李雯雯，邊 森，Chien Aun Chan，邵澤才

（1.中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院綠色通信技術(shù)研究中心 北京100053；2.澳大利亞墨爾本大學(xué)通信能效中心 澳大利亞維多利亞3010）

1 引言

隨著智能終端的普及、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及LTE（long term evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）的大規(guī)模部署，用戶的通信行為發(fā)生了巨大變化，已不僅僅局限于傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，更多以移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。2014年底手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)5.57億戶，人均周上網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)達(dá)26.1 h[1]，各類型應(yīng)用層出不窮，2014年第3季度移動(dòng)應(yīng)用下載手機(jī)端的比例首次超過(guò)PC端，達(dá)到51%，未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將占據(jù)大部分流量[2]。

快速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，為運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)承載、營(yíng)收及能耗帶來(lái)了挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信令開銷較大、用戶面資源浪費(fèi)、背景流量擠占通信資源等問(wèn)題，使得整網(wǎng)能效 不 斷 降 低，特 別 是 微 信、QQ、微 博、Facebook等IM（instant message，即時(shí)通信）或SNS（social network site，社交網(wǎng)站）類業(yè)務(wù)，普遍具有流量占比小、信令資源消耗多、信道利用率低等特點(diǎn)，曾引發(fā)著名的“信令風(fēng)暴”事件[3]。

隨著對(duì)OTT（over the top）信令消耗的認(rèn)知提升，業(yè)界開展了一系列相關(guān)的應(yīng)對(duì)策略：如采用GCM（Google cloud messaging，谷歌云推送消息服務(wù)）或APNS（Apple push notification service，蘋果推送通知服務(wù)）[4]統(tǒng)一管理并推送心跳分組以解決信令風(fēng)暴問(wèn)題。這些措施更多關(guān)注終端側(cè)用戶體驗(yàn)的提升，較少考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)（特別是無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)）的資源消耗和電力消耗。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，目前尚無(wú)有效的手段評(píng)估OTT業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗及通信質(zhì)量的影響，業(yè)界也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)衡量業(yè)務(wù)特性與網(wǎng)絡(luò)資源之間的關(guān)系，運(yùn)營(yíng)商普遍陷入“增量不增收”的尷尬境地。

為了準(zhǔn)確評(píng)估業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的影響以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由此產(chǎn)生的能耗，本文選取了11種典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景（包括傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)及OTT業(yè)務(wù)），采用數(shù)學(xué)建模的方式，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建統(tǒng)一的業(yè)務(wù)能耗模型，提供流量、信令導(dǎo)致基站能耗變化的定量分析。為今后推動(dòng)OTT廠商控制流量消耗、優(yōu)化傳輸方式打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)端到端資源開銷和業(yè)務(wù)能耗的持續(xù)下降。

2 現(xiàn)有業(yè)務(wù)能耗研究存在的不足

傳統(tǒng)基站能耗模型從宏觀角度描述了基站輸入功率（Pin）與輸出功率（Pout）的線性關(guān)系[5,6]，不區(qū)分業(yè)務(wù)類型、屬性，也很難量化數(shù)據(jù)、信令分別占用的網(wǎng)絡(luò)資源和產(chǎn)生的能耗差異。業(yè)務(wù)特征與網(wǎng)絡(luò)資源的映射關(guān)系往往復(fù)雜而重要，不僅需要考慮用戶面數(shù)據(jù)占用的資源，還需考慮控制面信令的負(fù)荷差異，特別對(duì)于突發(fā)性的小分組類業(yè)務(wù)，信令消耗往往占較大比例。

針對(duì)OTT業(yè)務(wù)帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)壓力，參考文獻(xiàn)[7,8]分析了IM業(yè)務(wù)的保活信息和短消息特征以及數(shù)據(jù)、信令在MAC（media access control，介質(zhì)訪問(wèn)控制）層的資源占比。然而研究業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的能耗影響更具挑戰(zhàn)性，需深入PRB（physical resource block，物 理 資 源 塊）或RE（resource element，資源粒子）粒度，構(gòu)建兼具理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際評(píng)估預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)能耗數(shù)學(xué)模型。

3 改進(jìn)的業(yè)務(wù)能耗模型

3.1 業(yè)務(wù)能耗建模思路

針對(duì)傳統(tǒng)能耗模型存在的不足，本文提出一種改進(jìn)的“二次線性映射”模型，如圖1所示?；据斎牍β剩≒in）、輸出功率（Pout）與PRB或RE之間經(jīng)歷兩次線性變換。

·資源映射：將業(yè)務(wù)特征分解至網(wǎng)絡(luò)流量及信令消耗，再映射為物理層RE資源占用。

·能耗映射：將物理層RE資源映射為基站“增量功耗”（incremental power）和 “基 線 功 耗”（baseline power），分別得出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量和信令負(fù)荷對(duì)基站能耗的影響。

將二次線性模型的映射過(guò)程進(jìn)一步分解，包括以下4個(gè)關(guān)鍵步驟，如圖2所示。

圖1 二次線性映射模型

（1）建立基站功耗（Pin）與資源利用率（PRB）的映射關(guān)系。選取現(xiàn)網(wǎng)典型基站進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到Pin與Pout的曲線關(guān)系，經(jīng)過(guò)資源映射確定每PRB的基站功耗。

（2）建 立 用 戶 面PDCP（packet data convergence protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層吞吐量與資源利用率（PRB）的映射關(guān)系。選取現(xiàn)網(wǎng)不同城市的基站進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定用戶面每PRB對(duì)應(yīng)的平均吞吐量，繼而推導(dǎo)出PRB利用率為100%時(shí)的最大吞吐量。如果該基站的平均SINR（signal to interference plus noise ratio，信號(hào)與干擾加噪聲比）較差，則傳輸相同的數(shù)據(jù)量會(huì)消耗更多的PRB。

（3）分析控制面不同物理信道對(duì)應(yīng)的RE資源占比。根據(jù)3GPP物理層相關(guān)協(xié)議[9,10]，確定上/下行數(shù)據(jù)、信令所占RE數(shù)量及相應(yīng)比例，用于基線功耗的分配和計(jì)算。

（4）分析被測(cè)業(yè)務(wù)在物理層所占RE資源及時(shí)間。使用鼎利無(wú)線網(wǎng)空口測(cè)試工具[11]，測(cè)試業(yè)務(wù)在不同物理信道上的數(shù)據(jù)速率、信令PRB占用情況和有效運(yùn)行時(shí)間，確定相關(guān)業(yè)務(wù)特征。

3.2 TD-LTE基站能耗分解

基站主設(shè)備由BBU（building baseband unit，基帶處理單元）和RRU（radio remote unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）構(gòu)成，RRU從架構(gòu)上可分為RF（radio frequency，射頻小信號(hào)）和PA（power amplifier，功率放大器）兩大模塊。從功耗角度來(lái)看，BBU功耗（Pin）實(shí)際上隨負(fù)荷或資源變化很小，可視為固定值；而PA功耗可占RRU功耗的40%～80%，且PA僅在下行鏈路上處于正常工作狀態(tài)[6]。

圖1中的增量功耗體現(xiàn)了RRU功耗隨負(fù)荷或資源變化的趨勢(shì)，主要由下行鏈路的PA產(chǎn)生，可進(jìn)一步映射為下行數(shù)據(jù)和下行信令產(chǎn)生的功耗。對(duì)于基線功耗，由于no user、idle user、active user多場(chǎng)景可能并存[12]，因此基線功耗包括所有上下行數(shù)據(jù)、信令產(chǎn)生的功耗，并以不同比例呈現(xiàn)。

將RRU的基線功耗與增量功耗分別映射到上下行數(shù)據(jù)流量和信令負(fù)荷，如圖3所示（為了簡(jiǎn)化模型，上行信令與上行數(shù)據(jù)合并稱為UL_RE）。

圖2 業(yè)務(wù)能耗建模分解步驟

圖3 RRU功耗分解

3.2.1 RRU增量能耗計(jì)算方法

RRU增量功耗可映射為下行數(shù)據(jù)產(chǎn)生的功耗和下行信令產(chǎn)生的功耗，均使用圖3中增量功耗對(duì)應(yīng)的曲線斜率進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 RRU基線能耗計(jì)算方法

將RRU基線功耗按一定比例分配給所有上下行數(shù)據(jù)、信令，假設(shè)與業(yè)務(wù)不直接相關(guān)的固定信令開銷能耗占比為Umax（Umax為設(shè)備生產(chǎn)商預(yù)留資源，一般取20%～30%）。

其中，數(shù)據(jù)、信令在基線功耗中的分配比例計(jì)算如下：

式（1）～式（3）中的各變量含義見表1。

4 業(yè)務(wù)能耗模型現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)調(diào)研及測(cè)試

根據(jù)第3.1節(jié)介紹的建模思路，分為以下4個(gè)步驟獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并代入式（1）～式（3）計(jì)算業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、信令在基站產(chǎn)生的能耗比。

4.1.1 步驟1：現(xiàn)網(wǎng)基站Pin-Pout曲線關(guān)系調(diào)研

（1）基站配置信息

TD-LTE分布式宏基站，S1/1/1配置，支持F頻段2載波（20 MHz+15 MHz），RRU支持2通道，每通道標(biāo)稱發(fā)射功率為40 W（即46 dBm）。

（2）BBU、RRU Pin-Pout測(cè)試結(jié)果

BBU、RRU功耗情況測(cè)試結(jié)果見表2、表3，對(duì)應(yīng)的曲線如圖4、圖5所示。

表1 式（1）～式（3）中的各變量含義

表2 BBU功耗（3小區(qū)）

表3 RRU發(fā)射功率及對(duì)應(yīng)功耗（單小區(qū)）

從表2、表3可以得到以下結(jié)論。

·BBU功耗實(shí)際上隨負(fù)荷變化很小、可視為固定值：BBU Pin≈105.33 W。

·RRU最大功耗為：RRU Pin_max=202.5 W。

·RRU基線功耗為：RRU Pin_base=84.3 W。

4.1.2 步驟2：現(xiàn)網(wǎng)PRB利用率與吞吐量調(diào)研

調(diào)研現(xiàn)網(wǎng)基站的上下行PRB利用率與用戶平面PDCH SDU數(shù)據(jù)量，以15 min為粒度，統(tǒng)計(jì)北京、杭州兩個(gè)城市、3個(gè)高中低負(fù)荷站點(diǎn)、共18小區(qū)連續(xù)7天的數(shù)據(jù)。

圖4 BBU不同負(fù)荷情況下的功耗

圖5 單小區(qū)RRU功耗曲線

以杭州某站點(diǎn)為例，將PRB利用率與PDCP數(shù)據(jù)量一一對(duì)應(yīng)，如圖6所示。

根據(jù)圖6擬合的曲線方程，可推導(dǎo)出PRB利用率為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的上下行最大吞吐量（Tmax）。選取北京、杭州負(fù)荷較高的3個(gè)小區(qū)，統(tǒng)計(jì)忙時(shí)、閑時(shí)的最大吞吐量見表4。

4.1.3 步驟3：物理信道資源數(shù)（RE）計(jì)算

為避免混合組網(wǎng)的鄰頻干擾，設(shè)置TD-LTE上下行時(shí)隙配比為3∶1+3∶9∶2（特殊時(shí)隙不傳輸業(yè)務(wù)），帶寬為20 MHz，常規(guī)循環(huán)前綴。假設(shè)天線端口為2，Ng=1/6。PDCCH占用常規(guī)子幀前3個(gè)OFDM符號(hào)，占用特殊子幀前2個(gè)OFDM符號(hào)。為了簡(jiǎn)化模型，參考信號(hào)只考慮CRS（小區(qū)專用參考信號(hào)），不考慮MBSFN（廣播多播）和DRS（波束成形）。上下行子幀RE資源分布如圖7所示。

以1個(gè)無(wú)線幀（10 ms）為單位，計(jì)算各物理信道所占RE數(shù)及相關(guān)比例如下。

圖6 杭州某站點(diǎn)上/下行PRB利用率與數(shù)據(jù)吞吐量對(duì)應(yīng)關(guān)系

·上行所有資源總和：DL_RE=CRS+PSS+SSS+PBCH+PCFICH+PHICH+PDCCH+PDSCH=12 800+288+264+128+72+23 000+71592=108 144RE。

·下行所有資源總和：UL_RE=PRACH+DMRS+SRS+PUCCH+PUSCH=33 600+1200+144-72=34 872RE。

·上下行數(shù)據(jù)在上下行總資源占比：ρdata=(PDSCH+UL_RE)/(DL_RE+UL_RE)=0.744 4。

·下行信令在上下行總資源占比：ρDL.sig=PDCCH/(DL_RE+UL_RE)=0.160 8。

4.1.4 步驟4：業(yè)務(wù)占用網(wǎng)絡(luò)資源測(cè)試

使用鼎利無(wú)線網(wǎng)空口測(cè)試分析工具[11]，完成11種業(yè)務(wù)（包括短/彩信、收/發(fā)郵件、FTP、網(wǎng)頁(yè)登錄等）在TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)、信令測(cè)試，同時(shí)分別統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)流量、控制信道的RE數(shù)和持續(xù)時(shí)間，見表5。

4.2 業(yè)務(wù)能耗計(jì)算結(jié)果

從表4中選取參數(shù)配置基本相同、負(fù)荷較高的北京小區(qū)2和杭州小區(qū)2作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，將第4.1節(jié)得到的數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）中，最終計(jì)算出11種業(yè)務(wù)場(chǎng)景在網(wǎng)絡(luò)側(cè)產(chǎn)生的總能耗以及數(shù)據(jù)、信令的能耗分解情況，如圖8所示。

表4 各站點(diǎn)最大吞吐量估計(jì)

表5 11種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)、信令資源占用測(cè)試結(jié)果

圖7 上下行子幀RE資源分布

圖8 業(yè)務(wù)產(chǎn)生的總能耗、能耗分解及信令/數(shù)據(jù)能耗比

從圖8可以看出，對(duì)于不連續(xù)傳輸?shù)?、小?shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)（如短/彩信、IM/SNS類），即使僅發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的心跳分組或通知消息，也會(huì)觸發(fā)一套完整的RRC（radio resource control，無(wú)線資源控制）建鏈、拆鏈流程，導(dǎo)致更多的信令開銷，因此信令產(chǎn)生的能耗比重較明顯。而對(duì)于連續(xù)傳輸?shù)?、大?shù)據(jù)量業(yè)務(wù)（如FTP下載、流媒體等），大量的網(wǎng)絡(luò)資源用于用戶面的上下行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線信道利用率高，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗占比相對(duì)較高。上述差異主要取決于業(yè)務(wù)特征和應(yīng)用場(chǎng)景，以微信為代表的OTT業(yè)務(wù)通常消耗了更多的網(wǎng)絡(luò)信令資源和能耗，影響了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量和無(wú)線資源管控，增加了運(yùn)營(yíng)成本[13]。

另外，對(duì)比北京和杭州的各業(yè)務(wù)能耗可以看出，不同網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸環(huán)境、業(yè)務(wù)類型、用戶數(shù)及使用方式等均會(huì)導(dǎo)致吞吐量的差異，從而影響基站總能耗。SINR越高，Tmax越低，傳輸同樣吞吐量的數(shù)據(jù)，需要基站消耗更多的能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的基站能耗模型未考慮業(yè)務(wù)特征與網(wǎng)絡(luò)資源的映射關(guān)系，現(xiàn)有OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的影響分析也未涉及能耗領(lǐng)域。本文深入物理層資源粒度，提出一種改進(jìn)的“二次線性映射”模型及四步建模思路，將TD-LTE基站能耗與上下行數(shù)據(jù)、信令資源建立映射，在此基礎(chǔ)上根據(jù)大量的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)調(diào)研及測(cè)試，完整地給出了基站業(yè)務(wù)能耗建模方法，可定量計(jì)算出短/彩信、收/發(fā)郵件、FTP、網(wǎng)頁(yè)登錄、微博、流媒體等11種業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的總能耗，同時(shí)可將業(yè)務(wù)能耗拆分至更細(xì)維度，從而可定量評(píng)估數(shù)據(jù)、信令分別消耗的網(wǎng)絡(luò)資源和能耗大小，進(jìn)一步對(duì)比不同業(yè)務(wù)特征和應(yīng)用場(chǎng)景下的信令/數(shù)據(jù)能耗比。該模型填補(bǔ)了OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)能效影響的空白，便于業(yè)務(wù)能耗的精細(xì)化管理和運(yùn)營(yíng)管控。

1 中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心.中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2015 China Internet Information Center.China Internet Development Statistics Report,2015

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