曹桓，周昶，許勇

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司，成都 610045）

1 引言

爆炸式的數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)線空口帶寬和基站數(shù)量激增，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大導(dǎo)致能耗逐年攀升，長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)針對(duì)無(wú)線通信巨大的能耗和潛在的節(jié)能空間，提出了“綠色無(wú)線通信”的概念，而隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模運(yùn)營(yíng)，其產(chǎn)生的巨大能源消耗以及對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越引起社會(huì)的重視。為應(yīng)對(duì)流量業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)，提出了基于云的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（Cloud-based Radio Access Network，C-RAN），C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無(wú)線電和云構(gòu)架的綠色無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架。通過(guò)基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）集中設(shè)置形成資源池，無(wú)線接入點(diǎn)射頻單元（Remote Radio Head，RRH）采用分布方式進(jìn)行部署。

目前第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議（3GPP）已進(jìn)行LTE節(jié)能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工作，R10/R11/R12分別成立了對(duì)應(yīng)的研究項(xiàng)（SI/WI）推進(jìn)LTE節(jié)能相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究。已有的LTE網(wǎng)絡(luò)能效評(píng)估方法偏重設(shè)備能效測(cè)算，如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）標(biāo)準(zhǔn)ETSI TS102706V1.3.1和ETSI TS 102 706 V1.2.1，涉及LTE無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能效評(píng)估方法，ETSI標(biāo)準(zhǔn)給出了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下無(wú)線基站(Radio Base Station，RBS）的能效測(cè)算方法，但沒(méi)有給出基于C-RAN架構(gòu)的LTE網(wǎng)絡(luò)能效測(cè)算方法。

2 現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)能效獲取技術(shù)

在衡量能力效率指標(biāo)方面，目前最常用的指標(biāo)是電源使用效率值（Power Usage Effectiveness，PUE），很少?gòu)膯挝涣髁磕芎慕嵌仍u(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)能效。

LTE網(wǎng)絡(luò)是基于一定發(fā)射功率下完成最大吞吐量指標(biāo)而設(shè)計(jì)的，LTE設(shè)備器件功耗會(huì)隨負(fù)載情況的波動(dòng)顯著，在網(wǎng)絡(luò)流量較低的時(shí)候，處于閑置狀態(tài)。目前業(yè)內(nèi)缺少精確評(píng)估基于云無(wú)線接入LTE網(wǎng)絡(luò)能效的方法，更沒(méi)有基于LTE網(wǎng)絡(luò)子單元基帶池（Building Base band Unit，BBU）和各個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)（Remote Radio Head，RRH）的能效狀態(tài)的評(píng)估。因此，一種可以在線部署的實(shí)時(shí)能效獲取評(píng)估系統(tǒng)（Online Energy-Efficient System，OEES），對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)子單元基帶池BBU、各個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)RRH能效狀態(tài)進(jìn)行掌握與評(píng)估，對(duì)于實(shí)施節(jié)能技術(shù)及優(yōu)化LTE組網(wǎng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3 基于C-RAN架構(gòu)的能效獲取方法

3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案框架

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種獲取網(wǎng)絡(luò)能效的方法。如圖1所示，實(shí)現(xiàn)思路分成3個(gè)階段，分別是收集預(yù)設(shè)規(guī)則的流量、收集預(yù)設(shè)規(guī)則的能耗、根據(jù)流量及能耗采用一定的算法進(jìn)行處理。每個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)的主要功能分別是：收集預(yù)設(shè)時(shí)隙的流量，接收策略計(jì)費(fèi)單元（Policy and Charging Rules Function， PCRF）根據(jù)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（Packet Data Network Gateway，PGW）單元預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集并上報(bào)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)流量；收集預(yù)設(shè)時(shí)隙發(fā)送的能耗，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集并上報(bào)的各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)能耗；根據(jù)流量、能耗以及預(yù)設(shè)時(shí)隙，獲取各網(wǎng)絡(luò)的能效。

圖1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案框架示意

具體來(lái)說(shuō)，要解決以上的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)上述功能，需要從圖1中3個(gè)環(huán)節(jié)著手。收集流量清單，可以在目前策略計(jì)費(fèi)單元PCRF、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)PGW的功能基礎(chǔ)上進(jìn)行改造；能耗的收集，涉及算法的選擇和新采集方式的設(shè)計(jì)；后一個(gè)環(huán)節(jié)，在衡量能力效率指標(biāo)方面，不是采用目前通常的PUE指標(biāo)，而是從單位流量能耗的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，也涉及算法的設(shè)計(jì)。

3.2 運(yùn)行環(huán)境及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

如圖2所示，構(gòu)造了一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，并進(jìn)行能效獲取系統(tǒng)的部署?；谠茻o(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的LTE網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)分成BBU基帶池子單元、RRH接入點(diǎn)子單元?，F(xiàn)有能效檢測(cè)及評(píng)估技術(shù)沒(méi)有針對(duì)基帶池集中處理技術(shù)將基帶池BBU與無(wú)線接入點(diǎn)RRH分開(kāi)處理，也就是說(shuō)，當(dāng)用戶端UE1經(jīng)過(guò)接入點(diǎn) RRH1接入網(wǎng)絡(luò)，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)PGW按照用戶端累計(jì)流量，當(dāng)用戶端UE1移動(dòng)到接入點(diǎn) RRH2時(shí)，PGW仍然按照原來(lái)的規(guī)則累計(jì)流量，PGW只能獲取用戶端計(jì)費(fèi)流量，并沒(méi)有按照接入點(diǎn)子單元、基站子單元統(tǒng)計(jì)流量，也不能評(píng)估BBU與RRH分設(shè)場(chǎng)景下LTE網(wǎng)絡(luò)的能效。

本方法是通過(guò)策略計(jì)費(fèi)單元PCRF預(yù)先設(shè)置標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則，如設(shè)置分用戶端、分RRH接入點(diǎn)標(biāo)記流量的規(guī)則；PCRF單元根據(jù)下發(fā)的預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則通知PGW單元，PGW單元根據(jù)PCRF的下發(fā)指示采集用戶端的流量，并把結(jié)果發(fā)送給PCRF單元。

這樣，當(dāng)用戶UE1經(jīng)過(guò)RRH1接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PGW單元按照PCRF單元的下發(fā)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則將該用戶端產(chǎn)生流量上報(bào)；當(dāng)用戶 UE1移動(dòng)到RRH2接入點(diǎn)時(shí)，PGW單元停止對(duì)用戶UE1流量的上報(bào)，由另一RRH2接入點(diǎn)處理；可以理解的是，當(dāng)用戶UE2接入RRH1接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PGW單元、PCRF單元的處理方法流程同上，所有經(jīng)過(guò)RRH1的用戶個(gè)數(shù)為u； PCRF單元累計(jì)u個(gè)用戶的流量，形成流量清單，并按照預(yù)設(shè)時(shí)隙上報(bào)OEES進(jìn)行處理，完成所有m個(gè)RRH初始流量清單的上報(bào)，并且能耗采集單元獲取各個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元對(duì)應(yīng)的能耗，形成能耗清單，按照預(yù)設(shè)時(shí)隙上報(bào)OEES，OEES根據(jù)流量清單和能耗清單計(jì)算各個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元的能效以及整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能效。

3.3 收集預(yù)設(shè)流量的方法

如圖3所示，收集流量的具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

圖2 運(yùn)行環(huán)境及系統(tǒng)部署方式示意

接收PCRF單元根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)隙收集流量清單，實(shí)現(xiàn)流程包括預(yù)設(shè)時(shí)隙、預(yù)設(shè)標(biāo)記規(guī)則、預(yù)設(shè)過(guò)濾規(guī)則，PCRF單元根據(jù)PGW單元的預(yù)設(shè)規(guī)則分別采集并上報(bào)的各網(wǎng)絡(luò)子單元實(shí)時(shí)流量。

具體而言，PGW單元根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)流量，并將采集到的實(shí)時(shí)流量實(shí)時(shí)上報(bào)給PCRF單元，PCRF單元根據(jù)實(shí)時(shí)流量獲取各個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元在預(yù)設(shè)時(shí)隙內(nèi)的流量，形成流量清單，并上報(bào)給獲取網(wǎng)絡(luò)能效的裝置。換句話說(shuō)，預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則是由獲取網(wǎng)絡(luò)能效的裝置預(yù)下發(fā)給策略計(jì)費(fèi)單元PCRF，再由PCRF單元下發(fā)給分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)PGW。

圖3為收集流量清單方法的流程，具體分為以下6個(gè)步驟。

步驟1，OEES進(jìn)行系統(tǒng)初始化：一方面，OEES確定PCRF預(yù)設(shè)標(biāo)記、過(guò)濾規(guī)則和設(shè)置預(yù)設(shè)時(shí)隙δ；另一方面，OEES通知PCRF單元，并將預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則下發(fā)給PGW單元。

步驟2，用戶端UE接入網(wǎng)絡(luò)。

步驟3，PGW單元監(jiān)測(cè)用戶端UE接入網(wǎng)絡(luò)，PGW單元開(kāi)始按照PCRF下發(fā)的預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則采集接入的各個(gè)用戶端UE的流量，并實(shí)時(shí)上報(bào)給PCRF單元。

步驟4，PCRF單元累計(jì)各個(gè)UE在預(yù)設(shè)時(shí)隙δ內(nèi)使用的流量，記錄在流量清單中。

步驟5，PCRF單元按照時(shí)隙δ上報(bào)流量清單。

步驟6，OEES接收流量清單，完成一個(gè)流量實(shí)時(shí)采集流程。

3.4 收集預(yù)設(shè)能耗的方法

收集能耗清單的預(yù)設(shè)規(guī)則是與收集流量的預(yù)設(shè)規(guī)劃溝通后同步進(jìn)行的，即接收能耗采集單元根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)隙收集的能耗清單，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集并上報(bào)各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)能耗。

具體來(lái)說(shuō)，是通過(guò)一種網(wǎng)絡(luò)能效處理裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案由3個(gè)功能模塊單元組成（如圖4所示）：第一接收單元，用于接收PCRF單元根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)隙發(fā)送的流量清單，流量清單是PCRF單元根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)流量而獲得的；第二接收單元，用于接收能耗采集單元根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)隙發(fā)送的能耗清單，能耗清單是能耗采集單元根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集并上報(bào)的各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)能耗而獲得的；處理單元，用于根據(jù)收集的流量清單和能耗清單，獲取各網(wǎng)絡(luò)子單元和/或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能效。

圖3 收集預(yù)設(shè)規(guī)則的流量清單方法

圖4 網(wǎng)絡(luò)能效處理裝置

而且，針對(duì)C-RAN架構(gòu)，還需要設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)能耗獲取系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)包括多個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元：與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元通信連接的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)PGW、與PGW通信連接的策略計(jì)費(fèi)單元PCRF以及與PCRF單元通信連接的獲取網(wǎng)絡(luò)能效的裝置，還包括與裝置通信連接的能耗采集單元。

圖5 基于C-RAN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能耗獲取系統(tǒng)

其中，PGW單元用于根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)流量，并發(fā)送給PCRF單元。

能耗采集單元用于根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則每隔預(yù)設(shè)時(shí)隙分別采集各網(wǎng)絡(luò)子單元的實(shí)時(shí)能耗，形成能耗清單并發(fā)送給處理裝置。

PCRF單元用于根據(jù)PGW單元實(shí)時(shí)上報(bào)的各網(wǎng)絡(luò)子單元對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)流量形成流量清單，并根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)隙發(fā)送給處理裝置。

4 技術(shù)方案的算法設(shè)計(jì)

4.1 流量清單的收集算法

獲取網(wǎng)絡(luò)能效的裝置將預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別下發(fā)給PCRF單元和能耗采集單元，策略計(jì)費(fèi)單元PCRF接收到預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則后繼續(xù)下發(fā)給分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)PGW。

PGW根據(jù)接收到的預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則分別采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中接入各接入點(diǎn)RRH的所有用戶端的實(shí)時(shí)流量，并將實(shí)時(shí)流量實(shí)時(shí)上報(bào)至PCRF單元，各接入點(diǎn)RRH所用用戶端對(duì)應(yīng)的流量為：

4.2 能耗清單的采集計(jì)算式

能耗采集單元接收獲取網(wǎng)絡(luò)能效的裝置下發(fā)的預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記與過(guò)濾規(guī)則每隔預(yù)設(shè)時(shí)隙分別采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中包括的基帶池BBU對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)自身能耗、實(shí)時(shí)環(huán)境能耗和實(shí)時(shí)傳輸能耗以及各個(gè)接入點(diǎn)RRH對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)自身能耗和實(shí)時(shí)環(huán)境能耗，形成能耗清單，并將能耗清單發(fā)送至處理裝置形成能耗清單。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗為：

基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗為：

其中，EBBU為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的自身能耗，EBBU，trans為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的傳輸能耗，EBBU，env為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的環(huán)境能耗，其中：

其中，T為預(yù)設(shè)周期， δ為預(yù)設(shè)時(shí)隙， T/δ為整數(shù)，n為測(cè)試次數(shù)為第k個(gè)周期第i個(gè)時(shí)隙采集到的基帶池BBU對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)自身能耗讀數(shù)第k個(gè)周期第i個(gè)時(shí)隙采集到的基帶池BBU對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)環(huán)境能耗讀數(shù)為第k個(gè)周期第i個(gè)時(shí)隙采集到的基帶池BBU對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)傳輸能耗讀數(shù)。各個(gè)RRH在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗為：

4.3 能效處理的計(jì)算方法

各個(gè)接入點(diǎn)RRH在一個(gè)預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效為：

其中，EERRH，j為第j個(gè)接入點(diǎn)RRH在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效，表示第j個(gè)接入點(diǎn)RRH每焦耳消耗下比特流量效率的大小，DVRRH，j為第j個(gè)接入點(diǎn)RRH在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的流量，為第j個(gè)接入點(diǎn)RRH在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗。

基帶池BBU在在一個(gè)預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效為：

其中， EEBBU為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效，表示基帶池BBU每焦耳消耗下比特流量效率的大小，DVBBU為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的流量為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效為：

其中，EE為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能效，表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)每焦耳消耗下的比特流量效率的大小，DVBBU為基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的流量，也是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的流量，將基帶池BBU在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗與各個(gè)接入點(diǎn)RRH在預(yù)設(shè)周期內(nèi)的能耗之和E作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

本方法提供的一種實(shí)時(shí)能效評(píng)估系統(tǒng)，尤其涉及C-RAN架構(gòu)下能效獲取方法，包括獲取的方法及算法原理、實(shí)現(xiàn)裝置及部署的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該方法通過(guò)分別獲取各個(gè)網(wǎng)絡(luò)子單元的流量清單和能耗清單計(jì)算網(wǎng)絡(luò)能效，有別于目前廣泛采用電源使用效率值PUE測(cè)算能耗的方式，從單位流量能耗角度衡量網(wǎng)絡(luò)的能效。同時(shí)，該方法既可以適用于基帶池與接入點(diǎn)分開(kāi)設(shè)置的C-RAN架構(gòu)LTE網(wǎng)絡(luò)，也適用于合設(shè)的普通LTE網(wǎng)絡(luò)的能效測(cè)算。

未來(lái)面向高級(jí)計(jì)量架構(gòu)（Advanced Metering Infrastructure， AMI)，將智能電網(wǎng)技術(shù)引入到通信領(lǐng)域，對(duì)通信機(jī)房及電源配套進(jìn)行模塊化改造，是能耗采集算法在應(yīng)用部署層面的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，其中一種可編程能耗獲取方式將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

[1] 周昶, 曹桓, 許勇, 等. 高海拔寒冷地區(qū)LTE接入網(wǎng)能效評(píng)估與節(jié)能研究[J]. 電信技術(shù), 2016(3):48-51.

[2] ETSI. Environmental engineering(EE)measurement method for energy efficiency of wireless access network equipment: TS102706[S].2013.

[3] 李韶英, 莊湛海, 倪偉彬. LTE基站能效測(cè)試與分析[J]. 電信科學(xué), 2014(9):149-153.