高 波,吳 非,林 睿,沈成彬
(1.中國(guó)電信股份有限公司上海研究院 上海 200122;
2.電信科學(xué)技術(shù)第一研究所 上海 200032;3.中國(guó)電信集團(tuán)公司 北京 100032)
能源消耗導(dǎo)致了溫室效應(yīng)和一系列的自然災(zāi)害,節(jié)能減排已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)。我國(guó)通信行業(yè)年耗電量已達(dá)到300億千瓦時(shí)以上,耗電量不容忽視。通信企業(yè)整體仍處于發(fā)展階段,新興市場(chǎng)用戶的增加以及發(fā)達(dá)市場(chǎng)帶寬的提升必然帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容,導(dǎo)致能耗需求不斷擴(kuò)大。隨著用戶規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大和業(yè)務(wù)量迅猛增長(zhǎng),電信業(yè)的耗電量仍將保持較快增長(zhǎng),能源單價(jià)上漲及設(shè)備總能耗上升的同時(shí)也帶來(lái)了長(zhǎng)期的財(cái)務(wù)壓力。
接入網(wǎng)在通信網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位,不僅承擔(dān)傳輸各類寬、窄帶業(yè)務(wù),而且接入設(shè)備的種類也很多,有些設(shè)備部署在用戶側(cè),需要有明確的能耗指標(biāo)參數(shù)告之用戶。熱點(diǎn)AP(access point)設(shè)備作為無(wú)線寬帶接入網(wǎng)的重要組成部分,已廣泛應(yīng)用于無(wú)線城市建設(shè),同時(shí)作為分流3G的有效手段,已受到各運(yùn)營(yíng)商的重視并得到大規(guī)模部署。
國(guó)家對(duì)通信設(shè)備節(jié)能減排非常重視,中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)已制定了一些接入網(wǎng)設(shè)備的節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn),如《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 第1部分:ADSL用戶端》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 VDSL2系統(tǒng)》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 GPON系統(tǒng)》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 EPON系統(tǒng)》、《接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 第2部分:ADSL局端》、《移動(dòng)終端設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法》、《無(wú)繩電話機(jī)節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法》等。目前尚未制定WLAN AP的能效評(píng)估方法和指標(biāo)要求。建立一套行之有效的AP設(shè)備能效評(píng)估方法和指標(biāo)要求作為節(jié)能減排任務(wù)的一部分已刻不容緩。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于對(duì)熱點(diǎn)AP設(shè)備的能效評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)或權(quán)威研究報(bào)告,關(guān)于AP設(shè)備的節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法的相關(guān)研究也寥寥無(wú)幾。本文就熱點(diǎn)AP的能效評(píng)估體系進(jìn)行了探索,希望得到一套科學(xué)的、行之有效的能效評(píng)估方法及指標(biāo)要求。
基于運(yùn)營(yíng)商目前全面部署IEEE 802.11n技術(shù)的集中控制型“瘦”AP設(shè)備,本文就以IEEE 802.11n AP設(shè)備為研究對(duì)象進(jìn)行能效評(píng)估研究。將IEEE 802.11n AP設(shè)備分為如下5種類型。
·設(shè)備類型1——集中控制室內(nèi)放裝型單頻IEEE 802.11n AP。
·設(shè)備類型2——集中控制室內(nèi)放裝型雙頻IEEE 802.11n AP。
· 設(shè)備類型3——集中控制室內(nèi)分布型IEEE802.11nAP。
·設(shè)備類型4——集中控制室外普通型單頻IEEE 802.11n AP。
·設(shè)備類型5——集中控制室外回傳型雙頻IEEE 802.11n AP。
AP設(shè)備主要由核心功能模塊、射頻模塊、局域網(wǎng)(LAN)模塊和電源模塊這4個(gè)基本功能模塊組成。因此對(duì)熱點(diǎn)AP設(shè)備而言,其功耗是基本功能模塊以及其他輔助模塊(如防雷模塊、加熱模塊)的功耗疊加而成。
對(duì)一款集中控制室內(nèi)放裝型雙頻IEEE 802.11n AP的功耗分析,可以看到射頻模塊的功耗所占比例最大,為近60%。電源模塊、核心功能模塊和局域網(wǎng)模塊所占的功耗百分比依次降低,具體如圖1所示。需要特別注意的是,部分室外型熱點(diǎn)AP由于增加了加熱模塊的應(yīng)用,所以也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功耗。
圖1 集中控制室內(nèi)放裝型雙頻IEEE 802.11n AP功耗組成概況
AP設(shè)備分為3種工作狀態(tài):全功耗功率狀態(tài)(fullpower)、低功耗狀態(tài)(low-power)、待機(jī)狀態(tài)(standby)。3 種工作狀態(tài)定義如下。
全功耗功率狀態(tài):AP的射頻模塊工作在最大功率模式,多用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。
低功耗狀態(tài):AP的射頻模塊工作在自適應(yīng)模式,單用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。
待機(jī)狀態(tài):AP只發(fā)射beacon幀,沒(méi)有用戶關(guān)聯(lián)的狀態(tài)。
這3種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的AP設(shè)備功率分別稱為全功耗狀態(tài)功率Pfull-power、低功耗狀態(tài)功率 Plow-power和待機(jī)狀態(tài)功率Pstandby。
AP設(shè)備在不同的工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生不同的功耗,為此需要建立一套AP設(shè)備整機(jī)功耗評(píng)估模型,以便對(duì)AP功耗有一個(gè)整體了解。
首先需要獲取3種工作狀態(tài)下的功耗,然后對(duì)3種工作狀態(tài)下的功耗各分配一定的權(quán)重,以得到整機(jī)功耗PAP(單位為W)。AP設(shè)備整機(jī)功耗的計(jì)算式如下:
其中,PAP是熱點(diǎn) AP 設(shè)備整機(jī)功耗,Pfull-power、Plow-power及Pstandby分別是AP設(shè)備處于全功耗、低功耗和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的AP整機(jī)功耗。α1、α2和α3分別是全功耗、低功耗和待機(jī)狀態(tài)下AP設(shè)備功耗的權(quán)重值,且α1+α2+α3=1。
根據(jù)業(yè)務(wù)部署策略,AP重點(diǎn)部署在高校、商務(wù)樓、機(jī)場(chǎng)侯機(jī)廳、賓館酒店、醫(yī)院等公共場(chǎng)所。AP在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的工作狀態(tài)時(shí)間比例是不同的,對(duì)AP設(shè)備的能效評(píng)估需要結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)景建立模型。將不同應(yīng)用場(chǎng)景歸納為兩種典型的場(chǎng)景模型:以機(jī)場(chǎng)侯機(jī)廳為主的交通樞紐場(chǎng)景、商務(wù)樓/高校場(chǎng)景。
(1)交通樞紐場(chǎng)景
通過(guò)調(diào)研,一般一天 24 h 中,交通樞紐在 9∶00-17∶30時(shí)間段使用WLAN接入的用戶最多,流量大,約有8.5 h定義為全功耗狀態(tài);在凌晨 1∶30-5∶00,幾乎沒(méi)有用戶使用,約有3.5 h定義為待機(jī)狀態(tài),其他時(shí)間用戶較少,流量較低,約有12 h定義為低功耗狀態(tài),權(quán)重如下:
(2)商務(wù)樓/高校場(chǎng)景
通過(guò)調(diào)研,一般一天 24 h 中,在中午 12∶00-14∶00 或下午 18∶00-19∶30 時(shí)間段,使用 WLAN 接入的用戶最多,流量大,約有3.5 h定義為全功耗狀態(tài);晚上22∶30-第二天早上7∶00,學(xué)?;?qū)懽謽菐缀鯖](méi)有人,約有8.5 h定義為待機(jī)狀態(tài),其他時(shí)間學(xué)?;?qū)懽謽怯脩糨^少,流量較低,約有12 h為低功耗狀態(tài),權(quán)重如下:
據(jù)統(tǒng)計(jì),放置于類似交通樞紐場(chǎng)景的熱點(diǎn)AP占50%,類似于商務(wù)樓/高校場(chǎng)景的熱點(diǎn)AP占50%,則可得到綜合權(quán)重值如下:
綜上所述,熱點(diǎn)AP設(shè)備整機(jī)功耗計(jì)算式如下:
EERAP是AP設(shè)備整機(jī)能效比值(energy efficiency ratio,EER),定義如下:
其中,PREF是AP整機(jī)功耗的限定值。在研究評(píng)估階段,根據(jù)廠商申明的功耗值,按照不同設(shè)備類型經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理得到。
在整機(jī)功耗限定值的制定過(guò)程中,兼顧了差異性和普適性的原則。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn),針對(duì)不同應(yīng)用模式的AP設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功耗上存在一定的差異,所以將整機(jī)功耗限定值按照不同的設(shè)備類型分為5類;另外,為兼顧研究結(jié)果的普遍適用性,在前期樣本的選擇方面盡可能多地涵蓋了行業(yè)內(nèi)的批量供貨成品,其中包括了13家WLAN廠商提供的5類主要 AP設(shè)備,選取其中的最大值申明值作為建議限定值。表1為5種類型AP設(shè)備整機(jī)功耗建議限定值PREF。表1中各限定值是根據(jù)現(xiàn)階段行業(yè)情況而定,隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,整機(jī)功耗限定值也將隨之降低。
表1 AP設(shè)備整機(jī)功耗建議限定值
為了更好地引導(dǎo)熱點(diǎn)AP向節(jié)能降耗方向發(fā)展,將AP設(shè)備能效比值分成不同的等級(jí)。根據(jù)《通信產(chǎn)品節(jié)能分級(jí)導(dǎo)則》(GB/T 26262-2010)建議,最終得到的能效比值分級(jí)的級(jí)數(shù)應(yīng)大于或等于2級(jí),不應(yīng)超過(guò)5級(jí)。
建議將AP設(shè)備分為5個(gè)能效比值等級(jí)。其中:最高等級(jí)體現(xiàn)了最佳水平要求,是現(xiàn)階段的努力目標(biāo),目的是促進(jìn)節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用;中間某一等級(jí)體現(xiàn)了平均水平要求;最低等級(jí)體現(xiàn)了最低水平要求,應(yīng)逐步淘汰節(jié)能技術(shù)落后的產(chǎn)品,促進(jìn)低成本節(jié)能技術(shù)的普遍應(yīng)用。
將AP能效比值(EERAP)按照不同的能效區(qū)間劃分為5個(gè)等級(jí)。能效比值越小,說(shuō)明能效利用率越好,能效等級(jí)越高。表2為定義的AP設(shè)備能效比值分級(jí)。
表2 AP設(shè)備能效比值分級(jí)
AP設(shè)備一般是通過(guò)POE/POE+供電或POE模塊方式供電。本文按最常用的POE/POE+供電方法探討AP設(shè)備能效評(píng)估測(cè)試方法,其他供電方式情況下測(cè)試方案可參照本測(cè)試方法。
圖2為測(cè)試組網(wǎng)示意。
圖2 AP設(shè)備能耗評(píng)估測(cè)試方法示意
將電源接入POE交換機(jī),由POE交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與AP直連,該網(wǎng)線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和給AP供電。剝開(kāi)靠近POE交換機(jī)側(cè)網(wǎng)線輸出端的外皮,露出內(nèi)部的芯線,按照?qǐng)D2所示,將STA關(guān)聯(lián)到AP的SSID服務(wù),在PC和各STA之間打單向或雙向的數(shù)據(jù)流;用萬(wàn)用表測(cè)試POE交換機(jī)輸出端的電壓V,將示波器的電流探頭夾在POE交換機(jī)被剝開(kāi)的芯線上,讀取示波器的示數(shù)并記錄電流I。根據(jù)功耗W=V×I,算出AP設(shè)備的功耗W。在實(shí)際測(cè)試中可采用專用POE功率計(jì)串接方式,進(jìn)行功率的測(cè)量。
對(duì)于POE模塊供電方式,在POE交換機(jī)和AP之間靠近AP側(cè),串接一個(gè)POE供電模塊,由POE供電模塊將交換機(jī)的數(shù)據(jù)和電源合到同一根網(wǎng)線,給AP供電的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在POE供電模塊與AP之間的網(wǎng)線上獲取電壓和電流,以得到AP設(shè)備的功耗。
通過(guò)上述方法,分別測(cè)得全功耗、低功耗和待機(jī)狀態(tài)下的AP設(shè)備整機(jī)功耗。下面分別介紹3種工作狀態(tài)下的測(cè)試配置要求。
(1)全功耗狀態(tài)配置
全功耗狀態(tài)是指多用戶、多會(huì)話連接,射頻以最大功率方式發(fā)送的狀態(tài)。
測(cè)試全功耗狀態(tài)整機(jī)功耗Pfull-power采用3臺(tái)終端(STA),按照STA與 AP 3種不同的距離(2m、3m、5m)放置;每臺(tái)與AP相連的STA建立6個(gè)會(huì)話 (session);時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為10 min,測(cè)試期間自第4min開(kāi)始,以30 s的間隔讀取共計(jì)12個(gè)功耗測(cè)試讀數(shù),取其算術(shù)平均值,吞吐量取均值。
IEEE 802.11n AP分別以 MCS0、MCS7和 MCS15 3種速率模式進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)試結(jié)果,其中要求MCS15上下行TCP速率之和應(yīng)大于80Mbit/s。
(2)低功耗狀態(tài)配置
AP低功耗狀態(tài)是射頻模塊工作在自適應(yīng)模式,單用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的狀態(tài)。
測(cè)試低功耗狀態(tài)整機(jī)功耗PLow-Power采用1臺(tái)終端(STA),按照STA與AP相隔3 m的距離擺放;每臺(tái)與AP相連的STA建立6個(gè)會(huì)話;時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為10min,測(cè)試期間自第4min開(kāi)始,以30 s的間隔讀取共計(jì)12個(gè)功耗測(cè)試讀數(shù),取其算術(shù)平均值,吞吐量取均值。
IEEE 802.11n AP分別以 MCS0、MCS7和 MCS15 3種速率模式進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)試結(jié)果,其中要求MCS15上下行TCP速率之和應(yīng)大于1Mbit/s。
(3)待機(jī)狀態(tài)配置
AP開(kāi)啟beacon幀,在沒(méi)有用戶附著和數(shù)據(jù)傳輸情況下測(cè)試待機(jī)狀態(tài)整機(jī)功耗Pstandby。
·AP轉(zhuǎn)發(fā)速率。由于無(wú)法確定AP設(shè)備工作在最大功耗情況下,所對(duì)應(yīng)的是最大速率還是一般速率或低速率,目前沒(méi)有文獻(xiàn)及相關(guān)報(bào)告作參考,為確保數(shù)據(jù)的完整性,在測(cè)試過(guò)程中分別選擇了低速(MCS0)、中速(MCS7)和高速(MCS15)這 3 種速率進(jìn)行測(cè)試。
·AP供電方式。不同的供電方式對(duì)應(yīng)了不同的電源轉(zhuǎn)換模式,在測(cè)試中,將涵蓋盡可能多的供電方式,通過(guò)對(duì)POE、直流、交流等不同供電方式功耗的測(cè)試,以確認(rèn)不同供電方式對(duì)設(shè)備功耗的影響。
·AP設(shè)備形態(tài)。AP設(shè)備有“胖”AP(fat AP)和“瘦”AP(fit AP)之分,本次參測(cè)的均為“胖”、“瘦”可轉(zhuǎn)的AP。將參測(cè)的任一款A(yù)P分別以這2種設(shè)備形態(tài)進(jìn)行測(cè)試,以確認(rèn)不同的設(shè)備形態(tài)對(duì)設(shè)備功耗的影響。
· 其他。測(cè)試時(shí)也考慮射頻模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉這2種狀態(tài)的測(cè)試,以確定射頻模塊的工作狀態(tài)對(duì)設(shè)備功耗的影響。
根據(jù)不同的配置類型(廠商、設(shè)備類型、設(shè)備形態(tài)、供電方式、速率模式、功耗狀態(tài)),分別對(duì)3個(gè)主流WLAN廠商提供的14個(gè)樣本類型進(jìn)行了118個(gè)用例(廠商1)、57個(gè)用例(廠商2)以及 84個(gè)用例(廠商3)的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集。本次分析結(jié)論基于以上3家的測(cè)試結(jié)果。表3為本次AP測(cè)試時(shí)的各種配置組合情況。
本次參與測(cè)試的設(shè)備類型分別有類型1、類型2、類型3、類型4以及類型5的IEEE 802.11n“瘦”AP,同時(shí)也轉(zhuǎn)成相應(yīng)的 “胖”AP 進(jìn)行測(cè)試。以下為 MCS0、“瘦”(fit)、POE配置方式下的各款I(lǐng)EEE 802.11n AP整機(jī)功耗對(duì)比。
表3 AP測(cè)試配置
可以看出:相同廠商、不同類型AP設(shè)備之間的功耗差異較大;相同類型設(shè)備、不同生產(chǎn)廠商之間AP設(shè)備的功耗也存在較大差異。圖3為不同廠商不同類型AP的綜合能耗對(duì)比,其中廠商2沒(méi)有類型5的IEEE 802.11n AP設(shè)備。
“待機(jī)狀態(tài)”的功耗要遠(yuǎn)低于“低功耗狀態(tài)”和“全功耗狀態(tài)”,同一產(chǎn)品的功耗在待機(jī)狀態(tài)時(shí)比工作狀態(tài)至少要低20%~45%,表4是3個(gè)廠商的設(shè)備類型一的IEEE 802.11n AP設(shè)備整機(jī)功耗在3種工作狀態(tài)下的功耗和根據(jù)第2.3節(jié)整機(jī)功耗計(jì)算式得到的整機(jī)功耗值。
考慮到目前主流廠商提供的IEEE 802.11n AP多為2條空間流的商用IEEE 802.11n AP設(shè)備,因此將本次測(cè)試的速率模式限定在MCS0至MCS15范圍內(nèi)。選取較為典型的3種速率模式——MCS0、MCS7、MCS15作為速率模式的測(cè)試樣本狀態(tài)。
從測(cè)試結(jié)果可知:無(wú)論何種類型(類型1、類型2、類型3、類型 4、類型 5)、何種供電方式(POE、直流)、何種設(shè)備形態(tài)(“瘦”、“胖”AP),當(dāng)速率模式在 MCS0 時(shí)功耗最大。
本次研究中對(duì)部分樣品分別采用了POE和直流供電方式進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)對(duì)不同設(shè)備類型及不同設(shè)備形態(tài)的測(cè)試結(jié)果分析,供電模式與實(shí)際功耗的高低之間暫未發(fā)現(xiàn)顯著關(guān)聯(lián),由于行業(yè)內(nèi)同一款分別支持兩種供電方式的設(shè)備樣本量過(guò)少,所以該結(jié)論有待進(jìn)一步證實(shí)。
圖4為廠商1部分IEEE 802.11n AP設(shè)備在不同供電模式下的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。
部分AP可直接關(guān)閉(斷電)射頻模塊的供電,從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,物理關(guān)閉或斷開(kāi)射頻模塊電源,可在待機(jī)功率的基礎(chǔ)上再節(jié)省一定數(shù)量(0.7~4.64W)的功耗。
圖3 不同廠商不同類型AP的綜合能耗對(duì)比
表4 設(shè)備類型一的3個(gè)廠商IEEE 802.11n AP功耗測(cè)試結(jié)果
圖4 不同供電模式下AP整機(jī)功耗測(cè)試結(jié)果
本文建立了2種AP設(shè)備能效評(píng)估模型:AP設(shè)備整機(jī)功耗和能效比值,從2個(gè)維度來(lái)評(píng)估AP設(shè)備的能效情況,并分析了AP能效與設(shè)備類型、形態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)速率、供電模式等關(guān)系。通過(guò)AP設(shè)備能效評(píng)估方法幫助了解現(xiàn)有AP設(shè)備的能耗情況,同時(shí)引導(dǎo)廠商開(kāi)發(fā)更多的綠色低功耗AP設(shè)備。
從測(cè)試結(jié)果分析可知,AP設(shè)備的能耗主要與工作狀態(tài)有關(guān),待機(jī)狀態(tài)下整機(jī)功耗超過(guò)低功耗/全功耗狀態(tài)下整機(jī)一半功耗或接近低功耗/全功耗狀態(tài)下整機(jī)功耗,在一般熱點(diǎn)區(qū)域,AP設(shè)備的應(yīng)用是有規(guī)律的,如機(jī)場(chǎng)、火車站、高校、商務(wù)樓等,白天及晚上使用頻率較高,但在下半夜就處于待機(jī)狀態(tài),若通過(guò)遠(yuǎn)程關(guān)閉AP上聯(lián)設(shè)備(如交換機(jī))端口等方式,將AP整機(jī)斷電,那對(duì)于全國(guó)上百萬(wàn)個(gè)熱點(diǎn)AP設(shè)備而言,一年節(jié)省下來(lái)的電費(fèi)將是非??捎^的。
隨著各國(guó)無(wú)線城市的推廣以及寬帶中國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的建設(shè),國(guó)際、國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商都在加大WLAN的建設(shè)力度,熱點(diǎn)AP數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)。本文希望通過(guò)建立一種科學(xué)有效的AP能效評(píng)估體系和測(cè)試方法,滿足業(yè)界關(guān)于AP能效評(píng)估的要求,并根據(jù)能效分級(jí)制度引導(dǎo)廠商開(kāi)發(fā)更多綠色低功耗的AP設(shè)備。
1 Top Runner 2011.03en-1103,2011
2 Code of Conduct on Energy Consumption of Broadband Equipment Version 3,2008
3 YD/B 067-2011.接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 EPON系統(tǒng),2011
4 YD/B 069-2011.接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法 VDSL2系統(tǒng),2011