CDMA基站主設備能效評估方法研究與測試

葉玉劍，莊湛海，陳 昊

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630；2.廣州優億信息科技有限公司 廣州510630）

1 前言

“十二五”時期，我國發展仍處于可以大有作為的重要戰略機遇期。隨著工業化、城鎮化進程的加快和消費結構的持續升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內資源保障能力和環境容量制約以及全球性能源安全和應對氣候變化影響，資源環境約束日趨強化，“十二五”時期節能減排形勢仍然十分嚴峻，任務十分艱巨。

自2008年收購CDMA網絡后，中國電信迅速完成了網絡的平穩交接并穩定運行，在此基礎上開展了網絡整治優化、提升質量的大會戰。2009年中國電信加大了無線移動網絡建設的力度，采用Ev-Do Rev.A技術進行了大規模的3G網絡升級，用較短的時間，以超常規的速度，實現了移動網絡翻天覆地的變化，建成了全球規模最大、覆蓋最廣的CDMA網絡和國內商用最早、建設成本最低的3G網絡。

然而，在CDMA移動網絡容量和覆蓋得到大大提升的同時，也形成了新型設備與老舊設備并存的局面。移動網絡設備（BTS&BSC）存在以下幾個需要關注的問題：

·無線基站數量多，總能耗占比大，基站主設備占能耗的主要部分；

·部分設備占地面積大、功耗高、集成度差，能耗利用率低；

·對于CDMA基站能效缺乏比較全面的評估標準，在網優、采購等環節不能有效地考慮投資效益與成本的優化。中國電信的耗電占比情況如圖1所示。

圖1 中國電信耗電占比情況

目前，由于缺少合理有效的CDMA基站主設備能效評估方法，對于CDMA基站主設備的低能效標準無從定義，老舊、低能效基站的退網缺乏依據。通過對CDMA基站能耗現狀進行分析，建立相應的能效評估模型，為CDMA基站的能效水平進行分級，并制定相關的低能效標準。為通信運行商在CDMA基站選型及退網等方面的工作，提供節能降耗方面的參考和依據。

2 CDMA基站能耗測試方法及能效定義

2.1 CDMA基站能耗測試方法

CDMA基站能耗測試方法是參考國家工業和信息化部發布的《“移動通信設備節能參數和測試方法_基站”國標報批稿》。該標準主要規定了移動通信基站設備能耗測試的節能參數和這些參數的測試方法，采用了國際上較為成熟的靜態業務模型測試方法，在模型建立上充分考慮國內運營企業現網的設備特點，綜合了運行企業及制造企業的研究成果，提出了適用于CDMA制式基站的參考配置、測試組網方式、業務負荷模型、節能參數計算方法等。

CDMA基站的參考基站配置如下。

·參考站型：S1/1/1（1個cdma2000 1x載波），S2/2/2（1個cdma2000 1x載波及1個HRPD載波），S4/4/4（2個cdma2000 1x載波及2個HRPD載波），S5/5/5（3個cdma2000 1x載波及2個HRPD載波），S7/7/7（4個cdma2000 1x載波及3個HRPD載波）。

·單位載波參考發射功率：S1/1/1、S2/2/2、S4/4/4為20 W，S5/5/5、S7/7/7為15 W。

·數據類型：偽隨機比特序列。

·分布式基站采用星型連接。

·每個扇區中各載波工作頻點在設備支持的頻帶內平均分布。

CDMA基站測試組網如圖2和圖3所示。

圖2 集中式基站測試組網

圖3 分布式基站測試組網

CDMA基站的參考業務負荷模型定義如表1所示。

CDMA基站參考小區信道模型如表2所示。

2.2 CDMA基站能效水平定義

根據《“移動通信設備節能參數和測試方法_基站”國標報批稿》規定，CDMA基站某站型節能參數計算方法如下：

表1 CDMA基站的參考業務負荷模型

表2 CDMA基站參考小區信道模型

表3 現網CDMA基站型號

其中，Pi為基站平均輸入功率、Pii為閑時輸入功率、ti為閑時負荷時長、Pim為中等輸入功率、tm為中等負荷時長、Pib為忙時輸入功率、tb為忙時負荷時長。

其中，Po為基站平均出功率、Poi為閑時輸出功率、Pom為中等輸出功率、Pob為忙時輸出功率。

其中，E為CDMA基站的能效。

2.3 現網CDMA基站能效水平

通過前期的徹底調研，明確現網CDMA基站共包含6個廠商共12款設備，如表3所示。

按照《“移動通信設備節能參數和測試方法_基站”國標報批稿》進行測試并計算后，得出各型號基站5種站型的能效如表4所示。

3 CDMA基站主設備能效評估方法

3.1 制定評估指標

由于同一型號基站共有5種站型配置方式，配置站型不同，能效值也不相同，因此需制定統一的評估指標，達到根據基站設備能效區分優劣的目標。

如果把每一個基站型號看成是一個個體，該型號下的每一種站型能效看成是該個體的一個屬性特征，那么每一個型號的特征均可以用一個向量V進行描述，即：

表4 CDMA基站各站型能效

在這種情況下，最常用的方法是采用歐氏距離進行描述，向量x，y之間的歐式距離記為：

在當前應用中，所有的屬性特征都是描述能效的，具有同質性，因此可以把多維屬性整合成一維屬性。在多維幾何空間中，將綜合能效值定義為變量到原點的距離，通過對歐氏距離計算式進行整理后得：

為了使指標值不會隨樣本個數的增加而單調增加，同時使指標值更加直接地反映設備的實際能效，對以上計算式進行優化整理，得：

其中，a1、a2、…、an為各個樣例數量占總數的比例。

由于本文關于CDMA基站能效綜合評估是基于理論上的研究，同時也是出于對廠商的公平考慮，方法對所有被測樣本基于同一水平進行比較，從概率上說采用了平均分布模型。對式（7）整理后得：

結合本文CDMA基站能效的情況，假設某型號基站，在S1/1/1站型下測得的能效為X1，在S2/2/2站型下測得的能效為X2，在S4/4/4站型下測得的能效為X3，在S5/5/5站型下測得的能效為X4，在S7/7/7站型下測得的能效為X5，則認定該基站的綜合能效為：

將d（x）定義為該基站型號的能效綜合值，從該值的定義可以看出，該值越高，基站的能效水平越高。

把之前各款CDMA基站的能效（表4）代入式（9），可以得到各款CDMA基站能效綜合值如表5所示。

3.2 CDMA基站能效綜合值評估方法

目前CDMA基站能耗評估方面缺乏統一的標準，我國機電設備能效評估通用方法為“正態分布算法”。由于“正態分布算法”是根據專家經驗來設定能效標準水平的，能效標準的結果切合行業實際情況，但存在一定的主觀因素。本文在“正態分布算法”的基礎上，引入更加客觀的“K-means聚類算法”，在遵循科學客觀的原則基礎上，用兩種方法相結合的方式建立更合理的CDMA基站能效評估體系。

（1）正態分布算法

將表5中各款CDMA基站能效綜合值代入正態分布的參數公式。

均值為：

標準差為：

求得各款基站能效綜合值的正態分布均值為0.124，標準差為0.068，得出正態分布曲線如圖4所示。

圖4 CDMA基站能效綜合值的正態分布曲線

根據行業通用做法，將基站能效水平末位20%對應值作為低能效閾值，通過計算積分函數：

表5 CDMA基站能效綜合值

求得低能效閾值：X=0.067。

結合各型號基站能效綜合值可以得出，在閾值0.067以下的CDMA基站為：廠商4、廠商6、廠商5。

（2）K-means聚類算法

K-means算法是基于劃分的純數學聚類方法，方法運算結果更加客觀。K-means算法的基本思想是：以空間中k個點為中心進行聚類，對最靠近它們的對象歸類。通過迭代的方法，逐次更新各聚類中心的值，直至中心值不變，則聚類完成。算法應用條件為樣例確定且類別數確定。

3.2.1 算法描述

步驟1隨機選取K個聚類中心點為：μk，μ1，…，μk∈Rn。

步驟2重復下面過程直到收斂。

{對于每一個樣例i，計算其應該屬于的類：

對于每一個類j，重新計算該類的中心：

}

建構主義理論認為，學習過程是學習者基于一定情境下，結合原有知識經驗，通過社會文化互動而形成的學習者主動對新知識建構理解的過程。所以教師創設生動的學習情境，能促進學生進行意義建構。生物知識的故事化，無疑是創設教學情境的一種手段，因為故事具有天然的“情境性”，往往能吸引人，使學生身臨其境，全身心投入其中。

3.2.2 算法舉例

運用K-means算法將樣例“1、2、3、7、10”分成兩類。

步驟1在樣例最小值與最大值之間隨機選取中心點，中心點個數與類別數一致。

在本例中，隨機取中心點“6”、“9”。

步驟2計算每個樣例到各個中心點的距離，將樣例歸類到距離最短的中心點。如樣例“1”到中心點“6”的距離為5，到中心點“9”的距離為8，所以樣例“1”歸類到中心點“6”。如此類推，將所有樣例進行相同算法判斷得，歸類到中心點“6”的樣例有：“1、2、3、7”，歸類到中心點“9”的樣例有“10”。

步驟3計算每類所包含的樣例的平均值，將其作為新的中心點。對第一類包含的所有樣例“1、2、3、7”取平均值，得新中心點一“3.25”，對第二類包含的所有樣例“10”取平均值，得新中心點一“10”。

步驟4重復第2、3步，直至中心點不變，則歸類完成。

第一類中心點為“2”，歸類樣例有“1、2、3”，第二類中心點為“8.5”，歸類樣例有“7、10”，中心點收斂不再變化，歸類完成。

3.2.3 算法應用

將K-means算法應用到CDMA基站能效評估項目中，對表5中各款CDMA基站能效綜合值進行K-means聚類運算。所有型號基站的能效綜合值按高、中、低分成3類后，得到分類的結果如表6所示。

表6 K-means算法下，CDMA基站能效綜合值分類

取低、中兩類中心值的平均值作為低能效水平的閾值，該值為0.064。能效綜合值在閾值水平以下的基站還是：廠商4、廠商5、廠商6。

3.2.4 評估結果

以上兩種方法得出的能效綜合值低水平閾值分別為0.067、0.064，可以將0.065作為目前技術水平下，CDMA基站的低能效標準準入值。可以看出，廠商4、廠商5、廠商5 CDMA基站能效指標不及格，為低能效基站。各型號基站能效綜合值柱形圖如圖5所示。

3.3 CDMA基站能效綜合值等級劃分建議

對于正態分布算法，基站能效水平末位20%對應值作為低能效閾值，求得該值為0.067；居前50%對應值為0.124；居前20%對應值為0.181。

對于K-means算法，取低、中兩類中心值的平均值作為低能效水平的閾值，該值為0.064；取中、高兩類中心值的平均值為0.139；最高類中心值為0.173。

結合兩種算法，綜合以上數據，建議將CDMA基站按能效綜合值劃分為以下3個等級，如表7所示。

圖5 各型號基站能效綜合值柱形圖

表7 CDMA基站能效等級分類建議

4 結束語

本文通過對CDMA基站能耗現狀進行分析，結合行業情況，建立了相應的能效評估模型與評估算法，為CDMA基站的能效水平進行分級，并制定相關的低能效標準。為通信運營商在CDMA基站選型及退網等方面的工作，提供節能降耗方面工作的參考和依據。幫助運營商合理制定CDMA基站的節能減排措施，減少網絡運營的耗電量，降低成本支出，提高經濟效益。

1 中國通信標準化協會.“移動通信設備節能參數和測試方法_基站”國標報批稿，2010