熱點(diǎn)WLAN AP設(shè)備能效及指標(biāo)評估方法的研究

高 波，吳 非，林 睿，沈成彬

（1．中國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.中國電信集團(tuán)公司 北京 100032）

1 前言

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)成為我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)。我國通信行業(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，新興市場用戶的增加以及發(fā)達(dá)市場帶寬的提升必然帶來網(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，電信業(yè)的耗電量仍將保持較快增長，能源單價(jià)上漲及設(shè)備總能耗上升的同時(shí)也帶來了長期的財(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)備作為無線寬帶接入網(wǎng)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于無線城市建設(shè)，同時(shí)作為分流3G的有效手段，已受到各運(yùn)營商的重視并得到大規(guī)模部署。

國家對通信設(shè)備節(jié)能減排非常重視，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）已制定了一些接入網(wǎng)設(shè)備的節(jié)能參數(shù)和測試方法標(biāo)準(zhǔn)，如《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法 第1部分：ADSL用戶端》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法 VDSL2系統(tǒng)》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法 GPON系統(tǒng)》、《接入設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法 EPON系統(tǒng)》、《接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法 第2部分：ADSL局端》、《移動(dòng)終端設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測試方法》、《無繩電話機(jī)節(jié)能參數(shù)和測試方法》等。目前尚未制定WLAN AP的能效評估方法和指標(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。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于對熱點(diǎn)AP設(shè)備的能效評估方法的標(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)和測試方法的相關(guān)研究也寥寥無幾。本文就熱點(diǎn)AP的能效評估體系進(jìn)行了探索，希望得到一套科學(xué)的、行之有效的能效評估方法及指標(biāo)要求。

2 AP設(shè)備能效評估模型

基于運(yùn)營商目前全面部署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)備為研究對象進(jìn)行能效評估研究。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。

2.1 AP設(shè)備功耗構(gòu)成

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

2.2 AP設(shè)備工作狀態(tài)和功率定義

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，沒有用戶關(guān)聯(lián)的狀態(tài)。

這3種狀態(tài)對應(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。

2.3 AP設(shè)備整機(jī)功耗

AP設(shè)備在不同的工作狀態(tài)下會產(chǎn)生不同的功耗，為此需要建立一套AP設(shè)備整機(jī)功耗評估模型，以便對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)場侯機(jī)廳、賓館酒店、醫(yī)院等公共場所。AP在不同應(yīng)用場景下的工作狀態(tài)時(shí)間比例是不同的，對AP設(shè)備的能效評估需要結(jié)合實(shí)際使用場景建立模型。將不同應(yīng)用場景歸納為兩種典型的場景模型：以機(jī)場侯機(jī)廳為主的交通樞紐場景、商務(wù)樓/高校場景。

（1）交通樞紐場景

通過調(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/高校場景

通過調(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)校或?qū)懽謽菐缀鯖]有人，約有8.5 h定義為待機(jī)狀態(tài)，其他時(shí)間學(xué)校或?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景的熱點(diǎn)AP占50%，類似于商務(wù)樓/高校場景的熱點(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：

2.4 能效比值

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

2.5 能效比值分級

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。根據(jù)《通信產(chǎn)品節(jié)能分級導(dǎo)則》（GB/T 26262-2010）建議，最終得到的能效比值分級的級數(shù)應(yīng)大于或等于2級，不應(yīng)超過5級。

建議將AP設(shè)備分為5個(gè)能效比值等級。其中：最高等級體現(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；中間某一等級體現(xiàn)了平均水平要求；最低等級體現(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。能效比值越小，說明能效利用率越好，能效等級越高。表2為定義的AP設(shè)備能效比值分級。

表2 AP設(shè)備能效比值分級

3 能效評估測試方法

3.1 測試方法

AP設(shè)備一般是通過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)備能效評估測試方法，其他供電方式情況下測試方案可參照本測試方法。

圖2為測試組網(wǎng)示意。

圖2 AP設(shè)備能耗評估測試方法示意

將電源接入POE交換機(jī)，由POE交換機(jī)通過網(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，按照圖2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；用萬用表測試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)際測試中可采用專用POE功率計(jì)串接方式，進(jìn)行功率的測量。

對于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。

通過上述方法，分別測得全功耗、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、多會話連接，射頻以最大功率方式發(fā)送的狀態(tài)。

測試全功耗狀態(tài)整機(jī)功耗Pfull-power采用3臺終端（STA），按照STA與 AP 3種不同的距離（2m、3m、5m）放置；每臺與AP相連的STA建立6個(gè)會話 （session）；時(shí)長設(shè)定為10 min，測試期間自第4min開始，以30 s的間隔讀取共計(jì)12個(gè)功耗測試讀數(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)行測試并記錄測試結(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)。

測試低功耗狀態(tài)整機(jī)功耗PLow-Power采用1臺終端（STA），按照STA與AP相隔3 m的距離擺放；每臺與AP相連的STA建立6個(gè)會話；時(shí)長設(shè)定為10min，測試期間自第4min開始，以30 s的間隔讀取共計(jì)12個(gè)功耗測試讀數(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)行測試并記錄測試結(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開啟beacon幀，在沒有用戶附著和數(shù)據(jù)傳輸情況下測試待機(jī)狀態(tài)整機(jī)功耗Pstandby。

3.2 測試說明

·AP轉(zhuǎn)發(fā)速率。由于無法確定AP設(shè)備工作在最大功耗情況下，所對應(yīng)的是最大速率還是一般速率或低速率，目前沒有文獻(xiàn)及相關(guān)報(bào)告作參考，為確保數(shù)據(jù)的完整性，在測試過程中分別選擇了低速（MCS0）、中速（MCS7）和高速（MCS15）這 3 種速率進(jìn)行測試。

·AP供電方式。不同的供電方式對應(yīng)了不同的電源轉(zhuǎn)換模式，在測試中，將涵蓋盡可能多的供電方式，通過對POE、直流、交流等不同供電方式功耗的測試，以確認(rèn)不同供電方式對設(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，本次參測的均為“胖”、“瘦”可轉(zhuǎn)的AP。將參測的任一款A(yù)P分別以這2種設(shè)備形態(tài)進(jìn)行測試，以確認(rèn)不同的設(shè)備形態(tài)對設(shè)備功耗的影響。

· 其他。測試時(shí)也考慮射頻模塊的開啟與關(guān)閉這2種狀態(tài)的測試，以確定射頻模塊的工作狀態(tài)對設(shè)備功耗的影響。

4 測試結(jié)果及分析

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）的測試和數(shù)據(jù)采集。本次分析結(jié)論基于以上3家的測試結(jié)果。表3為本次AP測試時(shí)的各種配置組合情況。

4.1 功耗對比

本次參與測試的設(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)功耗對比。

表3 AP測試配置

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的綜合能耗對比，其中廠商2沒有類型5的IEEE 802.11n AP設(shè)備。

4.2 待機(jī)狀態(tài)與其他2種工作狀態(tài)的功耗對比

“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。

4.3 不同速率下的功耗對比

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作為速率模式的測試樣本狀態(tài)。

從測試結(jié)果可知：無論何種類型（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。

4.4 不同供電模式下的功耗對比

本次研究中對部分樣品分別采用了POE和直流供電方式進(jìn)行測試，通過對不同設(shè)備類型及不同設(shè)備形態(tài)的測試結(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試結(jié)果對比。

4.5 關(guān)閉射頻模塊的功耗情況

部分AP可直接關(guān)閉（斷電）射頻模塊的供電，從測試結(jié)果來看，物理關(guān)閉或斷開射頻模塊電源，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。

5 結(jié)束語

圖3 不同廠商不同類型AP的綜合能耗對比

表4 設(shè)備類型一的3個(gè)廠商IEEE 802.11n AP功耗測試結(jié)果

圖4 不同供電模式下AP整機(jī)功耗測試結(jié)果

本文建立了2種AP設(shè)備能效評估模型：AP設(shè)備整機(jī)功耗和能效比值，從2個(gè)維度來評估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AP設(shè)備能效評估方法幫助了解現(xiàn)有AP設(shè)備的能耗情況，同時(shí)引導(dǎo)廠商開發(fā)更多的綠色低功耗AP設(shè)備。

從測試結(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、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，那對于全國上百萬個(gè)熱點(diǎn)AP設(shè)備而言，一年節(jié)省下來的電費(fèi)將是非常可觀的。

隨著各國無線城市的推廣以及寬帶中國戰(zhàn)略目標(biāo)的建設(shè)，國際、國內(nèi)運(yùn)營商都在加大WLAN的建設(shè)力度，熱點(diǎn)AP數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過百萬臺。本文希望通過建立一種科學(xué)有效的AP能效評估體系和測試方法，滿足業(yè)界關(guān)于AP能效評估的要求，并根據(jù)能效分級制度引導(dǎo)廠商開發(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)和測試方法 VDSL2系統(tǒng)，2011