一种基于C-RAN架构的LTE网络能效获取方法

曹桓，周昶，许勇

（中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，成都 610045）

1 引言

爆炸式的数据流量增长导致无线空口带宽和基站数量激增，网络规模持续扩大导致能耗逐年攀升，长期演进计划网络针对无线通信巨大的能耗和潜在的节能空间，提出了“绿色无线通信”的概念，而随着LTE网络的大规模运营，其产生的巨大能源消耗以及对环境的影响越来越引起社会的重视。为应对流量业务的飞速增长，提出了基于云的无线接入网络架构（Cloud-based Radio Access Network，C-RAN），C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和云构架的绿色无线接入网构架。通过基带处理单元（Base Band Unit，BBU）集中设置形成资源池，无线接入点射频单元（Remote Radio Head，RRH）采用分布方式进行部署。

目前第三代伙伴计划协议（3GPP）已进行LTE节能相关的标准化推进工作，R10/R11/R12分别成立了对应的研究项（SI/WI）推进LTE节能相关的技术标准化研究。已有的LTE网络能效评估方法偏重设备能效测算，如欧洲电信标准化协会（ETSI）标准ETSI TS102706V1.3.1和ETSI TS 102 706 V1.2.1，涉及LTE无线接入网络设备的能效评估方法，ETSI标准给出了实验室环境下无线基站(Radio Base Station，RBS）的能效测算方法，但没有给出基于C-RAN架构的LTE网络能效测算方法。

2 现有的LTE网络能效获取技术

在衡量能力效率指标方面，目前最常用的指标是电源使用效率值（Power Usage Effectiveness，PUE），很少从单位流量能耗角度评价网络能效。

LTE网络是基于一定发射功率下完成最大吞吐量指标而设计的，LTE设备器件功耗会随负载情况的波动显著，在网络流量较低的时候，处于闲置状态。目前业内缺少精确评估基于云无线接入LTE网络能效的方法，更没有基于LTE网络子单元基带池（Building Base band Unit，BBU）和各个无线接入点（Remote Radio Head，RRH）的能效状态的评估。因此，一种可以在线部署的实时能效获取评估系统（Online Energy-Efficient System，OEES），对LTE网络子单元基带池BBU、各个无线接入点RRH能效状态进行掌握与评估，对于实施节能技术及优化LTE组网具有很好的应用价值。

3 基于C-RAN架构的能效获取方法

3.1 技术实现方案框架

针对现有技术中的不足，提供一种获取网络能效的方法。如图1所示，实现思路分成3个阶段，分别是收集预设规则的流量、收集预设规则的能耗、根据流量及能耗采用一定的算法进行处理。每个阶段的实现的主要功能分别是：收集预设时隙的流量，接收策略计费单元（Policy and Charging Rules Function， PCRF）根据分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway，PGW）单元预设标记与过滤规则分别采集并上报的无线网络中各网络子单元的实时流量；收集预设时隙发送的能耗，根据预设标记与过滤规则分别采集并上报的各网络子单元的实时能耗；根据流量、能耗以及预设时隙，获取各网络的能效。

图1 技术实现方案框架示意

具体来说，要解决以上的问题，实现上述功能，需要从图1中3个环节着手。收集流量清单，可以在目前策略计费单元PCRF、分组数据网络网关PGW的功能基础上进行改造；能耗的收集，涉及算法的选择和新采集方式的设计；后一个环节，在衡量能力效率指标方面，不是采用目前通常的PUE指标，而是从单位流量能耗的角度进行评价，也涉及算法的设计。

3.2 运行环境及技术实现方案

如图2所示，构造了一个运行环境，并进行能效获取系统的部署。基于云无线接入网络架构的LTE网络将网络分成BBU基带池子单元、RRH接入点子单元。现有能效检测及评估技术没有针对基带池集中处理技术将基带池BBU与无线接入点RRH分开处理，也就是说，当用户端UE1经过接入点 RRH1接入网络，分组数据网络网关PGW按照用户端累计流量，当用户端UE1移动到接入点 RRH2时，PGW仍然按照原来的规则累计流量，PGW只能获取用户端计费流量，并没有按照接入点子单元、基站子单元统计流量，也不能评估BBU与RRH分设场景下LTE网络的能效。

本方法是通过策略计费单元PCRF预先设置标记与过滤规则，如设置分用户端、分RRH接入点标记流量的规则；PCRF单元根据下发的预设标记与过滤规则通知PGW单元，PGW单元根据PCRF的下发指示采集用户端的流量，并把结果发送给PCRF单元。

这样，当用户UE1经过RRH1接入网络时，PGW单元按照PCRF单元的下发标记与过滤规则将该用户端产生流量上报；当用户 UE1移动到RRH2接入点时，PGW单元停止对用户UE1流量的上报，由另一RRH2接入点处理；可以理解的是，当用户UE2接入RRH1接入网络时，PGW单元、PCRF单元的处理方法流程同上，所有经过RRH1的用户个数为u； PCRF单元累计u个用户的流量，形成流量清单，并按照预设时隙上报OEES进行处理，完成所有m个RRH初始流量清单的上报，并且能耗采集单元获取各个网络子单元对应的能耗，形成能耗清单，按照预设时隙上报OEES，OEES根据流量清单和能耗清单计算各个网络子单元的能效以及整体网络系统的能效。

3.3 收集预设流量的方法

如图3所示，收集流量的具体实现方法如下。

图2 运行环境及系统部署方式示意

接收PCRF单元根据预设时隙收集流量清单，实现流程包括预设时隙、预设标记规则、预设过滤规则，PCRF单元根据PGW单元的预设规则分别采集并上报的各网络子单元实时流量。

具体而言，PGW单元根据预设标记与过滤规则分别采集无线网络中各个网络子单元的实时流量，并将采集到的实时流量实时上报给PCRF单元，PCRF单元根据实时流量获取各个网络子单元在预设时隙内的流量，形成流量清单，并上报给获取网络能效的装置。换句话说，预设标记与过滤规则是由获取网络能效的装置预下发给策略计费单元PCRF，再由PCRF单元下发给分组数据网络网关PGW。

图3为收集流量清单方法的流程，具体分为以下6个步骤。

步骤1，OEES进行系统初始化：一方面，OEES确定PCRF预设标记、过滤规则和设置预设时隙δ；另一方面，OEES通知PCRF单元，并将预设标记与过滤规则下发给PGW单元。

步骤2，用户端UE接入网络。

步骤3，PGW单元监测用户端UE接入网络，PGW单元开始按照PCRF下发的预设标记与过滤规则采集接入的各个用户端UE的流量，并实时上报给PCRF单元。

步骤4，PCRF单元累计各个UE在预设时隙δ内使用的流量，记录在流量清单中。

步骤5，PCRF单元按照时隙δ上报流量清单。

步骤6，OEES接收流量清单，完成一个流量实时采集流程。

3.4 收集预设能耗的方法

收集能耗清单的预设规则是与收集流量的预设规划沟通后同步进行的，即接收能耗采集单元根据预设时隙收集的能耗清单，根据预设标记与过滤规则分别采集并上报各网络子单元的实时能耗。

具体来说，是通过一种网络能效处理装置来实现的，技术实现方案由3个功能模块单元组成（如图4所示）：第一接收单元，用于接收PCRF单元根据预设时隙发送的流量清单，流量清单是PCRF单元根据预设标记与过滤规则分别采集无线网络中各网络子单元的实时流量而获得的；第二接收单元，用于接收能耗采集单元根据预设时隙发送的能耗清单，能耗清单是能耗采集单元根据预设标记与过滤规则分别采集并上报的各网络子单元的实时能耗而获得的；处理单元，用于根据收集的流量清单和能耗清单，获取各网络子单元和/或无线网络的能效。

图3 收集预设规则的流量清单方法

图4 网络能效处理装置

而且，针对C-RAN架构，还需要设计一种网络能耗获取系统。如图5所示，该系统包括多个网络子单元：与多个网络子单元通信连接的分组数据网络网关PGW、与PGW通信连接的策略计费单元PCRF以及与PCRF单元通信连接的获取网络能效的装置，还包括与装置通信连接的能耗采集单元。

图5 基于C-RAN架构的网络能耗获取系统

其中，PGW单元用于根据预设标记与过滤规则分别采集无线网络中各网络子单元的实时流量，并发送给PCRF单元。

能耗采集单元用于根据预设标记与过滤规则每隔预设时隙分别采集各网络子单元的实时能耗，形成能耗清单并发送给处理装置。

PCRF单元用于根据PGW单元实时上报的各网络子单元对应的实时流量形成流量清单，并根据预设时隙发送给处理装置。

4 技术方案的算法设计

4.1 流量清单的收集算法

获取网络能效的装置将预设标记与过滤规则分别下发给PCRF单元和能耗采集单元，策略计费单元PCRF接收到预设标记与过滤规则后继续下发给分组数据网络网关PGW。

PGW根据接收到的预设标记与过滤规则分别采集无线网络中接入各接入点RRH的所有用户端的实时流量，并将实时流量实时上报至PCRF单元，各接入点RRH所用用户端对应的流量为：

4.2 能耗清单的采集计算式

能耗采集单元接收获取网络能效的装置下发的预设标记与过滤规则，根据预设标记与过滤规则每隔预设时隙分别采集无线网络中包括的基带池BBU对应的实时自身能耗、实时环境能耗和实时传输能耗以及各个接入点RRH对应的实时自身能耗和实时环境能耗，形成能耗清单，并将能耗清单发送至处理装置形成能耗清单。

网络系统在预设周期内的能耗为：

基带池BBU在预设周期内的能耗为：

其中，EBBU为基带池BBU在预设周期内的自身能耗，EBBU，trans为基带池BBU在预设周期内的传输能耗，EBBU，env为基带池BBU在预设周期内的环境能耗，其中：

其中，T为预设周期， δ为预设时隙， T/δ为整数，n为测试次数为第k个周期第i个时隙采集到的基带池BBU对应的实时自身能耗读数第k个周期第i个时隙采集到的基带池BBU对应的实时环境能耗读数为第k个周期第i个时隙采集到的基带池BBU对应的实时传输能耗读数。各个RRH在预设周期内的能耗为：

4.3 能效处理的计算方法

各个接入点RRH在一个预设周期内的能效为：

其中，EERRH，j为第j个接入点RRH在预设周期内的能效，表示第j个接入点RRH每焦耳消耗下比特流量效率的大小，DVRRH，j为第j个接入点RRH在预设周期内的流量，为第j个接入点RRH在预设周期内的能耗。

基带池BBU在在一个预设周期内的能效为：

其中， EEBBU为基带池BBU在预设周期内的能效，表示基带池BBU每焦耳消耗下比特流量效率的大小，DVBBU为基带池BBU在预设周期内的流量为基带池BBU在预设周期内的能耗。

整个网络系统在预设周期内的能效为：

其中，EE为网络系统在预设周期内的能效，表示网络系统每焦耳消耗下的比特流量效率的大小，DVBBU为基带池BBU在预设周期内的流量，也是网络系统在预设周期内的流量，将基带池BBU在预设周期内的能耗与各个接入点RRH在预设周期内的能耗之和E作为网络系统的总能耗。

5 结束语

本方法提供的一种实时能效评估系统，尤其涉及C-RAN架构下能效获取方法，包括获取的方法及算法原理、实现装置及部署的网络系统。该方法通过分别获取各个网络子单元的流量清单和能耗清单计算网络能效，有别于目前广泛采用电源使用效率值PUE测算能耗的方式，从单位流量能耗角度衡量网络的能效。同时，该方法既可以适用于基带池与接入点分开设置的C-RAN架构LTE网络，也适用于合设的普通LTE网络的能效测算。

未来面向高级计量架构（Advanced Metering Infrastructure， AMI)，将智能电网技术引入到通信领域，对通信机房及电源配套进行模块化改造，是能耗采集算法在应用部署层面的进一步实现，其中一种可编程能耗获取方式将是该领域的研究重点。

[1] 周昶, 曹桓, 许勇, 等. 高海拔寒冷地区LTE接入网能效评估与节能研究[J]. 电信技术, 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, 庄湛海, 倪伟彬. LTE基站能效测试与分析[J]. 电信科学, 2014(9):149-153.