CDMA基站主设备能效评估方法研究与测试

叶玉剑，庄湛海，陈 昊

（1.中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630；2.广州优亿信息科技有限公司 广州510630）

1 前言

“十二五”时期，我国发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期。随着工业化、城镇化进程的加快和消费结构的持续升级，我国能源需求呈刚性增长，受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化影响，资源环境约束日趋强化，“十二五”时期节能减排形势仍然十分严峻，任务十分艰巨。

自2008年收购CDMA网络后，中国电信迅速完成了网络的平稳交接并稳定运行，在此基础上开展了网络整治优化、提升质量的大会战。2009年中国电信加大了无线移动网络建设的力度，采用Ev-Do Rev.A技术进行了大规模的3G网络升级，用较短的时间，以超常规的速度，实现了移动网络翻天覆地的变化，建成了全球规模最大、覆盖最广的CDMA网络和国内商用最早、建设成本最低的3G网络。

然而，在CDMA移动网络容量和覆盖得到大大提升的同时，也形成了新型设备与老旧设备并存的局面。移动网络设备（BTS&BSC）存在以下几个需要关注的问题：

·无线基站数量多，总能耗占比大，基站主设备占能耗的主要部分；

·部分设备占地面积大、功耗高、集成度差，能耗利用率低；

·对于CDMA基站能效缺乏比较全面的评估标准，在网优、采购等环节不能有效地考虑投资效益与成本的优化。中国电信的耗电占比情况如图1所示。

图1 中国电信耗电占比情况

目前，由于缺少合理有效的CDMA基站主设备能效评估方法，对于CDMA基站主设备的低能效标准无从定义，老旧、低能效基站的退网缺乏依据。通过对CDMA基站能耗现状进行分析，建立相应的能效评估模型，为CDMA基站的能效水平进行分级，并制定相关的低能效标准。为通信运行商在CDMA基站选型及退网等方面的工作，提供节能降耗方面的参考和依据。

2 CDMA基站能耗测试方法及能效定义

2.1 CDMA基站能耗测试方法

CDMA基站能耗测试方法是参考国家工业和信息化部发布的《“移动通信设备节能参数和测试方法_基站”国标报批稿》。该标准主要规定了移动通信基站设备能耗测试的节能参数和这些参数的测试方法，采用了国际上较为成熟的静态业务模型测试方法，在模型建立上充分考虑国内运营企业现网的设备特点，综合了运行企业及制造企业的研究成果，提出了适用于CDMA制式基站的参考配置、测试组网方式、业务负荷模型、节能参数计算方法等。

CDMA基站的参考基站配置如下。

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

·单位载波参考发射功率：S1/1/1、S2/2/2、S4/4/4为20 W，S5/5/5、S7/7/7为15 W。

·数据类型：伪随机比特序列。

·分布式基站采用星型连接。

·每个扇区中各载波工作频点在设备支持的频带内平均分布。

CDMA基站测试组网如图2和图3所示。

图2 集中式基站测试组网

图3 分布式基站测试组网

CDMA基站的参考业务负荷模型定义如表1所示。

CDMA基站参考小区信道模型如表2所示。

2.2 CDMA基站能效水平定义

根据《“移动通信设备节能参数和测试方法_基站”国标报批稿》规定，CDMA基站某站型节能参数计算方法如下：

表1 CDMA基站的参考业务负荷模型

表2 CDMA基站参考小区信道模型

表3 现网CDMA基站型号

其中，Pi为基站平均输入功率、Pii为闲时输入功率、ti为闲时负荷时长、Pim为中等输入功率、tm为中等负荷时长、Pib为忙时输入功率、tb为忙时负荷时长。

其中，Po为基站平均出功率、Poi为闲时输出功率、Pom为中等输出功率、Pob为忙时输出功率。

其中，E为CDMA基站的能效。

2.3 现网CDMA基站能效水平

通过前期的彻底调研，明确现网CDMA基站共包含6个厂商共12款设备，如表3所示。

按照《“移动通信设备节能参数和测试方法_基站”国标报批稿》进行测试并计算后，得出各型号基站5种站型的能效如表4所示。

3 CDMA基站主设备能效评估方法

3.1 制定评估指标

由于同一型号基站共有5种站型配置方式，配置站型不同，能效值也不相同，因此需制定统一的评估指标，达到根据基站设备能效区分优劣的目标。

如果把每一个基站型号看成是一个个体，该型号下的每一种站型能效看成是该个体的一个属性特征，那么每一个型号的特征均可以用一个向量V进行描述，即：

表4 CDMA基站各站型能效

在这种情况下，最常用的方法是采用欧氏距离进行描述，向量x，y之间的欧式距离记为：

在当前应用中，所有的属性特征都是描述能效的，具有同质性，因此可以把多维属性整合成一维属性。在多维几何空间中，将综合能效值定义为变量到原点的距离，通过对欧氏距离计算式进行整理后得：

为了使指标值不会随样本个数的增加而单调增加，同时使指标值更加直接地反映设备的实际能效，对以上计算式进行优化整理，得：

其中，a1、a2、…、an为各个样例数量占总数的比例。

由于本文关于CDMA基站能效综合评估是基于理论上的研究，同时也是出于对厂商的公平考虑，方法对所有被测样本基于同一水平进行比较，从概率上说采用了平均分布模型。对式（7）整理后得：

结合本文CDMA基站能效的情况，假设某型号基站，在S1/1/1站型下测得的能效为X1，在S2/2/2站型下测得的能效为X2，在S4/4/4站型下测得的能效为X3，在S5/5/5站型下测得的能效为X4，在S7/7/7站型下测得的能效为X5，则认定该基站的综合能效为：

将d（x）定义为该基站型号的能效综合值，从该值的定义可以看出，该值越高，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基站能效综合值如表5所示。

3.2 CDMA基站能效综合值评估方法

目前CDMA基站能耗评估方面缺乏统一的标准，我国机电设备能效评估通用方法为“正态分布算法”。由于“正态分布算法”是根据专家经验来设定能效标准水平的，能效标准的结果切合行业实际情况，但存在一定的主观因素。本文在“正态分布算法”的基础上，引入更加客观的“K-means聚类算法”，在遵循科学客观的原则基础上，用两种方法相结合的方式建立更合理的CDMA基站能效评估体系。

（1）正态分布算法

将表5中各款CDMA基站能效综合值代入正态分布的参数公式。

均值为：

标准差为：

求得各款基站能效综合值的正态分布均值为0.124，标准差为0.068，得出正态分布曲线如图4所示。

图4 CDMA基站能效综合值的正态分布曲线

根据行业通用做法，将基站能效水平末位20%对应值作为低能效阈值，通过计算积分函数：

表5 CDMA基站能效综合值

求得低能效阈值：X=0.067。

结合各型号基站能效综合值可以得出，在阈值0.067以下的CDMA基站为：厂商4、厂商6、厂商5。

（2）K-means聚类算法

K-means算法是基于划分的纯数学聚类方法，方法运算结果更加客观。K-means算法的基本思想是：以空间中k个点为中心进行聚类，对最靠近它们的对象归类。通过迭代的方法，逐次更新各聚类中心的值，直至中心值不变，则聚类完成。算法应用条件为样例确定且类别数确定。

3.2.1 算法描述

步骤1随机选取K个聚类中心点为：μk，μ1，…，μk∈Rn。

步骤2重复下面过程直到收敛。

{对于每一个样例i，计算其应该属于的类：

对于每一个类j，重新计算该类的中心：

}

建构主义理论认为，学习过程是学习者基于一定情境下，结合原有知识经验，通过社会文化互动而形成的学习者主动对新知识建构理解的过程。所以教师创设生动的学习情境，能促进学生进行意义建构。生物知识的故事化，无疑是创设教学情境的一种手段，因为故事具有天然的“情境性”，往往能吸引人，使学生身临其境，全身心投入其中。

3.2.2 算法举例

运用K-means算法将样例“1、2、3、7、10”分成两类。

步骤1在样例最小值与最大值之间随机选取中心点，中心点个数与类别数一致。

在本例中，随机取中心点“6”、“9”。

步骤2计算每个样例到各个中心点的距离，将样例归类到距离最短的中心点。如样例“1”到中心点“6”的距离为5，到中心点“9”的距离为8，所以样例“1”归类到中心点“6”。如此类推，将所有样例进行相同算法判断得，归类到中心点“6”的样例有：“1、2、3、7”，归类到中心点“9”的样例有“10”。

步骤3计算每类所包含的样例的平均值，将其作为新的中心点。对第一类包含的所有样例“1、2、3、7”取平均值，得新中心点一“3.25”，对第二类包含的所有样例“10”取平均值，得新中心点一“10”。

步骤4重复第2、3步，直至中心点不变，则归类完成。

第一类中心点为“2”，归类样例有“1、2、3”，第二类中心点为“8.5”，归类样例有“7、10”，中心点收敛不再变化，归类完成。

3.2.3 算法应用

将K-means算法应用到CDMA基站能效评估项目中，对表5中各款CDMA基站能效综合值进行K-means聚类运算。所有型号基站的能效综合值按高、中、低分成3类后，得到分类的结果如表6所示。

表6 K-means算法下，CDMA基站能效综合值分类

取低、中两类中心值的平均值作为低能效水平的阈值，该值为0.064。能效综合值在阈值水平以下的基站还是：厂商4、厂商5、厂商6。

3.2.4 评估结果

以上两种方法得出的能效综合值低水平阈值分别为0.067、0.064，可以将0.065作为目前技术水平下，CDMA基站的低能效标准准入值。可以看出，厂商4、厂商5、厂商5 CDMA基站能效指标不及格，为低能效基站。各型号基站能效综合值柱形图如图5所示。

3.3 CDMA基站能效综合值等级划分建议

对于正态分布算法，基站能效水平末位20%对应值作为低能效阈值，求得该值为0.067；居前50%对应值为0.124；居前20%对应值为0.181。

对于K-means算法，取低、中两类中心值的平均值作为低能效水平的阈值，该值为0.064；取中、高两类中心值的平均值为0.139；最高类中心值为0.173。

结合两种算法，综合以上数据，建议将CDMA基站按能效综合值划分为以下3个等级，如表7所示。

图5 各型号基站能效综合值柱形图

表7 CDMA基站能效等级分类建议

4 结束语

本文通过对CDMA基站能耗现状进行分析，结合行业情况，建立了相应的能效评估模型与评估算法，为CDMA基站的能效水平进行分级，并制定相关的低能效标准。为通信运营商在CDMA基站选型及退网等方面的工作，提供节能降耗方面工作的参考和依据。帮助运营商合理制定CDMA基站的节能减排措施，减少网络运营的耗电量，降低成本支出，提高经济效益。

1 中国通信标准化协会.“移动通信设备节能参数和测试方法_基站”国标报批稿，2010