CDMA基站主設(shè)備能效評估方法研究與測試

葉玉劍，莊湛海，陳 昊

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630；2.廣州優(yōu)億信息科技有限公司 廣州510630）

1 前言

“十二五”時期，我國發(fā)展仍處于可以大有作為的重要戰(zhàn)略機遇期。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快和消費結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內(nèi)資源保障能力和環(huán)境容量制約以及全球性能源安全和應對氣候變化影響，資源環(huán)境約束日趨強化，“十二五”時期節(jié)能減排形勢仍然十分嚴峻，任務(wù)十分艱巨。

自2008年收購CDMA網(wǎng)絡(luò)后，中國電信迅速完成了網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)交接并穩(wěn)定運行，在此基礎(chǔ)上開展了網(wǎng)絡(luò)整治優(yōu)化、提升質(zhì)量的大會戰(zhàn)。2009年中國電信加大了無線移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的力度，采用Ev-Do Rev.A技術(shù)進行了大規(guī)模的3G網(wǎng)絡(luò)升級，用較短的時間，以超常規(guī)的速度，實現(xiàn)了移動網(wǎng)絡(luò)翻天覆地的變化，建成了全球規(guī)模最大、覆蓋最廣的CDMA網(wǎng)絡(luò)和國內(nèi)商用最早、建設(shè)成本最低的3G網(wǎng)絡(luò)。

然而，在CDMA移動網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋得到大大提升的同時，也形成了新型設(shè)備與老舊設(shè)備并存的局面。移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（BTS&BSC）存在以下幾個需要關(guān)注的問題：

·無線基站數(shù)量多，總能耗占比大，基站主設(shè)備占能耗的主要部分；

·部分設(shè)備占地面積大、功耗高、集成度差，能耗利用率低；

·對于CDMA基站能效缺乏比較全面的評估標準，在網(wǎng)優(yōu)、采購等環(huán)節(jié)不能有效地考慮投資效益與成本的優(yōu)化。中國電信的耗電占比情況如圖1所示。

圖1 中國電信耗電占比情況

目前，由于缺少合理有效的CDMA基站主設(shè)備能效評估方法，對于CDMA基站主設(shè)備的低能效標準無從定義，老舊、低能效基站的退網(wǎng)缺乏依據(jù)。通過對CDMA基站能耗現(xiàn)狀進行分析，建立相應的能效評估模型，為CDMA基站的能效水平進行分級，并制定相關(guān)的低能效標準。為通信運行商在CDMA基站選型及退網(wǎng)等方面的工作，提供節(jié)能降耗方面的參考和依據(jù)。

2 CDMA基站能耗測試方法及能效定義

2.1 CDMA基站能耗測試方法

CDMA基站能耗測試方法是參考國家工業(yè)和信息化部發(fā)布的《“移動通信設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法_基站”國標報批稿》。該標準主要規(guī)定了移動通信基站設(shè)備能耗測試的節(jié)能參數(shù)和這些參數(shù)的測試方法，采用了國際上較為成熟的靜態(tài)業(yè)務(wù)模型測試方法，在模型建立上充分考慮國內(nèi)運營企業(yè)現(xiàn)網(wǎng)的設(shè)備特點，綜合了運行企業(yè)及制造企業(yè)的研究成果，提出了適用于CDMA制式基站的參考配置、測試組網(wǎng)方式、業(yè)務(wù)負荷模型、節(jié)能參數(shù)計算方法等。

CDMA基站的參考基站配置如下。

·參考站型：S1/1/1（1個cdma2000 1x載波），S2/2/2（1個cdma2000 1x載波及1個HRPD載波），S4/4/4（2個cdma2000 1x載波及2個HRPD載波），S5/5/5（3個cdma2000 1x載波及2個HRPD載波），S7/7/7（4個cdma2000 1x載波及3個HRPD載波）。

·單位載波參考發(fā)射功率：S1/1/1、S2/2/2、S4/4/4為20 W，S5/5/5、S7/7/7為15 W。

·數(shù)據(jù)類型：偽隨機比特序列。

·分布式基站采用星型連接。

·每個扇區(qū)中各載波工作頻點在設(shè)備支持的頻帶內(nèi)平均分布。

CDMA基站測試組網(wǎng)如圖2和圖3所示。

圖2 集中式基站測試組網(wǎng)

圖3 分布式基站測試組網(wǎng)

CDMA基站的參考業(yè)務(wù)負荷模型定義如表1所示。

CDMA基站參考小區(qū)信道模型如表2所示。

2.2 CDMA基站能效水平定義

根據(jù)《“移動通信設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法_基站”國標報批稿》規(guī)定，CDMA基站某站型節(jié)能參數(shù)計算方法如下：

表1 CDMA基站的參考業(yè)務(wù)負荷模型

表2 CDMA基站參考小區(qū)信道模型

表3 現(xiàn)網(wǎng)CDMA基站型號

其中，Pi為基站平均輸入功率、Pii為閑時輸入功率、ti為閑時負荷時長、Pim為中等輸入功率、tm為中等負荷時長、Pib為忙時輸入功率、tb為忙時負荷時長。

其中，Po為基站平均出功率、Poi為閑時輸出功率、Pom為中等輸出功率、Pob為忙時輸出功率。

其中，E為CDMA基站的能效。

2.3 現(xiàn)網(wǎng)CDMA基站能效水平

通過前期的徹底調(diào)研，明確現(xiàn)網(wǎng)CDMA基站共包含6個廠商共12款設(shè)備，如表3所示。

按照《“移動通信設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法_基站”國標報批稿》進行測試并計算后，得出各型號基站5種站型的能效如表4所示。

3 CDMA基站主設(shè)備能效評估方法

3.1 制定評估指標

由于同一型號基站共有5種站型配置方式，配置站型不同，能效值也不相同，因此需制定統(tǒng)一的評估指標，達到根據(jù)基站設(shè)備能效區(qū)分優(yōu)劣的目標。

如果把每一個基站型號看成是一個個體，該型號下的每一種站型能效看成是該個體的一個屬性特征，那么每一個型號的特征均可以用一個向量V進行描述，即：

表4 CDMA基站各站型能效

在這種情況下，最常用的方法是采用歐氏距離進行描述，向量x，y之間的歐式距離記為：

在當前應用中，所有的屬性特征都是描述能效的，具有同質(zhì)性，因此可以把多維屬性整合成一維屬性。在多維幾何空間中，將綜合能效值定義為變量到原點的距離，通過對歐氏距離計算式進行整理后得：

為了使指標值不會隨樣本個數(shù)的增加而單調(diào)增加，同時使指標值更加直接地反映設(shè)備的實際能效，對以上計算式進行優(yōu)化整理，得：

其中，a1、a2、…、an為各個樣例數(shù)量占總數(shù)的比例。

由于本文關(guān)于CDMA基站能效綜合評估是基于理論上的研究，同時也是出于對廠商的公平考慮，方法對所有被測樣本基于同一水平進行比較，從概率上說采用了平均分布模型。對式（7）整理后得：

結(jié)合本文CDMA基站能效的情況，假設(shè)某型號基站，在S1/1/1站型下測得的能效為X1，在S2/2/2站型下測得的能效為X2，在S4/4/4站型下測得的能效為X3，在S5/5/5站型下測得的能效為X4，在S7/7/7站型下測得的能效為X5，則認定該基站的綜合能效為：

將d（x）定義為該基站型號的能效綜合值，從該值的定義可以看出，該值越高，基站的能效水平越高。

把之前各款CDMA基站的能效（表4）代入式（9），可以得到各款CDMA基站能效綜合值如表5所示。

3.2 CDMA基站能效綜合值評估方法

目前CDMA基站能耗評估方面缺乏統(tǒng)一的標準，我國機電設(shè)備能效評估通用方法為“正態(tài)分布算法”。由于“正態(tài)分布算法”是根據(jù)專家經(jīng)驗來設(shè)定能效標準水平的，能效標準的結(jié)果切合行業(yè)實際情況，但存在一定的主觀因素。本文在“正態(tài)分布算法”的基礎(chǔ)上，引入更加客觀的“K-means聚類算法”，在遵循科學客觀的原則基礎(chǔ)上，用兩種方法相結(jié)合的方式建立更合理的CDMA基站能效評估體系。

（1）正態(tài)分布算法

將表5中各款CDMA基站能效綜合值代入正態(tài)分布的參數(shù)公式。

均值為：

標準差為：

求得各款基站能效綜合值的正態(tài)分布均值為0.124，標準差為0.068，得出正態(tài)分布曲線如圖4所示。

圖4 CDMA基站能效綜合值的正態(tài)分布曲線

根據(jù)行業(yè)通用做法，將基站能效水平末位20%對應值作為低能效閾值，通過計算積分函數(shù)：

表5 CDMA基站能效綜合值

求得低能效閾值：X=0.067。

結(jié)合各型號基站能效綜合值可以得出，在閾值0.067以下的CDMA基站為：廠商4、廠商6、廠商5。

（2）K-means聚類算法

K-means算法是基于劃分的純數(shù)學聚類方法，方法運算結(jié)果更加客觀。K-means算法的基本思想是：以空間中k個點為中心進行聚類，對最靠近它們的對象歸類。通過迭代的方法，逐次更新各聚類中心的值，直至中心值不變，則聚類完成。算法應用條件為樣例確定且類別數(shù)確定。

3.2.1 算法描述

步驟1隨機選取K個聚類中心點為：μk，μ1，…，μk∈Rn。

步驟2重復下面過程直到收斂。

{對于每一個樣例i，計算其應該屬于的類：

對于每一個類j，重新計算該類的中心：

}

建構(gòu)主義理論認為，學習過程是學習者基于一定情境下，結(jié)合原有知識經(jīng)驗，通過社會文化互動而形成的學習者主動對新知識建構(gòu)理解的過程。所以教師創(chuàng)設(shè)生動的學習情境，能促進學生進行意義建構(gòu)。生物知識的故事化，無疑是創(chuàng)設(shè)教學情境的一種手段，因為故事具有天然的“情境性”，往往能吸引人，使學生身臨其境，全身心投入其中。

3.2.2 算法舉例

運用K-means算法將樣例“1、2、3、7、10”分成兩類。

步驟1在樣例最小值與最大值之間隨機選取中心點，中心點個數(shù)與類別數(shù)一致。

在本例中，隨機取中心點“6”、“9”。

步驟2計算每個樣例到各個中心點的距離，將樣例歸類到距離最短的中心點。如樣例“1”到中心點“6”的距離為5，到中心點“9”的距離為8，所以樣例“1”歸類到中心點“6”。如此類推，將所有樣例進行相同算法判斷得，歸類到中心點“6”的樣例有：“1、2、3、7”，歸類到中心點“9”的樣例有“10”。

步驟3計算每類所包含的樣例的平均值，將其作為新的中心點。對第一類包含的所有樣例“1、2、3、7”取平均值，得新中心點一“3.25”，對第二類包含的所有樣例“10”取平均值，得新中心點一“10”。

步驟4重復第2、3步，直至中心點不變，則歸類完成。

第一類中心點為“2”，歸類樣例有“1、2、3”，第二類中心點為“8.5”，歸類樣例有“7、10”，中心點收斂不再變化，歸類完成。

3.2.3 算法應用

將K-means算法應用到CDMA基站能效評估項目中，對表5中各款CDMA基站能效綜合值進行K-means聚類運算。所有型號基站的能效綜合值按高、中、低分成3類后，得到分類的結(jié)果如表6所示。

表6 K-means算法下，CDMA基站能效綜合值分類

取低、中兩類中心值的平均值作為低能效水平的閾值，該值為0.064。能效綜合值在閾值水平以下的基站還是：廠商4、廠商5、廠商6。

3.2.4 評估結(jié)果

以上兩種方法得出的能效綜合值低水平閾值分別為0.067、0.064，可以將0.065作為目前技術(shù)水平下，CDMA基站的低能效標準準入值?？梢钥闯觯瑥S商4、廠商5、廠商5 CDMA基站能效指標不及格，為低能效基站。各型號基站能效綜合值柱形圖如圖5所示。

3.3 CDMA基站能效綜合值等級劃分建議

對于正態(tài)分布算法，基站能效水平末位20%對應值作為低能效閾值，求得該值為0.067；居前50%對應值為0.124；居前20%對應值為0.181。

對于K-means算法，取低、中兩類中心值的平均值作為低能效水平的閾值，該值為0.064；取中、高兩類中心值的平均值為0.139；最高類中心值為0.173。

結(jié)合兩種算法，綜合以上數(shù)據(jù)，建議將CDMA基站按能效綜合值劃分為以下3個等級，如表7所示。

圖5 各型號基站能效綜合值柱形圖

表7 CDMA基站能效等級分類建議

4 結(jié)束語

本文通過對CDMA基站能耗現(xiàn)狀進行分析，結(jié)合行業(yè)情況，建立了相應的能效評估模型與評估算法，為CDMA基站的能效水平進行分級，并制定相關(guān)的低能效標準。為通信運營商在CDMA基站選型及退網(wǎng)等方面的工作，提供節(jié)能降耗方面工作的參考和依據(jù)。幫助運營商合理制定CDMA基站的節(jié)能減排措施，減少網(wǎng)絡(luò)運營的耗電量，降低成本支出，提高經(jīng)濟效益。

1 中國通信標準化協(xié)會.“移動通信設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法_基站”國標報批稿，2010