摘要:關鍵字: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越強烈。中國也正從粗放型能源消耗模式向精細型經濟模式轉型。與此同時，3G牌照的發放加劇了中國電信市場的競爭局面。在此背景條件下，如何在確保網絡服務質量不降低的前提下實現節能減排，綠色運營，對于中國的移動運營商而言具有重要的現實意義。
移動運營商的能源消耗按空間劃分，可分為核心網機房耗能和基站機房耗能。核心網機房由于總數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。基站機房數量眾多且地點分散，對電能的需求總量較大，能耗占據通信設備能耗的絕大部分。基站機房的電能消耗中，電源與散熱約占57%，傳輸設備和主設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發射，而射頻信號發射量與基站話務負荷密切相關，相關研究表明控制功放能耗是基站節能的重要環節。本文重點研究如何降低載波功放模塊的能耗，使其與話務負荷相匹配，從而實現設備高能效運行與節約能源。
1 基站能耗與話務量的關系
受用戶行為影響，電信網絡承載話音和數據業務的負荷隨時間急劇變化的現象非常明顯。以年為單位的現象觀察，各重要節假日均出現話務高峰現象，數據業務月初的峰值現象也相當顯著；以月為單位觀察，周一話務明顯高于其他各日；以日為單位觀察，忙時的10點和18點與閑時凌晨3點的話務量相比高出數十倍。圖1、圖2所示為某運營商2007年、2008年無線話音業務、數據業務的負荷情況。
為驗證基站設備話務負荷與電能消耗的關系，本文通過功率計現場測量了某基站主設備(不含傳輸、動力環境監控等子系統)電能消耗與24小時話務量與的關系。如圖3所示。基站忙時話務量約為閑時的30倍，但電能消耗卻沒有明顯的變化，對于話務忙時和閑時，主設備電力消耗都在1.2 kW左右。
功放單元作為實現射頻功能的主要器件，僅在無線信號的發射時刻起作用。在閑時，大多數載波處于閑置狀態，不發射任何信號，其對應的功放完全可以關閉。為評估無信號發射條件下基站能耗，本文在話務閑時對現網運行的GSM基站進行了主設備模塊能耗實驗。
表1所示為主設備能耗記錄。表1中CU為基帶處理單元，PA為功放單元，單載波由CU+PA構成。
表1 主設備能耗能耗數據記錄
不難計算無話務負荷單載波CU+PA單元能耗為53.4×(66-57)÷12=40.05 W。可見以基站平均載波配置數為18計算，某地市上萬套無話務負荷的載頻單元總能耗相當可觀。如果能夠以話務量為參考，自適應地設置載頻單元進入低功耗狀態，能夠節約大量的能源消耗。
2 基于話務負荷的自適應綠色基站設計
為不影響網絡運行質量，關閉載波單元需要考慮以下問題：
(1)基于用戶隨機化分配原則，即使在話務量很小的時刻，用戶也被隨機化地近似均勻地分配在不同的載波上。在GSM系統中，每個載波能夠最多承載8個用戶；在TD-SCDMA系統中，根據上行配置不同每個載波最多承載7～25個話音用戶；直接關閉載波單元必然導致該載波承載的所有用戶掉話。
(2)需要確定載頻進入低功耗模式和恢復正常工作模式的原則。不同設備的工作機制不同，載波進入低功耗模式往往需要經歷一段時間，如何根據話務水平設置基站中關閉載波的比例是需要研究的問題。
為實現閑時關閉載波我們采取以下解決辦法：對于用戶隨機化分配在不同載波的問題，首先通過設定最優載波，然后通過話務歸集算法處理，將分散在不同載波的用戶業務歸集到最優載波，從而實現部分載波的空載，為下電準備條件。空閑載波下電流程如圖4所示。
圖4 對空閑載波的下電流程
對載波進入低功耗模式和恢復正常工作模式的原則，圖4 對空閑載波的下電流程本文提出如下載波遷移算法：
假設C為基站原有載波數，R為下電載波比例，E為小區等效話務量，Ed、Eu分別為載波下電、上電門限，則：
可用載波數Ca=通過愛爾蘭公式不難得到話音信道擁塞率Pb(Ca×H,E )[4]，其中H為單載波業務信道數。
3 載波遷移算法的應用
本文以某一中等城市24小時小區平均話務分布為測算模型(如表2所示)，在可用業務信道Ca×H為10、20、40固定不變的情況下計算呼損。
表2 典型小區話務模型
圖5所示為采用固定業務信道配置條件下的呼損。由圖5不難發現，不使用空載載波節電技術，即采用固定業務信道配置時，話務閑時呼損值低至10-10以下，對于移動通信客戶感知無價值，同時對于運營商而言是資源的浪費。
圖5 采用固定業務信道配置條件下的呼損
本文提出基于話務的自適應載波遷移算法的3種門限設定方案：
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，方案C則相對中庸。方案C在忙時早8點前由于載頻上電啟動門限偏高，造成該時段呼損較高，影響業務質量；方案C由于在閑時，啟動載頻下電較困難，對電能的節約較有限；方案A在節約能源的同時，具有較低的話務呼損概率，對承載業務的影響較小，確保了可客戶感知不下降。將方案A應用于現網運行的設備，即測試基站選用較保守的門限設定方案。與基站常規能耗進行對比，實測結果如圖6所示。
圖6 現網測試實測結果
載波遷移算法啟用后，測試基站24小時話務擁塞為零。不使用半速率，基站主設備日均節能5.16 kW/h，節能比例約16.8%。成功地實現了電能消耗隨話務負荷自適應調整的方式，高效利用了資源，降低了能源浪費，實踐了綠色運營的理念。
4 結束語
本文提出了以話務負荷為基準，自適應地設置載波單元進入低功耗狀態，降低基站主設備能耗的方法。本文研究了載波由工作狀態轉入低功耗狀態轉換條件的設定方法，降低了載波遷移算法對現網承載業務的影響，并將算法予以實踐。現網應用結果顯示載波遷移算法能夠在保證業務質量的前提下有效降低基站主設備電力消耗，為綠色運營構建低成本的網絡，促進中國無線信息化建設提供有效方法。
隨著下一階段第三代移動通信系統的大建設，新型基站設備和大規模載波池將規模應用。載波將在多個基站間共享，話務閑時將有更多的載波具備降低功耗節能工作的條件。基于話務負荷的載波節能技術將能節約更多電力，使未來基站在更節能環保的模式下運作。與此同時將基于話務負荷的思路應用于基帶處理單元以及核心網設備將能夠降低更多能耗，向著環境更友好，綠色更環保，運營更高效的目標發展。
5 參考文獻
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[3] 文鐸. 基站節能解決方案 [C]//2008年“ICT助力兩型社會建設”學術研討會論文集, 2008.
[4] RAPPAPORT T S. 無線通信原理與應用 [M]. 2版. 周文安, 付秀花, 王志輝, 等譯. 北京:電子工業出版社, 2006.
萬科，西南交通大學信息與通信系統專業博士畢業；中國移動安徽公司網絡部高級工程師，IEEE通信分會南京分部委員；主要從事無線網絡優化研究；已發表論文9篇，獲得專利2項。
何義，安徽大學無線電專業畢業；中國移動集團安徽分公司網絡部網優科長；主要從事無線網絡優化、網絡質量分析評估方法的研究。
范培全，安徽大學無線電專業畢業；中國移動集團安徽分公司網絡部總經理、高級工程師；主要從事網絡質量評估、客戶感知的研究。