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需要多少能量来运行一个无线网络？
GUNTHER AUER，DOCOMO EURO-LABS，慕尼黑，德国
VITO GIANNINI和CLAUDE DESSET，IMEC，LEUVEN，比利时ISTVA”
N GO#39;DOR，爱立信研究，布达佩斯，匈牙利
PER SKILLERMARK和MAGNUS OLSSON，爱立信研究，斯德哥尔摩，瑞典
MUHAMMAD ALI IMRAN，CCSR SURREY，英国
DARIO SABELLA，意大利都灵，意大利电信
MANUEL J. GONZALEZ，TTI，SANTANDER，西班牙
OLIVER BLUME，ALCATEL-LUCENT，斯图加特，德国
ALBRECHT FEHSKE，TECHNISCHEUNIVERSITAuml;T德累斯顿，德国
摘要
为了量化无线网络的能量效率，需要捕获整个系统的功耗。在本文中，讨论了与现有绩效评估框架相关的必要扩展。拟议的能效评估框架（E3F）最重要的附录是针对各种基站类型的复杂功率模型，以及大规模的长期流量模型。基站（BS）功率模型将在天线元件处辐射的小信号收发器射频输出功率映射到基站站点的总供电功率。拟议的交通模型模拟了包括城市和农村地区在内的大地理区域的交通需求的空间分布，以及高峰时段和非高峰时段之间的时间变化。最后，应用能效评估框架来量化第三代合作伙伴计划（3GPP）LTE无线电接入网络的下行链路的能量效率。
为了量化无线网络的能量效率，需要捕获整个系统的功耗。作者讨论了与现有绩效评估框架相关的必要扩展。
介绍
全球移动通信行业正在快速发展。今天，全球移动电话用户数接近60亿，因此这个星球上几乎每个人都使用移动通信。显然，这种增长伴随着移动网络能耗的增加。全球变暖和对环境的高度关注需要特别关注这些系统的能源效率。能量感知无线电和网络技术（EARTH）项目[1]是实现这一目标的共同努力，作为其目标的一部分，开发了一个整体框架来量化能源效率。
最近对包括基站，移动终端和核心网络在内的蜂窝网络能耗的调查显示，蜂窝网络运营所需的大约80％的能量在基站站点被消耗[2]。因此，本工作中提出的能量感知无线电和网络技术能效评估框架侧重于基站功耗。能效评估框架主要基于第三代合作伙伴计划中开发的无线电网络评估方法。最重要的附录是针对各种基站类型的复杂功率模型，以及大规模长期流量模型，允许在大的地理区域和延长的时间段内进行整体能效分析。然后应用能效评估框架以便提供对在代表性欧洲国家内部署的第三代合作伙伴计划长期演进（LTE）网络的基站能量效率的评估。将计算出的长期演进技术能效与已部署网络的能效进行比较。
能量感知无线电和网络技术能效分析的主要发现之一是平均而言绝大部分资源都处于空闲状态，这一事实最近已通过欧洲主要城市真实3G网络的测量得到验证[3]。不幸的是，在低负载下，长期演进等现代系统的能效特别差。这凸显了降低基站功耗的需求，特别是在低网络负载时。
能源效率评估框架
评估无线网络性能的广泛接受的现有技术是在系统级模拟无线电接入网络（RAN）的相关方面。计算结果例如是系统吞吐量，服务质量（QoS）度量以及小区边缘用户吞吐量方面的公平性。为了确保不同无线电接入网络系统仿真工具生成的结果具有可比性，指定了明确定义的参考系统和方案。这是标准化机构广泛共识的结果。
在这个方向上，能量感知无线电和网络技术能效评估框架建立在长期演进技术的第三代合作伙伴计划评估框架之上[4]。能量感知无线电和网络技术能效评估框架，如图1所示，确定了整体能效评估的基本构建模块。现有绩效评估框架的主要改进是：
bull;复杂的功率模型，将天线元件的射频输出功率映射到基站站点的总供电功率（Pin)。功率模型定义了组件和系统级别之间的接口。
bull;长期流量模型，描述一天内的负载波动，并补充统计短期流量模型。
bull;大规模部署模型，可将现有的小规模部署方案扩展到大型地理区域。
渠道
移动
动力模型
输出功率
小规模的短期系统级评估
系统性能
总供电功率
基站
测量的（短期，特定情景）
大规模的区域和长期的交通负荷
全球指标（长期，大规模）
图1.ARTH能效评估框架（E3F）。
小规模的短期系统级评估
统计流量模型（例如，FTP文件下载或IP语音[VoIP]呼叫），以及特定的小规模部署方案（例如：由具有均匀分布的用户的57个六边形小区组成的城市宏小区）构成小规模短期系统级别评估（图1中的底部块）。这些评估由系统级仿真平台执行，由捕获基站功耗的模型增强。
全球能效评估框架
为了将小规模的短期评估扩展到全球范围，涵盖全国范围的地理区域，并且在一整天或一周内，将长期交通模型和大规模部署地图纳入能效评估框架。 如图1所示的网络能效全球评估包括以下步骤：
bull;对所有部署方案进行小规模短期评估，捕获城市，郊区和村庄，以及一组有代表性的网络负载。所收集的品质因数（例如，能量消耗，吞吐量，服务质量）捕获在特定部署中观察到的最小和最大负载之间的范围。
bull;根据每个部署的每日/每周流量配置文件，通过短期评估结果的加权求和来汇总一天/一周的性能指标。
bull;最后，对所考虑的部署方案组合进行加权汇总，得出全球品质因数。
动力模型
基站功率模型构成了组件和系统级之间的接口，可以量化特定组件的节能如何提高网络级的能效。由于输出功率，尺寸和成本的限制，所实现的组件的特性在很大程度上取决于基站类型。这些异构特征要求针对特定基站类型定制的功率模型。
基站电力消耗突破
射频
反
馈
基带
输出功率
功率放大器
总供电功率
射频
图2.基站收发器的框图。
图2显示了完整基站的简化框图，可以推广到所有基站类型，包括宏微，微微和毫微微基站。基站由多个收发器（TRX）组成，每个收发器服务于一个发射天线元件。
收发器包括功率放大器（PA），射频（RF）小信号收发器模块，包括接收器（上行链路）和发射器（下行链路）部分的基带引擎，DC-DC电源，主动冷却系统， 和用于连接电网的AC-DC单元（主电源)。在下文中,分析了各种收发器部件。
天线接口：天线类型对功率效率的影响由一定量的损耗建模，包括馈线，天线带通滤波器，双工器和匹配组件。由于宏基站站点通常是图1.能量感知无线电和网络技术能效评估框架。系统性能小规模短期系统级评估功率模型基站移动信道大规模区域和长期流量负载全局度量（长期，大规模）度量（短期，特定于场景）位于与天线不同的物理位置，需要添加大约馈线损耗(sigma;feed=-3dB)的馈线损耗。可以通过引入远程无线电头（RRH）来减轻宏基站的馈线损耗，其中功率放大器安装在与发射天线相同的物理位置处。同样，较小基站类型的馈线损耗通常可以忽略不计。
功率放大器：通常，最有效的功率放大器工作点接近最大输出功率（接近饱和）。不幸的是，非线性效应和具有非恒定包络信号的正交频分复用（OFDM）调制迫使功率放大器工作在更线性的区域（即，低于饱和度6-12dB）[5]。这可以防止由于非线性失真引起的相邻信道干扰（ACI），从而避免接收机的性能下降。然而，这种高操作回退导致功率效率eta;功率放大器不佳，这意味着功率放大器功耗增加。
数字技术，如削波和数字预失真[6]与Doherty 功率放大器 [5]相结合，可提高功率效率并使功率放大器线性化，同时保持相邻信道干扰的控制。在宏和微基站中，需要对预失真和附加信号处理[6]所需的额外反馈。另一方面，在较小的基站类型中，省略了这种先进的功率放大器A架构，代价是增加了操作后退。事实上，功率放大器占基站总功耗的较小百分比证明功率放大器效率较低。
小信号射频收发器包括用于上行链路和下行链路通信的接收器和发送器。
射频模块的线性度和阻塞要求可能会有很大差异，这取决于基站类型，这会影响射频架构：低中频（IF）或超外差架构是宏/微基站的首选，而更简单的零 - 低中频架构对于微微/毫微微基站是足够的[7]。对射频能量消耗功率影响最大的参数是所需带宽，允许的信噪比和失真比（SiNAD）以及模数转换的分辨率。
基带（BB）单元：基带引擎（执行数字信号处理）执行数字上/下变换，包括滤波，调制/解调，数字预失真（仅适用于大型基站类型），信号检测（同步，信道估计，均衡，射频非理想性的补偿）和信道编码/解码。对于大型基站，数字基带还包括串行链路到骨干网络所消耗的功率。最后，平台控制和媒体访问控制（MAC）操作增加了另一个电力消费者（控制处理器）。
硅技术显着影响基带接口的功耗。通过推断国际半导体技术发展路线（ITRS），将该技术扩展纳入功率模型。国际半导体技术发展路线图预计，硅技术每两年就会被新一代所取代，每次都会使有效功率效率翻倍，但将泄漏乘以3[8]增加的泄漏限制了通过技术扩展可以实现的功率降低。
电源和冷却：DC-DC电源，主电源和主动冷却的损耗与其他组件的功耗成线性关系，可分别用损耗因子sigma;DC，sigma;MS和sigma;cool近似得出。注意，主动冷却仅适用于宏基站，并且在较小的基站类型中被省略。此外，对于远程无线电头，主动冷却也是过时的，因为功率放大器通过自然空气循环冷却。假设基站功耗与收发器链NTRX的数量成比例增长，则在最大负载（其中Pout = Pmax）下基站功耗的分解产生
效率由eta;= Pout/Pin定义，而损耗因子由sigma;= 1-eta;定义。注意，每个发射天线的射频输出功率是在天线元件的输入端测量的，因此天线接口引起的损耗（馈线损耗除外）不包括在功率故障中。可以看出，供电功率线性地与收发器链NTRX的数量（即每个站点的发送/接收天线）成比例。
表1总结了截至2010年各种长期演进技术基站类型的最新功耗。三个扇区被考虑用于宏基站，而全向天线用于较小基站类型。通过在宏基站站点中引入远程无线电头，其中功率放大器安装在发射天线附近，避免了馈线损耗和主动冷却，因此节能超过40％。
基站在可变负载下的功率消耗
在长期演进技术下行链路中，由Pout/Pmax定义的基站负载与所使用的资源量成比例，包括数据和控制信号。更一般地，基站负载还取决于发送的频谱功率密度方面的功率控制设置，其适用于例如长期演进技术上行链路。
|
Macro |
RRH |
Micro |
Pico |
Femto |
|||
|
最大发送端功率 |
[dBm] |
43.0 |
43.0 |
38.0 |
21.0 |
17.0 |
|
|
基站 |
(平均) 功率最大 |
[W] |
|||||
|
20.0 |
20.0 |
6.3 |
0.13 |
0.05 |
|||
|
反馈丢失损耗 |
[dB] |
–3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
回退功率 |
[dB] |
8.0 |
8.0 |
8.0 |
12.0 |
12.0 |
|
|
功率放大器 |
最大功率放大器 （峰值) |
[dBm] |
54.0 |
51.0 |
46.0 |
33.0 |
29.0 |
|
功率放大器效率 |
[%]lt; 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[443441]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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