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摘要：主要介紹了天津聯(lián)通在無線網4G/5G基站能耗管理體系化實踐應用中的分析方法論和工作經驗，包括制定關停策略、實施智能化節(jié)電手段和效果評估等內容。運用物聯(lián)網通信技術，遠程控制智能斷路器執(zhí)行斷開或者閉合指令，形成節(jié)能效果最大化的能耗管理新手段。在保障網絡質量的前提下，減少基站電費支出，提高網絡運行效能。
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概述
移動網絡無線信號覆蓋包括室外宏基站和室內分布系統(tǒng)。每天不同時間段的用戶數(shù)量有差異，尤其是5G網絡的建設初期，在網活躍用戶量少，5G基站設備在凌晨多處于空閑耗能狀態(tài)。許多商超、商務辦公樓宇的室內用戶數(shù)量具有潮汐式變化的特點。這些網絡負荷的變化情況，為閑時關?；驹O備提供了基礎條件。
為落實低碳運營、提高網絡運行效能工作要求，天津聯(lián)通在保障網絡健康運行的同時，擴展降本增效途徑，發(fā)揮現(xiàn)有4G/5G基站高度智能化的優(yōu)勢，運用網優(yōu)平臺的大數(shù)據(jù)，深度挖掘現(xiàn)有KPI指標與用戶感知波動關聯(lián)性，探索建立節(jié)電體系。
節(jié)電體系是開展節(jié)電工作各環(huán)節(jié)的綜合體，包括掌握不同基站設備的能耗、獲取和分析無線網基站運行指標數(shù)據(jù)、根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果制定不同基站場景的節(jié)電手段和關停時間。
其中數(shù)據(jù)分析是基礎，用于篩選基站業(yè)務負荷在不同時間段的變化趨勢，根據(jù)變化趨勢預測有用戶和沒有用戶的時間段，將基站可節(jié)電時間段分為有用戶的自主節(jié)電時間段和沒有用戶的定時關停任務時間段。在節(jié)電實踐中，數(shù)據(jù)分析的粒度從初期的天和小時級別，提升到15min級別。能夠更加貼近用戶，降低定時關停任務對用戶的影響。
節(jié)電方式有軟關斷節(jié)電技術和硬關斷節(jié)電技術，軟關斷是無線網設備自身的軟件節(jié)能技術，包括符號關斷、通道關斷、載波關斷以及小區(qū)閉鎖和深度睡眠。硬關斷是在基站設備的供電線路上安裝供電控制開關，有可以聯(lián)網遠程控制分閘合閘讀取電壓電流數(shù)值的智能關斷開關，還有定時器開關等。依據(jù)基站業(yè)務負荷變化趨勢的分析結果，在每天的自主節(jié)電時間段和定時關停任務時間段，采取不同的節(jié)電技術，達到保障網絡健康運行，為用戶提供優(yōu)質通信服務的同時，降低基站設備的能耗。
確定基站設備采用哪種節(jié)電方式和定時關停任務的時間稱為輸出節(jié)電策略。天津聯(lián)通在節(jié)電實踐中，探索實施組合的節(jié)電策略。即所有基站全天開啟符號關斷節(jié)電方式，在結合設備型號支持節(jié)電功能的基礎上，對覆蓋商業(yè)街、大型商超的4G多通道基站部署了通道關斷節(jié)電方式。對覆蓋地鐵、高校、大型場館的4G多載波基站部署了載波關斷節(jié)電方式。在預測沒有用戶的時間段，5G基站有2種節(jié)電方式，一種是深度睡眠節(jié)電，另一種是智能關斷節(jié)電，選擇哪種方式取決于是否基站安裝了智能關斷設備。
智能關斷設備可以根據(jù)在網用戶數(shù)量靈活調整基站發(fā)射功率，當大量用戶使用網絡時，基站滿功率發(fā)射；當少量用戶使用網絡時，自主降低基站發(fā)射功率，增加基站設備低功耗運行時間。預測沒有用戶使用網絡的時間段，5G基站執(zhí)行定時關停任務。此時，用戶的手機自動脫離5G網絡進入4G基礎層網絡，此時覆蓋區(qū)域內用戶少，4G基礎層的網絡能夠滿足用戶的需求，從而使5G設備處于低功耗運行狀態(tài)，達到節(jié)電目的。
圖1節(jié)電時間段能耗變化對比
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實施基站節(jié)電的難點分析
截至2021年10月份，天津聯(lián)通在網4G基站小區(qū)數(shù)量達9.2萬，5G基站小區(qū)數(shù)量達1.3萬，每天的小時粒度數(shù)據(jù)量達250多萬條。如果沒有程序運算，就不能有效及時更新基站的忙閑時間，不能為實施定時關停任務決策提供依據(jù)。
此外，無線網覆蓋范圍廣，易受天氣、節(jié)假日、突發(fā)事件等環(huán)境因素影響，主管人員必須時刻關注網絡環(huán)境變化，參考網絡指標數(shù)據(jù)，及時調整節(jié)電策略。再次，增加智能關斷節(jié)電設備后，增加了故障點，增加了維護工作量，需要及時將設備狀態(tài)納入日常的監(jiān)控管理。最后，基站和室分的供電環(huán)境各不相同，需要物業(yè)協(xié)調的站點多，增大了安裝智能關斷設備、定時器開關的施工難度。
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無線網基站節(jié)能體系化實踐
運營商不能為了提升網絡運行效能降低網絡覆蓋質量，需要通過精細的節(jié)電管理，做到節(jié)電不斷網，降低對用戶的影響。在實踐中，發(fā)揮中國聯(lián)通多載波基站重疊覆蓋的優(yōu)勢，確定可以實施節(jié)電的基站。在設備定位分析、用戶行為分析、科學預測關停時間基礎上，綜合運用多種節(jié)電方式，在保證網絡質量和用戶感知的前提下，減少基站空載時間，達到低碳網絡運營的目標。
3.1.基站設備分析
3.1.14G基站網絡分層
實施節(jié)電必須要了解基站設備和無線網絡架構，從而掌握實施節(jié)電后對用戶的影響有多大。天津聯(lián)通創(chuàng)新地把4G基站按頻段和覆蓋能力劃分為基礎層、覆蓋層和容量層?？紤]不同頻率基站設備的覆蓋穿透能力，規(guī)定L900M是網絡的基礎層，市區(qū)L2100M是網絡覆蓋層，因為大部分2100M是3G/4G共模設備，需要滿足語音服務和基礎數(shù)據(jù)業(yè)務；郊區(qū)L1800M穿透力強，覆蓋范圍廣，是網絡覆蓋層，這些僅部署符號關斷節(jié)電方式，不能實施定時關?；镜墓?jié)電方式。
通過以上設備定位分析，確定市區(qū)的L1800M、郊區(qū)的L2100是網絡容量層，不僅可以部署軟關斷節(jié)電，也可以根據(jù)業(yè)務量預測結果在定時關停任務時間段部署小區(qū)閉鎖或者硬關斷節(jié)電，降低基站設備能耗。
3.1.2室分設備分析
室分用戶行為呈現(xiàn)規(guī)律的潮汐現(xiàn)象。在室分設備低負荷運行時，可以部署定時關停任務降低設備能耗。在節(jié)能實踐中，因為用戶在室內使用網絡時對對網絡的語音質量和網速比較敏感，為避免用戶投訴的負面影響，需要分析連續(xù)一周的室分業(yè)務量指標，預測準確的無用戶時間段(見表1)。
表1室分設備空閑時間分析
3.2.預測關停時間
能耗管理需要掌握4G/5G基站小區(qū)的工參表、覆蓋場景類別等資料。篩選分析4G/5G基站小區(qū)的KPI指標在各時段的數(shù)值，以預測無用戶時間段。數(shù)據(jù)指標包括小區(qū)內的最大用戶數(shù)、下行PRB平均利用率、空口下行業(yè)務字節(jié)數(shù)等主要指標。每天的數(shù)據(jù)量超200萬條，依靠手工方式不能完成。
天津聯(lián)通依托IT自研開發(fā)能力，在無線路測智能分析系統(tǒng)中研發(fā)了“可關停節(jié)能小區(qū)分時表”程序。通過后臺數(shù)據(jù)計算，預測基站設備的定時關停任務時間段，給制定節(jié)能策略提供了關鍵參考。
在自研過程中，初期設想利用Python腳本語言每天自動獲取基站能耗數(shù)據(jù)，并通過人工制定的規(guī)則編寫算法規(guī)則，利用python自動化處理每個小區(qū)的節(jié)點方案，試行一段時間后，發(fā)現(xiàn)此種方法會固化判定方式，不能及時根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)及時調整節(jié)能策略，后選取大數(shù)據(jù)AI智能判斷方式，基于時間序列的節(jié)電算法，按照時間維度對節(jié)電小區(qū)的數(shù)據(jù)進行分析，將采集到的基站的耗電量數(shù)據(jù)進行清洗、預處理之后，分為周期性的規(guī)律模型、趨勢性的指標模型以及發(fā)生節(jié)假日、風俗等隨機性模型，再將3個模型進行融合，設計出時序策略算法，對影響小區(qū)能耗的基站數(shù)據(jù)、小區(qū)資源數(shù)據(jù)、小區(qū)感知數(shù)據(jù)、MR覆蓋、投訴告警等進行綜合分析，篩選出與能耗關聯(lián)度較高的數(shù)據(jù)，通過算法迭代更新，輸出節(jié)電算法模型。
在數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計與分析的實踐中，會遇到某個時段缺失數(shù)據(jù)，這在大部分數(shù)據(jù)分析應用中都很常見。需要用到Python的pandas工具來處理缺失數(shù)據(jù)，并通過布爾型索引過濾缺失數(shù)據(jù)。
3.3.節(jié)電方式與實施
3.3.1符號關斷、載波關斷和通道關斷
符號關斷是針對LTE發(fā)送數(shù)據(jù)的不同符號進行的，對不發(fā)送數(shù)據(jù)的符號進行關閉，可以有效降低功耗。該功能對網絡沒有影響，且全天可生效，節(jié)能效果較好?；鞠到y(tǒng)根據(jù)自身業(yè)務情況進行判斷，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時關閉PA。
通道關斷是針對多通道的LTE載波，在閑時用戶少的時候，可以關閉一半的通道數(shù)，降低功耗。由于關閉通道后會影響業(yè)務速率和覆蓋效果，因此會進行一系列判斷，避免對網絡產生影響。設備門限參數(shù)包括上/下行RPB利用率門限、上/下行RPB利用率偏置、用戶數(shù)量、判斷周期和保護時間等。
天津聯(lián)通在能耗管理實踐中，將LTE載波上/下行PRB利用率門限設置為10%，將偏置設置為20%，將判斷周期設置為20s，將保護時間設置為開啟后30min內不可關閉。
載波關斷是雙頻組網時，2個頻段的載波共同覆蓋一片區(qū)域(同經緯度和方向角)，當話務量低時，該覆蓋區(qū)域的話務可以由低頻單一載波吸收，此時可以關閉高頻載波，達到節(jié)省靜態(tài)和動態(tài)功耗的目的。
天津聯(lián)通在實踐中，將LTE載波上/下行PRB利用率門限設置為14%，將偏置設置為6%，將判斷周期設置為5s。將保護時間設置為開啟后30min內不可關閉。
3.3.2小區(qū)閉鎖和深度睡眠
小區(qū)閉鎖(華為網管指令名稱為去激活)和深度睡眠是無線網設備自身的軟件節(jié)能技術。小區(qū)閉鎖用于4G基站設備節(jié)電，深度睡眠用于5G基站節(jié)電。通過華為和中興網管軟件控制定義機制，執(zhí)行閉鎖的指令和休眠開關。開啟小區(qū)閉鎖和深度睡眠功能后，基站不能為用戶提供通信服務。
實踐中要校驗執(zhí)行小區(qū)閉鎖和深度睡眠功能后是否成功。每天定時任務結束后，需要查詢網管告警，檢查是否有未恢復業(yè)務的基站。
3.3.3智能關斷
智能關斷是物聯(lián)網定時開關，可遠程設定自動關斷和開啟時間，設定的時間可靈活修改、支持多個時間段關停策略，可實現(xiàn)對機房的能耗智能監(jiān)測、用電管理及遠程控制，在線路和設備發(fā)生過載、短路的情況下對線路和用電設備進行保護。
智能關斷設備架構包括網管平臺、基站側的物聯(lián)網網關和智能開關。網管平臺開通VPDN數(shù)據(jù)專線業(yè)務，經集團物聯(lián)網平臺，保持與基站智能關斷網關的通信傳輸，也有的智能關斷產品將物聯(lián)網網關與智能開關集成在一個物理元件內。
5G基站有3個扇區(qū)，每個基站安裝1個網關和3個智能關斷開關，網關管理智能關斷開關，每個智能關斷開關控制1個扇區(qū)設備的供電。通過智能關斷網管可分別控制每個智能關斷開關，包括合閘、分閘、定時分閘、定時合閘、查詢能耗實時信息等。每個扇區(qū)單獨控制供電，在實踐中可以按扇區(qū)設置不同的關停時間。
智能關斷節(jié)電設備增加了故障點和維護工作量，需要及時將智能關斷的設備狀態(tài)納入日常監(jiān)控和故障管理。
2021年，天津聯(lián)通已完成4272臺5G基站智能關斷設備安裝，在節(jié)電時間段內的節(jié)電率100%。單站每天的節(jié)電量8.75kWh。全部投入使用后，每月可以節(jié)省電費96萬元。
3.4.節(jié)能經驗總結
符號關斷節(jié)電技術對用戶無影響，可以選擇全天部署使用。小區(qū)閉鎖和深度睡眠節(jié)電實施后用戶不能使用網絡服務。新建基站入網即開啟符號關斷和深度睡眠功能。其次，安裝智能關斷設備是一項改造工程，各部門員工應上下一心，主動協(xié)調物業(yè)、鐵塔公司等部門為施工創(chuàng)造便利條件，同時應制定嚴格的安裝工藝標準。在制定關停時間策略時，要注意錯峰下電時間，即5G基站不能在同一時間內下電，否則會使5G用戶集中遷移到4G網絡，導致核心網側數(shù)據(jù)異常。
天津聯(lián)通節(jié)能實踐工作成果體現(xiàn)在以下幾方面。
a)自主研發(fā)KPI數(shù)據(jù)分析程序，輸出可關停節(jié)能小區(qū)分時表。
b)創(chuàng)新將4G網絡分為基礎層、覆蓋層、容量層，對容量層基站的預測無用戶時間段設置定時關停任務。
c)搶抓5G網絡建設初期的時間點，快速安裝和實施智能關斷節(jié)電，節(jié)省電費支出。
節(jié)電工作經濟效益顯著，測算2021年1月到6月的節(jié)能收益達622萬元，具體如表2所示。
表22021年上半年節(jié)電收益測算
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結束語
天津聯(lián)通在保障網絡健康運行的同時，提升網絡運營能力，主動擴展降本增效途徑。發(fā)揮4G/5G無線網主設備自身軟件節(jié)能技術優(yōu)勢，將符號關斷、通道關斷和載波關斷節(jié)電方式部署在自主節(jié)電時間段；依靠自主研發(fā)能力，開發(fā)“可關停節(jié)能小區(qū)分時表”程序，為實施定時關停任務節(jié)電策略提供數(shù)據(jù)支撐；在5G基站節(jié)電中，勇于嘗試，在行業(yè)內率先安裝物聯(lián)網智能關斷節(jié)電設備。通過打造節(jié)電體系，減少了電費成本支出，不僅為公司發(fā)展做出了貢獻，并且將節(jié)能減排建設低碳型社會的要求落到了實處。
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▍作者簡介：王金明，畢業(yè)于天津市委黨校，學士，工程師，目前主要研究無線網基站能耗評估、基站節(jié)能降耗管理及執(zhí)行、節(jié)能降耗設備驗收接維標準制定。
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