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物联网接入网技术的功耗
摘 要
在过去的几年里，许多评论家称赞“物联网”(IoT)是互联网发展的下一步。本文从能源消耗的角度研究了部署“物联”网络并通过它们的网关将它们连接到英特网或企业网络的一些选项。它特别关注从客户场所到中心办公室的接入网，以及这个承载上行主导物联网流量的网络的含义。针对物联网流量和背景网络流量水平，对多种潜在接入网技术和体系结构的功耗进行了建模。结果表明，在Wi-Fi后台流量适中的情况下，共享企业Wi-Fi网络和PON回程是最节能的选择。否则，4G无线(LTE)访问也是非常有效的，如果网站物联网流量水平低至100 kb/s左右。在较高的速率下，GPON访问提供了最节能的解决方案。
关键词 功耗；物联网；接入网技术；权力有效；能源效率
第一章 介绍
许多评论人士认为，所谓的“物联网”是一个重要的新范式，将产生巨大的社会和经济影响。从本质上讲，物联网涉及使用通过互联网连接的设备来测量、报告，并在某些情况下自主执行操作。据估计，到2020年，物联网将承载500亿到2000亿台联网设备[1,2]。连接设备的爆炸式增长可能会导致网络流量的增长，而支持这种增长所需的额外网络设备的能源成本是未知的。
物联网中的设备可以有多种形式，任何人都可以从任何地方访问它们。虽然这些设备中的许多可能是嵌入式传感器、执行器或RFID标签，它们大多是低功耗的，但它们也需要网关设备和接入网，而接入网可能不是节能的[4]。物联网中的许多“设备”将是传感器，例如定期报告其环境，定期发送小数据包，总体流量水平较低。然而，一些“设备”可能是摄像机，不断地发送数据，因此对流量的要求将是巨大的。
信息通信技术行业的电力消耗非常重要，因为据估计，它占全球碳排放的2- 4%。接入网提供了物联网设备与互联网或云之间的初始连接点，一些研究[4-6]表明接入网是互联网中能效最低的部分。一项研究量化了不同光纤接入技术[7]的能耗，使其达到最大的理论数据速率，而另一项研究考虑了铜和光纤接入网络[8]的混合。在[4]中，无线接入技术被发现是最不节能的接入网技术，但下行数据速率超过1 Mbit/s。因此，需要注意的是，不同的访问技术提供不同的每个用户带宽级别，并且具有不同的电力使用。然而，物联网安装可能涉及每个连接设备的总通信量较低(主要是上行)，但连接设备[9]的数量要多得多。此外，许多物联网用例(例如智能农业、环境监测)将从现有的家庭或办公室网络远程部署。因此，选择低带宽要求的接入网技术变得很重要。
在本文中，我们考虑了许多适合于物联网应用的接入网技术和体系结构，并在一定的流量水平上为物联网确定了一些更节能的接入技术。我们使用一系列的数据源评估当前的有线和无线网络架构;设备制造商的数据表，一些测量和以前的文献。我们比较了低比特率(低于1 Mb/s)下各种技术的功耗和能效。在这项工作中，我们没有特别区分设备数据流量和所需的协议和信令开销，这对于小数据包数据流来说是非常重要的。最后，我们就未来物联网装置选择节电接入网提出建议。论文的其余部分组织如下:第二部分描述了考虑的物联网接入网架构，第三部分提出了一个功耗模型。第四节讨论了将能耗作为共享和非共享网络元素的处理，第五节描述了每个节点的功耗估计。第六部分给出了研究结果，第七部分对本文进行了总结。
第二章 物联网接入网体系结构
图1展示了连接物联网网关设备的接入网选项的范围，该网关设备聚合了从多个具有短程接口的单个传感器到Internet core的流量。假设承载物联网流量的接入网与今天的接入网大致相同或相似，但处理不同的流量负载。因此，我们考虑了不同接入网类型处理物联网流量时的能耗。这些网络架构代表了未来物联网部署中可能使用的网络接入技术。因此，物联网接入网由四个主要节点组成:物联网网关、客户端设备(CPE)调制解调器、远程网络节点和位于中心办公室的edge/central office节点。
图1物联网接入网原理图
这里讨论的接入网技术范围包括:
一种无源光网络(PON)，其中一组客户站点通过无源分配器共享到位于父交换机或中心办公室的网络光线路终端(OLT)的连接;通常，拆分比率是32路甚至64路，但是拆分比率取决于计划的流量级别。
一种VDSL2 (V ery-high-bit-rate Digital Subscriber Line，高比特率数字用户线路)网络，其中客户站点通过现有的铜对连接到附近的集中网络元件。这可以描述为DSLAM(数字用户线访问多路复用器)或MSAN(多服务访问节点)。这个节点通过光纤连接到它的父节点。使用VDSL2，访问速率可以达到100 Mb/s(对称)。
光点对点链路提供了从客户站点到中心办公室的专用光纤连接。这类系统通常用于客户流量需求较高的地方，例如办公大楼、医院或学校。
无线接入采用4G LTE[11]蜂窝网络。客户站点调制解调器连接到本地蜂窝基站，而本地蜂窝基站反过来又连接到中央办公室的交换机，通常是通过光纤。LTE的传输能力取决于传输路径的距离、地形以及来自其他信号的干扰，一般低于所引用的理论数据。
Wi-Fi是一种短距离无线技术，适用于用户设备到站点CPE调制解调器的无缆连接。它可能在提供物联网网关和面向网络的调制解调器之间的连接，以及在某些情况下传感器或“东西”与其网关之间的连接方面很有用。
除了上述传统接入技术，物联网接入网还为体系结构带来了额外的网络段。我们选择将这部分称为物联网网络(IN)，因为它包含无数低功耗的传感器和执行器设备，通过一个额外的聚合网络元素进行通信，在本研究中称为物联网网关。物联网网络通常包括无线网络或个人区域网络(PAN)，将每个传感器或执行器设备连接到其母网关。该网络段[9]有望采用蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等多种协议。
第三章 电力消耗模型
物联网接入网除CPE调制解调器外，还包括物联网网关设备、远端节点(RN)和边缘节点(EN)。物联网网关聚合从IN设备到公共网络的数据流量。物联网网关的网络总功耗可表示为:
P=PIoT PCPE 1.5(PRN PEN) (1)
其中PIoT、PCPE、PRN和PEN分别为物联网网关设备、CPE调制解调器、远端节点和边缘节点的功耗。乘数值1.5被用来作为代表值，以说明在网络站点使用冷却和不间断电力系统的间接费用(类似于电力使用效率，数据中心的PUE因素)。物联网网关独立于接入网技术，通过以太网端口或Wi-Fi接入，通过CPE调制解调器连接到公共网络。我们考虑了1 kb/s到1 Mb/s之间的数据访问速率。
商业接入网设备制造商数据表中所报告的电耗值，以及我们的分析中使用的一些测量值(如适用)。我们承认，不同的访问技术提供不同的数据速率，这也可能取决于安装到网络边缘节点的距离。为了在我们的分析中达到一定程度的公平，我们采用了基于实地报告和数据表的实际的、可实现的数据速率。
第四章 共享和非共享网络设备
在本节中，我们将描述物联网接入网中每个网络元素的建模。为了公平地表示网络设备的不同使用特性，将它们分为两大类:(i)非共享网络设备;共享网络设备。基于测量的[12]，将网络单元的功耗建模为略微依赖于负载的情况，如图2所示。在图中，P(C)表示流量负载为C的网络设备的功耗，单位为位/秒。因此，P(C)可以表示为P(C) = Pidle EbC，其中Pidle为其空载功耗，Eb为其每比特增量能量，由图中斜率给出。
1 非共享网络设备
非共享网络设备是指专用于单个或少数用户的网络设备(如CPE调制解调器)。这将包括用于xDSL服务的接入调制解调器、PON客户的光网络终端和“家庭”Wi-Fi(但不包括共享或公司Wi-Fi)路由器。利用单用户设备[13]的基于功率的模型，给出非共享网络设备在负载C下的功耗为:
P(C)unshared=Pidle （Pmax-Pidle）C/Cmax （2）
其中Pmax为设备在最大负荷Cmax时的功耗。未共享网络单元ebit的每比特增量能量表示为(Pmax-Pidle)/Cmax;因此P(C) = Pidle C.ebit。然而，这种差异(即Pidle和Pmax之间的差异)通常非常小;在高容量设备中，Pidle可高达Pmax[12]的90%。因此，乘积C.ebit对于较小的C值(lt; 1 Mb/s)是不重要的，因此我们接受数据表中的典型功耗值作为总数据吞吐量范围的代表性功耗值。
图2:一般网络元件的功耗
2 共享网络设备
共享网络设备是指许多(数百/数万)用户、应用程序和服务同时共享的大量使用的网络元素。网络管理员通过监视和维护网络设备利用率R (Cmax的百分比)，使0lt;Rlt;1，从而减轻网络中可能出现的拥塞或瓶颈。因此，将一天中任何时间的共享网络设备的后台流量水平建模为Cbgd = RCmax。对于一个承载物联网流量作为其后台流量的共享接入网节点，节点Pshared的总功耗可以表示为:
P(C)shared=Pidle (Pmax-Pidle)(Cbgd CIoT) (3)
其中CIoT表示通过网络边缘物联网设备生成的共享网络访问设备的总流量的一部分。我们希望根据每个交通组件的容量，将部分设备空闲功率分配给各个交通组件，再加上基于Eb的增量电量分配，如图2所示。我们使用EBIT作为一个方便的度量，它允许我们在单个数据流通过许多网络元素时添加它们所使用的能量。因此，整体网络单元每比特能量可表示为:
Ebit=P(c)shared/(Cbgd CIoT) (4)
传统上，接入网的设计是为了处理下游交通量占主导地位的交通，或最多是对称的交通。物联网流量通常涉及生成大量的小数据包，而上游流量控制着流量。我们对开源ninja block家庭自动化系统[14]的测量表明，当很少有传感器连接到block时，上行和下行链路的比例约为5:1，而对于一个流媒体物联网应用程序，上行和下行链路的比例约为23:1。这种观察到的变化与传统的互联网应用不同，传统的互联网应用需要大量的下行链接(如浏览、视频点播)。它的重要性在上行和下行功率预算不相等的网络设备(例如蜂窝网络基站)中可能是至关重要的。在本研究中，我们排除了图像/视频流，因此假设上行和下行比特流的比例为5:1。如果某一特定网络节点(即Cbgd gt;gt;gt; CIoT)的后台流量远远大于物联网流量，则表示物联网流量导致的网络元素增量功耗为:
P(C)inc-shared=EBITB (5)
其中B为物联网网关的接入比特率，单位为比特/秒。
第五章 访问节点功耗估算
在本节中，我们将评估上述网络体系结构的功耗。表1列出了考虑的关键网络元素及其对应的用户数或端口、最大上下游数据速率和功耗值。
1 物联网网络
新兴的物联网和M2M应用程序(如SmartThings、Phillips Hue和Ninja Block)通常会设置一个IN。在许多此类应用程序中，一个共同的因素是对物联网网关/集线器的需求，它充当终端设备(例如传感器、灯泡)和云之间的聚合设备。集线器通过使用以太网或Wi-Fi连接的接入调制解调器连接到云。ninja块(我们的物联网网关模型)包含一个BeagleBone Black Linux微型计算机，以及一个名为Arduino cape的定制子板。我们的测量表明，当连接到CPE调制解调器的以太网端口时，该块消耗约2.2 W。
2 Wi-Fi接入网
我们考虑两种类型的Wi-Fi模型:一种是家庭Wi-Fi模型，典型的家庭网络只有一个用户(或几个用户)，另一种是共享Wi-Fi模型，典型的企业或工业环境中有许多用户。共享设备模型(5)用于共享Wi-Fi场景，非共享设备模
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