摘要:關(guān)鍵字:英文摘要:Environmentally friendly production and efficient energy use are key areas of study for telecom operators. An adaptive energy consumption module based on traffic load can reduce power consumption without loss of service capacity or performance. In this paper, algorithm optimization for current network traffic is also proposed. Results show the adaptive module is easy to apply and promote, and balances performance and energy saving requirements of a communications system.

英文關(guān)鍵字:environmentally friendly operation; energy efficiency base station; carrier; traffic re-assignment

隨著全球氣候變暖，降低碳排放和能源消耗的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈。中國(guó)也正從粗放型能源消耗模式向精細(xì)型經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)型。與此同時(shí)，3G牌照的發(fā)放加劇了中國(guó)電信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)局面。在此背景條件下，如何在確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量不降低的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，綠色運(yùn)營(yíng)，對(duì)于中國(guó)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的能源消耗按空間劃分，可分為核心網(wǎng)機(jī)房耗能和基站機(jī)房耗能。核心網(wǎng)機(jī)房由于總數(shù)較少且集成化程度高，電能使用效率較高，能耗降低的余地較小?；緳C(jī)房數(shù)量眾多且地點(diǎn)分散，對(duì)電能的需求總量較大，能耗占據(jù)通信設(shè)備能耗的絕大部分。基站機(jī)房的電能消耗中，電源與散熱約占57%，傳輸設(shè)備和主設(shè)備基帶處理單元約占20%，功放耗能約占23%[1-3]。由于功放用于射頻信號(hào)發(fā)射，而射頻信號(hào)發(fā)射量與基站話務(wù)負(fù)荷密切相關(guān)，相關(guān)研究表明控制功放能耗是基站節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。本文重點(diǎn)研究如何降低載波功放模塊的能耗，使其與話務(wù)負(fù)荷相匹配，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備高能效運(yùn)行與節(jié)約能源。

1 基站能耗與話務(wù)量的關(guān)系

受用戶(hù)行為影響，電信網(wǎng)絡(luò)承載話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的負(fù)荷隨時(shí)間急劇變化的現(xiàn)象非常明顯。以年為單位的現(xiàn)象觀察，各重要節(jié)假日均出現(xiàn)話務(wù)高峰現(xiàn)象，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)月初的峰值現(xiàn)象也相當(dāng)顯著；以月為單位觀察，周一話務(wù)明顯高于其他各日；以日為單位觀察，忙時(shí)的10點(diǎn)和18點(diǎn)與閑時(shí)凌晨3點(diǎn)的話務(wù)量相比高出數(shù)十倍。圖1、圖2所示為某運(yùn)營(yíng)商2007年、2008年無(wú)線話音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的負(fù)荷情況。

為驗(yàn)證基站設(shè)備話務(wù)負(fù)荷與電能消耗的關(guān)系，本文通過(guò)功率計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了某基站主設(shè)備(不含傳輸、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控等子系統(tǒng))電能消耗與24小時(shí)話務(wù)量與的關(guān)系。如圖3所示?；久r(shí)話務(wù)量約為閑時(shí)的30倍，但電能消耗卻沒(méi)有明顯的變化，對(duì)于話務(wù)忙時(shí)和閑時(shí)，主設(shè)備電力消耗都在1.2 kW左右。

功放單元作為實(shí)現(xiàn)射頻功能的主要器件，僅在無(wú)線信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻起作用。在閑時(shí)，大多數(shù)載波處于閑置狀態(tài)，不發(fā)射任何信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的功放完全可以關(guān)閉。為評(píng)估無(wú)信號(hào)發(fā)射條件下基站能耗，本文在話務(wù)閑時(shí)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的GSM基站進(jìn)行了主設(shè)備模塊能耗實(shí)驗(yàn)。

表1所示為主設(shè)備能耗記錄。表1中CU為基帶處理單元，PA為功放單元，單載波由CU+PA構(gòu)成。

表1 主設(shè)備能耗能耗數(shù)據(jù)記錄

不難計(jì)算無(wú)話務(wù)負(fù)荷單載波CU+PA單元能耗為53.4×(66-57)÷12=40.05 W?？梢?jiàn)以基站平均載波配置數(shù)為18計(jì)算，某地市上萬(wàn)套無(wú)話務(wù)負(fù)荷的載頻單元總能耗相當(dāng)可觀。如果能夠以話務(wù)量為參考，自適應(yīng)地設(shè)置載頻單元進(jìn)入低功耗狀態(tài)，能夠節(jié)約大量的能源消耗。

2 基于話務(wù)負(fù)荷的自適應(yīng)綠色基站設(shè)計(jì)

為不影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量，關(guān)閉載波單元需要考慮以下問(wèn)題：

(1)基于用戶(hù)隨機(jī)化分配原則，即使在話務(wù)量很小的時(shí)刻，用戶(hù)也被隨機(jī)化地近似均勻地分配在不同的載波上。在GSM系統(tǒng)中，每個(gè)載波能夠最多承載8個(gè)用戶(hù)；在TD-SCDMA系統(tǒng)中，根據(jù)上行配置不同每個(gè)載波最多承載7～25個(gè)話音用戶(hù)；直接關(guān)閉載波單元必然導(dǎo)致該載波承載的所有用戶(hù)掉話。

(2)需要確定載頻進(jìn)入低功耗模式和恢復(fù)正常工作模式的原則。不同設(shè)備的工作機(jī)制不同，載波進(jìn)入低功耗模式往往需要經(jīng)歷一段時(shí)間，如何根據(jù)話務(wù)水平設(shè)置基站中關(guān)閉載波的比例是需要研究的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)閑時(shí)關(guān)閉載波我們采取以下解決辦法：對(duì)于用戶(hù)隨機(jī)化分配在不同載波的問(wèn)題，首先通過(guò)設(shè)定最優(yōu)載波，然后通過(guò)話務(wù)歸集算法處理，將分散在不同載波的用戶(hù)業(yè)務(wù)歸集到最優(yōu)載波，從而實(shí)現(xiàn)部分載波的空載，為下電準(zhǔn)備條件。空閑載波下電流程如圖4所示。

圖4 對(duì)空閑載波的下電流程

對(duì)載波進(jìn)入低功耗模式和恢復(fù)正常工作模式的原則，圖4 對(duì)空閑載波的下電流程本文提出如下載波遷移算法：

假設(shè)C為基站原有載波數(shù)，R為下電載波比例，E為小區(qū)等效話務(wù)量，Ed、Eu分別為載波下電、上電門(mén)限，則：

可用載波數(shù)Ca=通過(guò)愛(ài)爾蘭公式不難得到話音信道擁塞率Pb(Ca×H,E )[4]，其中H為單載波業(yè)務(wù)信道數(shù)。

3 載波遷移算法的應(yīng)用

本文以某一中等城市24小時(shí)小區(qū)平均話務(wù)分布為測(cè)算模型(如表2所示)，在可用業(yè)務(wù)信道Ca×H為10、20、40固定不變的情況下計(jì)算呼損。

表2  典型小區(qū)話務(wù)模型

圖5所示為采用固定業(yè)務(wù)信道配置條件下的呼損。由圖5不難發(fā)現(xiàn)，不使用空載載波節(jié)電技術(shù)，即采用固定業(yè)務(wù)信道配置時(shí)，話務(wù)閑時(shí)呼損值低至10-10以下，對(duì)于移動(dòng)通信客戶(hù)感知無(wú)價(jià)值，同時(shí)對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言是資源的浪費(fèi)。

圖5 采用固定業(yè)務(wù)信道配置條件下的呼損 

本文提出基于話務(wù)的自適應(yīng)載波遷移算法的3種門(mén)限設(shè)定方案：

方案A：Ed=C×H×0.1,Eu=C×H×0.2，下電載頻比例66%；
　　方案B：Ed=C×H×0.1,Eu=C×H×0.4，下電載頻比例66%；
　　方案C：Ed=C×H×0.2,Eu=C×H×0.4，下電載頻比例66%。

其中方案A較為為保守，方案B較為激進(jìn)，方案C則相對(duì)中庸。方案C在忙時(shí)早8點(diǎn)前由于載頻上電啟動(dòng)門(mén)限偏高，造成該時(shí)段呼損較高，影響業(yè)務(wù)質(zhì)量；方案C由于在閑時(shí)，啟動(dòng)載頻下電較困難，對(duì)電能的節(jié)約較有限；方案A在節(jié)約能源的同時(shí)，具有較低的話務(wù)呼損概率，對(duì)承載業(yè)務(wù)的影響較小，確保了可客戶(hù)感知不下降。將方案A應(yīng)用于現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備，即測(cè)試基站選用較保守的門(mén)限設(shè)定方案。與基站常規(guī)能耗進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試實(shí)測(cè)結(jié)果

載波遷移算法啟用后，測(cè)試基站24小時(shí)話務(wù)擁塞為零。不使用半速率，基站主設(shè)備日均節(jié)能5.16 kW/h，節(jié)能比例約16.8%。成功地實(shí)現(xiàn)了電能消耗隨話務(wù)負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)整的方式，高效利用了資源，降低了能源浪費(fèi)，實(shí)踐了綠色運(yùn)營(yíng)的理念。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了以話務(wù)負(fù)荷為基準(zhǔn)，自適應(yīng)地設(shè)置載波單元進(jìn)入低功耗狀態(tài)，降低基站主設(shè)備能耗的方法。本文研究了載波由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的設(shè)定方法，降低了載波遷移算法對(duì)現(xiàn)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)的影響，并將算法予以實(shí)踐?，F(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示載波遷移算法能夠在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下有效降低基站主設(shè)備電力消耗，為綠色運(yùn)營(yíng)構(gòu)建低成本的網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)中國(guó)無(wú)線信息化建設(shè)提供有效方法。

隨著下一階段第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的大建設(shè)，新型基站設(shè)備和大規(guī)模載波池將規(guī)模應(yīng)用。載波將在多個(gè)基站間共享，話務(wù)閑時(shí)將有更多的載波具備降低功耗節(jié)能工作的條件?；谠拕?wù)負(fù)荷的載波節(jié)能技術(shù)將能節(jié)約更多電力，使未來(lái)基站在更節(jié)能環(huán)保的模式下運(yùn)作。與此同時(shí)將基于話務(wù)負(fù)荷的思路應(yīng)用于基帶處理單元以及核心網(wǎng)設(shè)備將能夠降低更多能耗，向著環(huán)境更友好，綠色更環(huán)保，運(yùn)營(yíng)更高效的目標(biāo)發(fā)展。

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萬(wàn)科，西南交通大學(xué)信息與通信系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)博士畢業(yè)；中國(guó)移動(dòng)安徽公司網(wǎng)絡(luò)部高級(jí)工程師，IEEE通信分會(huì)南京分部委員；主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究；已發(fā)表論文9篇，獲得專(zhuān)利2項(xiàng)。

何義，安徽大學(xué)無(wú)線電專(zhuān)業(yè)畢業(yè)；中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)安徽分公司網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)優(yōu)科長(zhǎng)；主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析評(píng)估方法的研究。

范培全，安徽大學(xué)無(wú)線電專(zhuān)業(yè)畢業(yè)；中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)安徽分公司網(wǎng)絡(luò)部總經(jīng)理、高級(jí)工程師；主要從事網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估、客戶(hù)感知的研究。