歐永青

（中郵建技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

近年來，我國智能手機用戶呈爆炸式增長，與此同時移動網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)也在有序推進，人們使用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量也隨之增長。為了滿足人們對數(shù)據(jù)流量速度與質(zhì)量的需求，需要尋求更好的無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備來提升數(shù)據(jù)流量的利用率。2019年6月，我國正式進入5G時代，各大運營商都展開了5G無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的部署計劃。雖然5G時代的到來為我國通信行業(yè)注入新活力，但無線網(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）功耗大的問題，我國相關(guān)學(xué)者對5G基站展開了相關(guān)研究。文獻[1]通過對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[2]利用多基站集群協(xié)調(diào)運行的方式，滿足移動用戶通信需求的同時降低了基站用能。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題，增加了5G基站的通信能耗。

因此，本文針對5G無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備安裝與調(diào)試方法展開研究，以期通過設(shè)計的方法降低切換損耗。

1 BBU集中機柜的安裝

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

圖1 BBU集中機柜內(nèi)氣體流通情況

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

2 BBU設(shè)備的調(diào)試

2.1 預(yù)測BBU負(fù)載

當(dāng)BBU集中機柜運行時，由于數(shù)據(jù)流量會隨著時空差異而發(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，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，BBU間的負(fù)載變化是個隨機現(xiàn)象[4]。本文通過馬爾科夫預(yù)測模型來實現(xiàn)BBU負(fù)載預(yù)測，此模型通過馬爾科夫鏈算法構(gòu)建，馬爾科夫鏈算法最大的特性就是無后效性，可以描述時間與空間均處于離散狀態(tài)的隨機變化過程，也就是說可以有效預(yù)測BBU設(shè)備間的隨機變化負(fù)載。通過馬爾科夫鏈的無后效性，可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣實現(xiàn)負(fù)載預(yù)測，公式為

式中：Zmn表示BBU設(shè)備在t時刻從工作狀態(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)點數(shù)量。當(dāng)基于時間序列進行負(fù)載預(yù)測時，一般通過馬爾科夫預(yù)測模型的時齊特性進行，時齊特性就是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和BBU設(shè)備運行時間間距存在直接聯(lián)系，和BBU設(shè)備的初始運行狀態(tài)沒有關(guān)系。時齊特性也可以說明BBU設(shè)備的轉(zhuǎn)移狀態(tài)具有平穩(wěn)性，函數(shù)表達式為

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

2.2 計算負(fù)載差異程度

本文在進行5G基站的BBU設(shè)備調(diào)試時，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集中機柜的負(fù)載情況，實現(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)載差異程度對負(fù)載進行分級處理，然后對于不同等級的負(fù)載執(zhí)行不同的調(diào)試方法。所以接下來需要計算BBU設(shè)備間的負(fù)載差異程度，當(dāng)通信需求到達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，說明此BBU設(shè)備是可用的設(shè)備，函數(shù)表達式為

式中：BBUky表示可用BBU設(shè)備；Wk表示第k個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集中機柜中，通過各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，進而計算BBU設(shè)備間的負(fù)載差異標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，進行BBU間負(fù)載差異程度的分級處理。那么BBU間的負(fù)載差異程度的計算公式為

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，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)備的遷移活動自動進行，但遷移懲罰幾乎不會改變，因此本文基于遷移懲罰實現(xiàn)低負(fù)載BBU設(shè)備的自適應(yīng)遷移，進而完成低負(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)，利用一個合理的遷移懲罰平均值，判斷低負(fù)載BBU設(shè)備是否進行自適應(yīng)遷移。遷移懲罰平均值的計算公式為

式中：ReW、TB、SCost、Save分別表示BBU設(shè)備池中的4個要素，用來衡量BBU設(shè)備池當(dāng)前的運行狀態(tài)。由于單位時間的遷移太快，不具備參考價值，因此本文提出的自適應(yīng)遷移算法不考慮每單位時間的遷移懲罰。遷移懲罰平均值的獲取需要在BBU設(shè)備遷移之前，因為只有遷移進行才可以確定SCost與Save的數(shù)據(jù)，但是這2個數(shù)據(jù)如果是未知的，又無法判斷低負(fù)載BBU是否進行遷移，所以本文為協(xié)調(diào)此問題，通過數(shù)據(jù)流量變化規(guī)律，對BBU設(shè)備的運行狀態(tài)取平均值來獲取SCost與Save這2個數(shù)據(jù)。通過自適應(yīng)遷移算法進行低負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，不僅可以使BBU集中機柜更高效地運作，而且可以避免一些不必要的調(diào)試，提升了BBU集中機柜的性能。

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)載均衡來實現(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行的，把高負(fù)載BBU設(shè)備間的負(fù)載均衡看作一個分配問題，通過負(fù)載均衡因子，最大限度地降低高負(fù)載BBU設(shè)備接入[5]。本文通過滿足用戶不同需求均衡的分配，進行高負(fù)載BBU設(shè)備的調(diào)試，以此使BBU集中機柜的效用值最佳。那么相同的需求在不同BBU設(shè)備中的效用值計算公式為

3 實驗測試

3.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗證本文所提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)方法進行對比仿真實驗，在相同且固定的環(huán)境下測試2種方法下的BBU設(shè)備工作性能，通過工作性能判斷2種方法下的安裝與調(diào)試效果。搭建仿真平臺，并設(shè)置實驗參數(shù)，幾個主要數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置好實驗參數(shù)后，進行實驗測試，讓兩種方法下的BBU設(shè)備同時運行，并分別收集運行數(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)備中阻滯資源相對穩(wěn)定，隨工作范圍變化的曲線波動較小，且一直保持在一個較傳統(tǒng)方法更低的值上。與此同時考慮到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)如火如荼的開展，在5G基站中，BBU集中機柜因運行溫度較高導(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。雖然本文已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍存在需要改進的地方，例如在預(yù)測BBU負(fù)載時，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)雜度將是本文未來的研究重點，以便為5G基站的部署提供有效方案，促進我國5G無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的發(fā)展。