一种话务负荷的自适应绿色基站设计与应用

　　"绿色运动”席卷，中国政府已将环境保护列入基本国策。对运营商来讲，绿色建网不仅仅是一项政治任务，更直接的好处是降低了CAPEX和OPEX，增强了企业的盈利能力。

　　目前中国已有几十万台GSM基站，且每年的基站数量在以10%~20%甚至更高的速度增加，如每个站点的基站能节省35%的功耗，那么单站点一年节省电耗6300 kWh（720W×24H×365），推及到GSM全网络，每年节省的电耗高达30亿kWh。这意味着按照火力发电计算，每年可节省120万吨原煤的消耗，减少二氧化碳排放量达300万吨。能源费用的上涨直接导致电费价格的上涨。目前国内工业用电每度电费大致在0.6~0.8元，如果GSM全网络每年节省的电耗达到30亿kWh，则可以每年为运营商节省电费开销18～24亿元人民币。

　　运营商对设备功耗的重视将有效引导设备制造商的研发重心，将节能降耗作为设备研发的重点。设备总体功耗的降低必然建立在设备各部分芯片、器件等功耗降低的基础之上，由此将会引发器件和芯片的技术革新，而器件和芯片的技术革新又会辐射到移动通信行业之外的领域。目前节能降耗的主要思路是通过多种方式降低基站的耗电量，包括采用高效率功放、智能功耗控制、智能温控技术和自然散热技术等，另外可以通过针对不同的应用场景选用不同功率、不同功耗的基站并结合覆盖增强技术来实现整网的配置。

　　移动运营商的能源消耗按空间划分，可分为网机房耗能和基站机房耗能。网机房由于总数较少且集成化程度高，电能使用效率较高，能耗降低的余地较小。基站机房数量众多且地点分散，对电能的需求总量较大，能耗占据通信设备能耗的绝大部分。基站机房的电能消耗中，电源与散热约占57%，传输设备和主设备基带处理单元约占20%，功放耗能约占23%[1-3]。由于功放用于射频信号发射，而射频信号发射量与基站话务负荷密切相关，相关研究表明控制功放能耗是基站节能的重要环节。本文重点研究如何降低载波功放模块的能耗，使其与话务负荷相匹配，从而实现设备高能效运行与节约能源。

　　1 基站能耗与话务量的关系

　　受用户行为影响，电信网络承载话音和数据业务的负荷随时间急剧变化的现象非常明显。以年为单位的现象观察，各重要节假日均出现话务高峰现象，数据业务月初的峰值现象也相当显着；以月为单位观察，周一话务明显高于其他各日；以日为单位观察，忙时的10点和18点与闲时凌晨3点的话务量相比高出数十倍。图1、图2所示为某运营商2007年、2008年无线话音业务、数据业务的负荷情况。

　　为验证基站设备话务负荷与电能消耗的关系，本文通过功率计现场测量了某基站主设备（不含传输、动力环境监控等子系统）电能消耗与24小时话务量与的关系。如图3所示。基站忙时话务量约为闲时的30倍，但电能消耗却没有明显的变化，对于话务忙时和闲时，主设备电力消耗都在1.2 kW左右。

　　功放单元作为实现射频功能的主要器件，仅在无线信号的发射时刻起作用。在闲时，大多数载波处于闲置状态，不发射任何信号，其对应的功放完全可以关闭。为评估无信号发射条件下基站能耗，本文在话务闲时对现网运行的GSM基站进行了主设备模块能耗实验。

　　表1所示为主设备能耗记录。表1中CU为基带处理单元，PA为功放单元，单载波由CU+PA构成。

　　表1 主设备能耗能耗数据记录

　　不难计算无话务负荷单载波CU+PA单元能耗为53.4×（66-57）÷12=40.05 W。可见以基站平均载波配置数为18计算，某地市上万套无话务负荷的载频单元总能耗相当可观。如果能够以话务量为参考，自适应地设置载频单元进入低功耗状态，能够节约大量的能源消耗。

　　2 基于话务负荷的自适应绿色基站设计

　　为不影响网络运行质量，关闭载波单元需要考虑以下问题：

　　（1）基于用户随机化分配原则，即使在话务量很小的时刻，用户也被随机化地近似均匀地分配在不同的载波上。在GSM系统中，每个载波能够多承载8个用户；在TD-SCDMA系统中，根据上行配置不同每个载波多承载7～25个话音用户；直接关闭载波单元必然导致该载波承载的所有用户掉话。

　　（2）需要确定载频进入低功耗模式和恢复正常工作模式的原则。不同设备的工作机制不同，载波进入低功耗模式往往需要经历一段时间，如何根据话务水平设置基站中关闭载波的比例是需要研究的问题。

　　为实现闲时关闭载波我们采取以下解决办法：对于用户随机化分配在不同载波的问题，首先通过设定载波，然后通过话务归集算法处理，将分散在不同载波的用户业务归集到载波，从而实现部分载波的空载，为下电准备条件。空闲载波下电流程如图4所示。

　　图4 对空闲载波的下电流程

　　对载波进入低功耗模式和恢复正常工作模式的原则，图4 对空闲载波的下电流程本文提出如波迁移算法：

　　假设C为基站原有载波数，R为下电载波比例，E为小区等效话务量，Ed、Eu分别为载波下电、上电门限，则：

　　可用载波数Ca=通过爱尔兰公式不难得到话音信道拥塞率Pb（Ca×H,E ）[4]，其中H为单载波业务信道数。

　　3 载波迁移算法的应用

　　本文以某一中等城市24小时小区平均话务分布为测算模型（如表2所示），在可用业务信道Ca×H为10、20、40固定不变的情况下计算呼损。

　　表2  典型小区话务模型

　　图5所示为采用固定业务信道配置条件下的呼损。由图5不难发现，不使用空载载波节电技术，即采用固定业务信道配置时，话务闲时呼损值低至10-10以下，对于移动通信客户感知无价值，同时对于运营商而言是资源的浪费。

　　图5 采用固定业务信道配置条件下的呼损

　　本文提出基于话务的自适应载波迁移算法的3种门限设定方案：

　　方案A：Ed=C×H×0.1,Eu=C×H×0.2，下电载频比例66%；

　　方案B：Ed=C×H×0.1,Eu=C×H×0.4，下电载频比例66%；

　　方案C：Ed=C×H×0.2,Eu=C×H×0.4，下电载频比例66%。

　　其中方案A较为为保守，方案B较为激进，方案C则相对中庸。方案C在忙时早8点前由于载频上电启动门限偏高，造成该时段呼损较高，影响业务质量；方案C由于在闲时，启动载频下电较困难，对电能的节约较有限；方案A在节约能源的同时，具有较低的话务呼损概率，对承载业务的影响较小，确保了可客户感知不下降。将方案A应用于现网运行的设备，即测试基站选用较保守的门限设定方案。与基站常规能耗进行对比，实测结果如图6所示。

　　图6 现网测试实测结果

　　载波迁移算法启用后，测试基站24小时话务拥塞为零。不使用半速率，基站主设备日均节能5.16 kW/h，节能比例约16.8%。成功地实现了电能消耗随话务负荷自适应调整的方式，高效利用了资源，降低了能源浪费，实践了绿色运营的理念。

　　4 结束语

　　本文提出了以话务负荷为基准，自适应地设置载波单元进入低功耗状态，降低基站主设备能耗的方法。本文研究了载波由工作状态转入低功耗状态转换条件的设定方法，降低了载波迁移算法对现网承载业务的影响，并将算法予以实践。现网应用结果显示载波迁移算法能够在保证业务质量的前提下有效降低基站主设备电力消耗，为绿色运营构建低成本的网络，促进中国无线信息化建设提供有效方法。

　　，本人也非常认同绿色基站需要系统化的标准体系这样的观点。绿色基站目前是处于政策推进、运营商与设备商积极参与的阶段上，然而，如果没有相应的评估标准与体系，绿色基站的发展势必会变得鱼龙混杂，而且缺乏统一行动，不利于整体推进。然而，在论坛上，天津移动介绍了他们的绿色基站评估体系以及早期的应用，已经在标准方面做出尝试，而作为系统化的标准，工信部电信研究院的也介绍了其在中国通信产品节能减排标准化体系建设与基站产品的推进情况，我们相信这些随着绿色基站行动的进一步广泛、深入推进，将形成一个逐渐完善的标准体系。