通信行业中居于最高，已经成为最大的能源消费者，且移动蜂窝网络的能耗增长速度远远超过整个 ICT 行业平均水平。根据高德纳报告（Gartner Report），包括蜂窝网络在内的整个信息和通信技术产业占全球温室气体（CO2）排放量的2%，甚至超过全世界航空业的碳排放量，并具有持续增长势头，如果不立即采取措施，其所占比重会快速增长。在发达国家（如英国），这个数字已经上升到 10%。在我国，政府每年数百亿元能源消耗中有约 50%来自信息通信相关行业。高能耗同时也带来能源紧缺问题，在一些不发达地区已经出现能源供应问题。在2005年，美国住宅中信息和通信设备产生的能源消耗为42 TW·h，占总能量的1%；意大利电信的能源消耗大约为2 TW·h，相当于意大利总能源生产的1%。而2006年法国电信产生的能耗也大约为2TW·h，相当于法国总能源生产的0.4%[1-5]。

巨大的能源消耗主要花费在无线接入网络上，它占了蜂窝网络能量消耗的57%。造成无线接入网络能耗高昂的主要原因有两方面。一方面，由基站系统完成的电力能源转换成电磁波的转换效率过低，通过对基站不同部分的能耗大小进行统计对比，一般情况下，功率放大器的功耗占总功耗的 60%～70%，大量能源以热能方式散失，只有一小部分能量得到了利用。据统计，无线基站（Base Station，BS）能耗已经占到移动通信的近60%，其中总能量的50%以上是由无线接入部分消耗，而其中 50%～80%被用于功率放大器[2]。另一方面，无论从空间还是时间上来说，实际发生的流量并不均匀，因此，基站中一些不必要的工作浪费了相当一部分能量。文献[5]中提到，对于一个典型的无线接入部署，有10%的基站处理了近一半的业务，而 50%的基站只处理了总流量的 5%。考虑到这种情况，全世界范围内的研究人员都在寻找思路来解决或缓解这一问题。这些想法涉及不同层次的新架构和新机制，其中的一些设想已深入到无线网络能源效率相关的国际重要项目的核心技术。

随着在发展中国家已大规模部署3G、4G系统（如中国和印度）以及随后规划中的 5G 系统，如果没有有效的实施措施，移动通信网络消耗的能量将明显增加。移动运营商必须在满足无线蜂窝网络的这些最新发展需求的同时，也要保持运营成本的最小。因为随着智能移动终端的普及，目前有超过400万的基站在为手机用户服务，每一个基站每年平均消耗25 MW·h，而能源成本在网络运营商的整个支出中占了相当大的比重。其中连着电网的一个基站运行每年消耗大约3 000美元，而在偏远地区没有接入电网的基站靠柴油机提供动力，消耗的能量可能超过10倍[2]。从经营者的角度来看，能源效率不仅具有巨大的生态效益，而且在应对气候变化中负有重要的社会责任，同时也具有显著的经济效益。无线基站的巨大能耗产生了大量电费支出，在成熟的欧洲市场，移动运营商大约18%的运营支出用于电费；在发展中国家，如印度则至少占到32%，而仅中国联通2012年电费支出就近百亿元。因此，对基站侧进行能量有效性研究具有更直接的节能效果和现实意义。

从用户的角度来看，节能的无线通信也势在必行。根据2010年J.D.能量协会的无线智能手机客户满意度研究[6]，除了电池寿命，iPhone 的各个指标都能拿到最高分。在我国的最新调研中也反映了同样的问题，高达60%的用户抱怨在使用3G服务时，电池供电能力是最大的障碍[6]。如果没有电池技术的突破，终端移动台的电池寿命将带来能源饥渴，成为诸如视频游戏、视频监控、流媒体、手机电视、3D服务等新技术应用的最大限制。

此外，通信网、传感网、互联网和物联网等基础设施的建设，不仅大大增加了网络的规模和能耗，随着无线接入节点以及无线终端数量的不断增加，无线辐射所造成的环境污染也已成为人们所关心的重要议题。由此可见，信息通信行业日益增加的能耗已经给社会生产和人们生活带来了很大的挑战。因此，在通信网络中进行节能，构建绿色通信网络，维护人与自然的和谐发展刻不容缓。

然而，以往对移动通信系统的研究只注重追求系统容量和频谱效率的提高，随着全球环境形势日益严峻，在设计无线网络时，迫切需要转变为以提高能量有效性或均衡能源效率（Energy Efficiency，EE）和频谱效率（Spectral Efficiency，SE）为主要目标。当前，“绿色环保”已成为全社会广泛关注和大力倡导的主题，直接关系到蓝天净土、空气质量以及身体健康。信息通信产业在国民经济中占据重要地位，在节能环保经济和可持续发展中扮演着关键角色。实现通信网络的有效节能和可持续发展直接关系到国家乃至全世界的未来。

面对能耗问题的挑战，减少通信网络消耗的能量资源，提高能源的利用率无疑将成为未来通信行业可持续发展的必然趋势，“绿色通信”的概念也随之产生。当前绿色通信网络还没有一个统一明确的定义。从广义上看，绿色通信可以认为是一种在整个通信产业中综合考虑环境影响和资源利用率的现代化产业模式，以绿色制造理论、供应链管理技术为基础，涉及通信材料供应商、通信设备制造商、运营商和用户，目的是使整个通信产业对环境的影响最小，资源效率最高[7,8]。

从环境角度上讲，绿色通信网络是旨在减少温室气体排放量的网络结构；从信息通信角度上讲，绿色通信网络是在保证用户服务质量（Quality of Service，QoS）的前提下，尽可能地采用较少的网络资源如能耗、网络设备等实现互联通信的网络结构。