36、多标准无线设备节能合作策略与FIRE实验设施成本考量

多标准无线设备节能合作策略与FIRE实验设施成本考量

1. 多标准无线设备节能合作策略

在当今时代，无线设备的能耗问题日益凸显。电池技术的发展未能跟上无线设备对能源需求的增长，因此，寻找有效的节能策略至关重要。

1.1 节能优化问题

对于多标准无线设备的节能合作，我们可以通过解决一个优化问题来确定混合联盟的价值。以两跳中继为例，该优化问题可表示如下：
最大化 ( v(S) = \sum_{i\in S} \sum_{j\in S, j\neq i} x_{ij}v({i, j}) )
约束条件：
( \sum_{j\in N} x_{ij} \leq 1, \forall i = 1, …, m )
( \sum_{i\in M} x_{ij} \leq 1, \forall j = 1, …, n )
( x_{ij} \in {0, 1}, \forall i, j )

其中，( x_{ij} ) 是一个二进制决策变量，表示中继 ( i ) 是否应该中继源 ( j )；( v({i, j}) ) 是中继 ( i ) 和源 ( j ) 合作可能节省的能量。第一个约束不等式表明任何中继最多只能中继一个源，第二个约束不等式表明任何源要么直接通信，要么最多利用一个中继到达接入点，这是由两跳约束导致的。

一旦确定了游戏的特征函数，我们就可以应用诸如核心解等解决方案概念来解决该游戏。游戏的解决方案能在合作集群内的无线设备之间公平分配共同节省的能量，从而使每个参与者都满意，促进合作的发展。

1.2 合作执行机制

在合作集群中，节省的能量是不可转移的。只有源节点能享受节能，而中继节点会因中继操作产生额外的功耗。因此，即使合作能降低集群的总功耗，中继节点也可能不愿意合作，除非其努力能得到补偿。

虽然参与者可以采用互惠利他主义来解决这个问题，但由于参与者之间缺乏信任，这种方法很容易受到恶意节点搭便车行为的影响。因此，需要一种机制来激励合作参与者，并避免自私参与者的潜在威胁，否则合作将会瓦解。主要有两种方法来解决这个问题，即声誉机制和虚拟货币机制。我们采用虚拟货币机制，类似于使用虚拟中央银行（VCB）来评估参与者的可信度。具体操作步骤如下：
1. 任何无线设备在 VCB 中都有一个能源账户，并拥有一些初始信用，其努力会被完全记录和跟踪。
2. VCB 根据游戏的解决方案，通过能源信用奖励合作节点。
3. VCB 通过奖励中继节点并向相应的源节点收取能源信用来补偿中继节点。
4. 当收到源设备的合作请求时，VCB 会检查该设备的能源账户，如果账户中有足够的信用，就允许其受益于其他节点的帮助。
5. 为了让所有参与者信任，VCB 应在基础设施端实现。

1.3 实验结果与讨论

为了进行数值验证，我们聚焦于具有 WiFi 和 WiMedia 接口的场景。我们将节能增益定义为合作实现的节能与直接通信所需能量的比率。

• 理论分析 ：对不同的 SR - LR 使用案例（如 WiMedia - WiFi、WiFi - WiMax 和 WiFi - WiFi）进行了全面的定量分析。结果表明，无线设备平均可实现超过 50% 的节能，在某些情况下，当源节点和中继节点分别拥有 6Mbps 和 54Mbps 的 LR 通道时，节能甚至可超过 80%。不过，这只是理论分析，忽略了源节点和中继节点之间建立所需 SR 通道的可能性，但它能为可实现的节能极限提供参考。
• 初步模拟 ：对咖啡店场景进行了模拟，有 5 个源节点和 5 个中继节点，采用简单的欧几里得距离通道模型。该研究考虑了 WiFi - WiMedia 使用案例，报告的平均节能增益为 38.8%，标准差为 16%，最大节能增益为 76.6%。
• 更现实场景模拟 ：使用随机通道模型进行模拟。对于 SR 通道，假设为视距（LOS）模型，路径损耗指数为 1.7；对于 LR 通道，假设为非视距（NLOS）模型，路径损耗指数为 5，阴影标准差为 8dB，并伴有平坦瑞利衰落。模拟结果如图所示，对于给定数量的源节点，随着中继节点数量的增加，节能增益也会增加。而且，当在模拟区域中引入更多源节点时，节能增益在早期会增加，但在引入少量源节点后很快就会饱和。

中继节点数量	节能增益变化趋势
5 个	随着源节点增加，早期增益上升，后趋于饱和
10 个	整体增益高于 5 个中继节点情况，同样早期上升后饱和
15 个	节能增益进一步提高，饱和速度相对较慢

为了研究中继节点密度的影响，我们将节点总数从 10 变化到 100，中继节点密度分别为 20%、50% 和 80%。结果显示，当中继节点百分比从 20% 增加到 50% 时，节能增益显著增加；但从中继节点百分比从 50% 增加到 80% 时，增益仅略有提高。此外，曲线在达到 50 个节点之前相当陡峭，之后梯度开始下降。这表明节能增益不仅取决于节点的总数，还取决于中继节点的百分比。为了避免在运行时间和上下文开销方面难以处理的中继选择算法，同时确保合理的节能增益，合适的集群大小估计在 30 - 50 个节点左右。例如，对于一个有 50 个节点、中继节点密度为 50% 的集群，合作 SR 中继策略可使无线设备的功耗降低 50%。

为了进一步验证，在 C2POWER 项目中设计并实现了一个演示测试平台。该测试平台用于测试 SR 合作节能策略，由 C2POWER 节点组成，每个节点有 WiFi 和 WiMedia 两个接口，还包括一个 WiFi AP。节点可以通过 WiFi 直接连接到 AP，也可以通过 WiMedia 进行 SR 合作连接。测试平台最初设计在有线环境中，以确保可靠性、稳定性和可重复性，后来升级集成了 C2POWER 开发的无线前端模块。测试平台证明了该概念的有效性，节能可达 75%。

2. FIRE 实验设施成本考量

欧洲未来互联网研究与实验（FIRE）倡议为欧洲测试平台的提供带来了新的方法，从特定项目和行业的设施转向通用、可重复使用的实验平台。然而，所有设施都面临着一个共同的挑战，即如何在项目资金结束后维持对欧洲研究人员的服务。

2.1 FIRE 实验设施现状与挑战

互联网产品和服务的研发日益复杂，尤其是那些影响当前互联网商业模式的颠覆性技术。FIRE 项目整合了现有的国家资产，并建立了先进的机制，使这些资产能在欧洲范围内得到利用。但可持续性需要一个能吸引足够收入来支付服务成本的商业模式。此前尝试建立商业化运营的 FIRE 测试平台均未成功，因为 FIRE 研究基础设施的复杂性和联合性以及支持基础研究的需求，使其不能单纯依靠商业运营。

目前，可持续性讨论主要集中在对商业模式的定性评估上，如客户是谁、谁来付费、客户需求是什么等。然而，FIRE 路线图对财务方面的描述较为肤浅，未能提供成本结构或量化成本。缺乏成本问责和运营绩效监控是可持续性的主要障碍，因为预算持有者和潜在投资者没有足够的信息来评估商业计划的可行性，测试平台提供商也缺乏控制成本和实现运营绩效目标的决策工具。

2.2 云实验设施价值主张

BonFIRE 项目为云实验设施提供了一系列价值主张。通过价值链分析和 Ostewalder & Pigneur 的商业模式画布，我们确定了其主要价值主张是一个外包的按需测试平台基础设施，具备控制、可观测性、可用性和先进的云/网络功能（包括跨站点弹性、按需带宽）。该设施独特之处在于能让客户探索应用、云和网络的交叉影响，并以现有公共云提供商无法提供的方式控制和观察物理和虚拟化基础设施的行为。其目标客户包括中小企业、学术研究人员和研究合作组织，这些客户没有足够的资金或长期投资专用测试平台设施的需求。

BonFIRE 的服务交付模型基于云计算的快速供应和自助服务范式，具体如下表所示：
| 价值主张 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 测试平台即服务（TaaS） | 由代理集中控制测试平台的多站点云服务 |
| 基础设施即服务（IaaS）++ | 将 BonFIRE 功能作为现有 IaaS 服务的增值服务 |
| 第三方测试平台提供（3PTP） | 测试平台托管在第三方商业云和公共资助设施上的多站点云服务 |
| 实验即服务（EaaS） | 使用 BonFIRE 设施提供实验设计、运行和分析的测试与开发服务 |

虽然商业模式生成和价值链分析有助于探索商业模式的一般属性和优先考虑不同场景，但它们无法提供监测和调查设施运营和财务绩效所需的定量分析。设施需要开发和运营成本会计系统，以探索实验成本、容量规划、产品组合、投资和潜在定价的内部运营动态。这样可以实现以下两个目标：
- 核算并预测产品（如实验或测试）的总成本。
- 确定维持特定服务水平所需的公共资金投资水平，或在考虑商业商业模式时探索可能的利润率。

在实际运营中，由于投资成本反映在客户价格上通常高于商业市场价格，设施必须不断寻找控制和降低成本的方法。

graph LR
    A[云实验设施] --> B[价值主张分析]
    B --> C[确定服务交付模型]
    C --> D[TaaS]
    C --> E[IaaS++]
    C --> F[3PTP]
    C --> G[EaaS]
    D --> H[多站点云服务]
    E --> I[增值服务]
    F --> J[第三方设施服务]
    G --> K[实验服务]

综上所述，多标准无线设备的节能合作策略和 FIRE 实验设施的成本考量都是当前相关领域的重要问题。通过合理的优化策略、有效的合作执行机制以及对成本的精确核算和控制，可以实现无线设备的节能目标和实验设施的可持续运营。

多标准无线设备节能合作策略与FIRE实验设施成本考量

2. FIRE 实验设施成本考量（续）

2.3 成本模型与成本会计系统构建

为了解决 FIRE 实验设施可持续性面临的成本问题，我们需要构建合适的成本模型和成本会计系统。对于 BonFIRE 项目的测试平台即服务（TaaS），我们将详细阐述成本模型的构建以及如何利用该模型构建联邦设施的成本会计系统。

成本模型的构建需要考虑多个因素，包括硬件设备成本、软件使用成本、网络带宽成本、人员维护成本等。我们将这些成本因素进行分类和量化，建立起一个全面的成本模型。以下是构建成本会计系统的具体操作步骤：
1. 数据收集 ：收集与实验设施运营相关的所有成本数据，包括设备采购费用、软件授权费用、网络使用费用、人员工资等。
2. 成本分类 ：将收集到的成本数据按照不同的类别进行划分，例如固定成本（如设备采购成本）和可变成本（如网络使用成本）。
3. 成本分配 ：根据不同的服务交付模型和实验项目，将成本合理地分配到各个项目中。例如，对于 TaaS 服务，需要确定每个测试平台使用所对应的成本。
4. 建立会计系统 ：利用收集、分类和分配后的成本数据，建立一个成本会计系统，用于记录和监控实验设施的成本情况。

通过以上步骤，我们可以建立一个有效的成本会计系统，为实验设施的运营和可持续性决策提供有力支持。

2.4 成本会计模型在运营决策中的应用

成本会计模型不仅可以用于记录和监控成本，还可以为实验设施的运营决策提供重要依据。以下是成本会计模型在运营决策中的具体应用：
- 容量规划 ：通过分析不同服务交付模型下的成本和需求情况，合理规划实验设施的容量。例如，如果某个服务交付模型的需求增长较快，且成本效益较高，可以考虑增加相应的资源投入。
- 产品组合优化 ：根据成本会计模型提供的数据，优化实验设施的产品组合。例如，评估不同服务交付模型的盈利能力，调整产品组合，提高整体效益。
- 投资决策 ：在考虑新的投资项目时，利用成本会计模型评估项目的成本和收益，判断投资的可行性。例如，对于引入新的技术或设备，需要分析其对成本和效益的影响。

通过以上应用，成本会计模型可以帮助实验设施管理者做出更加科学、合理的运营决策，提高设施的运营效率和可持续性。

graph LR
    A[成本会计模型] --> B[容量规划]
    A --> C[产品组合优化]
    A --> D[投资决策]
    B --> E[合理分配资源]
    C --> F[提高整体效益]
    D --> G[判断投资可行性]

3. 总结与展望

多标准无线设备的节能合作策略和 FIRE 实验设施的成本考量是当前无线通信和互联网研究领域的重要课题。

在多标准无线设备节能方面，通过优化问题的求解和合作执行机制的建立，我们可以实现无线设备的显著节能。实验结果表明，采用合作策略可以使无线设备的节能增益达到较高水平，在实际应用中具有很大的潜力。同时，虚拟中央银行机制的引入为合作的稳定运行提供了保障。

在 FIRE 实验设施成本考量方面，我们认识到成本问责和运营绩效监控对于可持续性的重要性。通过构建成本模型和成本会计系统，并将其应用于运营决策中，我们可以提高实验设施的运营效率和财务可行性。

未来，我们可以进一步探索以下方向：
- 无线设备节能策略的优化 ：研究更加高效的合作策略和节能算法，提高无线设备的节能效果。
- 实验设施成本控制的深化 ：不断完善成本模型和成本会计系统，探索更多的成本控制方法，降低实验设施的运营成本。
- 跨领域合作的拓展 ：促进无线设备节能和实验设施可持续性之间的跨领域合作，实现资源的更有效利用。

总之，通过不断的研究和实践，我们有望解决无线设备能耗问题和实验设施可持续性问题，推动相关领域的发展。

以下是对本文内容的一个总结表格：
| 领域 | 关键问题 | 解决方案 | 成果 | 未来展望 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 多标准无线设备节能 | 能耗高，合作激励不足 | 优化问题求解，虚拟中央银行机制 | 平均节能超 50%，部分情况超 80%，测试平台节能达 75% | 优化节能策略 |
| FIRE 实验设施成本考量 | 缺乏成本问责和运营绩效监控 | 构建成本模型和成本会计系统，应用于运营决策 | 提高运营效率和财务可行性 | 深化成本控制，拓展跨领域合作 |

通过以上的分析和实践，我们可以看到在多标准无线设备节能和 FIRE 实验设施可持续性方面已经取得了一定的成果，但仍有许多工作需要进一步开展。希望本文能够为相关领域的研究和实践提供有益的参考。