5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備安裝與調(diào)試方法

歐永青

（中郵建技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)智能手機(jī)用戶呈爆炸式增長(zhǎng)，與此同時(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)也在有序推進(jìn)，人們使用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量也隨之增長(zhǎng)。為了滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)流量速度與質(zhì)量的需求，需要尋求更好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備來(lái)提升數(shù)據(jù)流量的利用率。2019年6月，我國(guó)正式進(jìn)入5G時(shí)代，各大運(yùn)營(yíng)商都展開(kāi)了5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的部署計(jì)劃。雖然5G時(shí)代的到來(lái)為我國(guó)通信行業(yè)注入新活力，但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的功耗也隨之大幅增加，與4G相比，5G基站的建設(shè)需要更多的設(shè)備功耗。針對(duì)5G基站重要組成設(shè)備的室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）功耗大的問(wèn)題，我國(guó)相關(guān)學(xué)者對(duì)5G基站展開(kāi)了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)5G基站中供電與用電設(shè)備的靈活調(diào)度，滿足正常通信的基礎(chǔ)上降低了用電量。文獻(xiàn)[2]利用多基站集群協(xié)調(diào)運(yùn)行的方式，滿足移動(dòng)用戶通信需求的同時(shí)降低了基站用能。但是上述方法依舊不能夠解決BBU設(shè)備切換損耗較大的問(wèn)題，增加了5G基站的通信能耗。

因此，本文針對(duì)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備安裝與調(diào)試方法展開(kāi)研究，以期通過(guò)設(shè)計(jì)的方法降低切換損耗。

1 BBU集中機(jī)柜的安裝

作為5G基站重要組成設(shè)備的BBU，通常會(huì)安裝于一個(gè)綜合機(jī)柜中，但這種集中機(jī)柜的安裝環(huán)境會(huì)出現(xiàn)BBU設(shè)備工作時(shí)表面溫度過(guò)高的情況，造成BBU功耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致基站用電量增加。由于BBU主設(shè)備的風(fēng)道和集中機(jī)柜的氣流不一致，限制了BBU設(shè)備工作時(shí)的散熱，因此在安裝BBU集中機(jī)柜時(shí)，需要考慮到冷熱區(qū)域分離以及散熱等情況，通過(guò)BBU集中機(jī)柜的高效散熱，提高BBU設(shè)備的使用壽命，降低5G基站運(yùn)營(yíng)成本。在安裝BBU集中機(jī)柜時(shí)，使用豎向安裝形式，使BBU設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量由原來(lái)的側(cè)進(jìn)側(cè)出轉(zhuǎn)變?yōu)橄逻M(jìn)上出的方式[3]。然后每一個(gè)集中機(jī)柜中安裝2組設(shè)備，每組設(shè)備包括5臺(tái)BBU，為了提高集中機(jī)柜的散熱效率，在這2組設(shè)備中分別安裝導(dǎo)流罩，并在集中機(jī)柜的前立柱兩邊安裝擋風(fēng)毛刷，以此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流罩的封閉處理。這樣安裝BBU集中機(jī)柜，可以實(shí)現(xiàn)冷熱分離，機(jī)柜的前面是冷區(qū)域，后面是熱區(qū)域。在機(jī)柜的每組設(shè)備區(qū)域分別安裝2.5U的高冷導(dǎo)流罩，以此提高BBU集中機(jī)柜的制冷效率。當(dāng)BBU集中機(jī)柜運(yùn)行時(shí)，冷空氣會(huì)通過(guò)冷導(dǎo)流罩流入BBU進(jìn)風(fēng)口，然后熱氣通過(guò)熱導(dǎo)流罩流入機(jī)柜后門排出，如圖1所示。

圖1 BBU集中機(jī)柜內(nèi)氣體流通情況

由圖1可以看出，每個(gè)BBU集中機(jī)柜的散熱都是下進(jìn)上出的形式，這樣可以避免設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量傳遞給別的機(jī)柜，不會(huì)出現(xiàn)BBU機(jī)柜熱量堆積的情況，保證了BBU設(shè)備可以在正常溫度下運(yùn)行，降低BBU功耗，提升了BBU設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而減少5G基站運(yùn)行的成本。

2 BBU設(shè)備的調(diào)試

2.1 預(yù)測(cè)BBU負(fù)載

當(dāng)BBU集中機(jī)柜運(yùn)行時(shí)，由于數(shù)據(jù)流量會(huì)隨著時(shí)空差異而發(fā)生變化，導(dǎo)致BBU設(shè)備的負(fù)載不均衡，因此需要基于BBU間的負(fù)載實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試，以此協(xié)調(diào)5G基站中數(shù)據(jù)流量不均勻分布的情況。本文所提BBU設(shè)備調(diào)試方法的基礎(chǔ)就是負(fù)載預(yù)測(cè)，由于5G基站通信的特性，導(dǎo)致BBU設(shè)備間的負(fù)載具有不確定性，換句話說(shuō)，BBU間的負(fù)載變化是個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象[4]。本文通過(guò)馬爾科夫預(yù)測(cè)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)BBU負(fù)載預(yù)測(cè)，此模型通過(guò)馬爾科夫鏈算法構(gòu)建，馬爾科夫鏈算法最大的特性就是無(wú)后效性，可以描述時(shí)間與空間均處于離散狀態(tài)的隨機(jī)變化過(guò)程，也就是說(shuō)可以有效預(yù)測(cè)BBU設(shè)備間的隨機(jī)變化負(fù)載。通過(guò)馬爾科夫鏈的無(wú)后效性，可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣實(shí)現(xiàn)負(fù)載預(yù)測(cè)，公式為

式中：Zmn表示BBU設(shè)備在t時(shí)刻從工作狀態(tài)m轉(zhuǎn)移到工作狀態(tài)n的概率數(shù)據(jù)；N表示工作狀態(tài)空間中全部的狀態(tài)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)基于時(shí)間序列進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)時(shí)，一般通過(guò)馬爾科夫預(yù)測(cè)模型的時(shí)齊特性進(jìn)行，時(shí)齊特性就是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和BBU設(shè)備運(yùn)行時(shí)間間距存在直接聯(lián)系，和BBU設(shè)備的初始運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系。時(shí)齊特性也可以說(shuō)明BBU設(shè)備的轉(zhuǎn)移狀態(tài)具有平穩(wěn)性，函數(shù)表達(dá)式為

式中：At表示馬爾科夫鏈序列；l表示BBU設(shè)備運(yùn)行時(shí)間間距數(shù)據(jù)。在利用馬爾科夫預(yù)測(cè)模型進(jìn)行BBU設(shè)備的負(fù)載預(yù)測(cè)時(shí)，首先需要獲取BBU的離散狀態(tài)空間數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣概率數(shù)據(jù)，然后根據(jù)式（1）與式（2）計(jì)算BBU設(shè)備在某時(shí)刻時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，再通過(guò)BBU設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及BBU設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律預(yù)測(cè)BBU負(fù)載。

2.2 計(jì)算負(fù)載差異程度

本文在進(jìn)行5G基站的BBU設(shè)備調(diào)試時(shí)，以BBU設(shè)備間負(fù)載的均衡以及設(shè)備服務(wù)質(zhì)量的保障為基礎(chǔ)，綜合參考BBU集中機(jī)柜的負(fù)載情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試。本文所提調(diào)試方法的主要原理是，根據(jù)BBU間負(fù)載差異程度對(duì)負(fù)載進(jìn)行分級(jí)處理，然后對(duì)于不同等級(jí)的負(fù)載執(zhí)行不同的調(diào)試方法。所以接下來(lái)需要計(jì)算BBU設(shè)備間的負(fù)載差異程度，當(dāng)通信需求到達(dá)BBU設(shè)備后，首先要辨別BBU設(shè)備可以為用戶提供的帶寬數(shù)據(jù)，當(dāng)BBU設(shè)備為用戶提供的帶寬數(shù)據(jù)大于通信需求數(shù)據(jù)時(shí)，說(shuō)明此BBU設(shè)備是可用的設(shè)備，函數(shù)表達(dá)式為

式中：BBUky表示可用BBU設(shè)備；Wk表示第k個(gè)BBU設(shè)備可以為用戶提供的帶寬數(shù)據(jù)；Wtx表示通信需求的帶寬數(shù)據(jù)。在BBU集中機(jī)柜中，通過(guò)各BBU設(shè)備中剩余帶寬數(shù)據(jù)比上設(shè)備中原始總帶寬數(shù)據(jù)，獲取BBU設(shè)備的帶寬剩余率，進(jìn)而計(jì)算BBU設(shè)備間的負(fù)載差異標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，進(jìn)行BBU間負(fù)載差異程度的分級(jí)處理。那么BBU間的負(fù)載差異程度的計(jì)算公式為

2.3 基于自適應(yīng)遷移算法的低負(fù)載BBU調(diào)試

關(guān)于低負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，將低負(fù)載BBU遷移。在遷移低負(fù)載BBU設(shè)備時(shí)，由于數(shù)據(jù)流量有規(guī)律地變化，導(dǎo)致低負(fù)載BBU設(shè)備的遷移活動(dòng)自動(dòng)進(jìn)行，但遷移懲罰幾乎不會(huì)改變，因此本文基于遷移懲罰實(shí)現(xiàn)低負(fù)載BBU設(shè)備的自適應(yīng)遷移，進(jìn)而完成低負(fù)載BBU的調(diào)試工作。本文提出的自適應(yīng)算法，根據(jù)遷移懲罰獲取低負(fù)載BBU遷移狀態(tài)，利用一個(gè)合理的遷移懲罰平均值，判斷低負(fù)載BBU設(shè)備是否進(jìn)行自適應(yīng)遷移。遷移懲罰平均值的計(jì)算公式為

式中：ReW、TB、SCost、Save分別表示BBU設(shè)備池中的4個(gè)要素，用來(lái)衡量BBU設(shè)備池當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。由于單位時(shí)間的遷移太快，不具備參考價(jià)值，因此本文提出的自適應(yīng)遷移算法不考慮每單位時(shí)間的遷移懲罰。遷移懲罰平均值的獲取需要在BBU設(shè)備遷移之前，因?yàn)橹挥羞w移進(jìn)行才可以確定SCost與Save的數(shù)據(jù)，但是這2個(gè)數(shù)據(jù)如果是未知的，又無(wú)法判斷低負(fù)載BBU是否進(jìn)行遷移，所以本文為協(xié)調(diào)此問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)流量變化規(guī)律，對(duì)BBU設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)取平均值來(lái)獲取SCost與Save這2個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)自適應(yīng)遷移算法進(jìn)行低負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，不僅可以使BBU集中機(jī)柜更高效地運(yùn)作，而且可以避免一些不必要的調(diào)試，提升了BBU集中機(jī)柜的性能。

2.4 基于負(fù)載均衡的高負(fù)載BBU調(diào)試

關(guān)于高負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，仍需要在滿足用戶需求的條件下進(jìn)行，高負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試后，要保證5G基站效用值較大。本文基于BBU設(shè)備間的負(fù)載均衡來(lái)實(shí)現(xiàn)高負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，負(fù)載均衡算法就是基于效用值進(jìn)行的，把高負(fù)載BBU設(shè)備間的負(fù)載均衡看作一個(gè)分配問(wèn)題，通過(guò)負(fù)載均衡因子，最大限度地降低高負(fù)載BBU設(shè)備接入[5]。本文通過(guò)滿足用戶不同需求均衡的分配，進(jìn)行高負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，以此使BBU集中機(jī)柜的效用值最佳。那么相同的需求在不同BBU設(shè)備中的效用值計(jì)算公式為

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文所提BBU設(shè)備安裝與調(diào)試方法的可行性，選取本文方法與其他傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，在相同且固定的環(huán)境下測(cè)試2種方法下的BBU設(shè)備工作性能，通過(guò)工作性能判斷2種方法下的安裝與調(diào)試效果。搭建仿真平臺(tái)，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，幾個(gè)主要數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，讓兩種方法下的BBU設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，并分別收集運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)2種方法下的BBU設(shè)備中阻滯資源以及切換損耗數(shù)據(jù)與工作范圍的關(guān)系，繪制變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 BBU阻滯資源變化曲線圖

圖3 BBU切換損耗變化曲線圖

由圖2可知，傳統(tǒng)方法下的BBU設(shè)備中阻滯資源會(huì)隨著工作范圍的增加而大幅增多，但本文方法下的BBU設(shè)備中阻滯資源相對(duì)穩(wěn)定，隨工作范圍變化的曲線波動(dòng)較小，且一直保持在一個(gè)較傳統(tǒng)方法更低的值上。與此同時(shí)考慮到BBU設(shè)備的切換效率，由圖3可知，傳統(tǒng)方法的平均切換損耗為66.27 Mbit?s-1，而本文方法的平均切換損耗為31.35 Mbit?s-1，較傳統(tǒng)方法降低了34.92 Mbit?s-1。由此說(shuō)明了本文所提安裝與調(diào)試方法下的BBU設(shè)備綜合性能更好，驗(yàn)證了本文所提5G基站BBU設(shè)備的安裝與調(diào)試方法為有效方法。

4 結(jié) 論

隨著5G技術(shù)如火如荼的開(kāi)展，在5G基站中，BBU集中機(jī)柜因運(yùn)行溫度較高導(dǎo)致功耗較大，所以如何靈活安裝并調(diào)試BBU設(shè)備，有效降低功耗，是本文研究重點(diǎn)。雖然本文已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍存在需要改進(jìn)的地方，例如在預(yù)測(cè)BBU負(fù)載時(shí)，其中的負(fù)載轉(zhuǎn)移矩陣的求解方式較為復(fù)雜，如何降低復(fù)雜度將是本文未來(lái)的研究重點(diǎn)，以便為5G基站的部署提供有效方案，促進(jìn)我國(guó)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的發(fā)展。