一种基于5G云接入网络架构下的能耗获取方法

 摘要：本文给出一种5G云接入网架构下能耗“读取/获取”的具体方式，通过“采集—存储—读取—计算”几个步骤，新增采集装置、计算装置及数据库几个功能单元，解决了按照预设时间周期，对目标网络子单元进行灵活的能耗读取和获取问题，能够按需、灵活输出云接入无线接入网各子单元的能耗数据。能够配合现有技术，实现CU和DU网络子单元的能效评估。

关键词：5G；云接入网络；集中单元；分布单元；能耗

移动通信系统从第一代开始逐渐发展，目前已经发展到了第五代。2G通信系统采用3级网络架构，3G网络为了节约建设成本，也基本沿用了上一代网络架构。4G时代的到来，基站架构发生了较大的变化，网络架构“扁平化”基本采用分布式结构。为进一步提高5G通信系统的灵活性，3GPP5G基站接入系统仍然采用3级网络架构。相对于4G无线接入网（RAN）的基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构，支持5G新空口的基站可采用集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）3级结构。BBU功能被重构为CU和DU两个功能实体。CU和DU逻辑功能上的分离使无线基站架构可以根据5G业务切片灵活部署，更有效地满足业务需求。CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的2层功能。为节省DU与RRU间的传输资源，部分物理层功能也可上移至AAU实现。

目前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。一般来说，网络能效评价采用电源使用效率值（PUE），缺乏从单位流量能耗角度，即预设时间周期内流量/所述周期内消耗电量评价网络能效的方法。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标准ETSITS102706V1.3.1和ETSITS102706V1.2.1，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（RBS）的能效测算方法，但没有给出基于云接入架构的网络能效测算方法。

一、基于云接入网络架构的网络能效评估系统

一种网络能效的方法、装置及系统（专利申请号201611160457.4）提出了根据流量清单、能耗清单以及预设时间周期，获取C-RAN架构下各网络子单元或无线网络能效的方法。基于C-RAN架构下网络实时能效评估系统（OEES），给出了获取流量清单和能耗清单的方法，也给出了基于“能耗读数”的能耗清单采集及归集计算方法，但没有给出“能耗电量”获取的具体技术实现方式。

目前的网络能耗获取方法主要存在以下两点问题。一是现有能耗获取技术标准都是基于RBS无线基站来实现的，不能区分（基于云接入网络架构下）网络系统子单元的能耗水平。二是该提案中的能耗清单获取方法实现了配合预设时间周期获取能耗，也给出能耗清单的采集及归集计算方法，但没有给出能耗电量的获取的具体技术实现方式。

在现有技术下，获取采集点的能耗电量读数是比较容易实现的，但要配合预设时间周期进行灵活的能耗电量读取及处理，还缺乏现成的技术实现方案。因此，本文提出一种能耗的获取方法，能够配合预设周期，同步获取网络系统或网络系统子单元的能耗电量，以实现对网络的能效灵活评估。

二、基于云接入网络架构下的能耗获取方法

1、方法及流程

为实现配合预设时间周期进行灵活的能耗读取及处理，本方法提供“能耗获取”的3个关键技术实现环节。第一为采集及存储环节，第二为读取及输出环节，第三为上报能耗清单到OEES系统环节，本方法集中在前两个环节，第三环节对接现有技术方案。提供一种基于

C-RAN架构下网络能耗的获取方法，如图1所示，其特征如下。

S10：与OEES系统同步确定采集时隙Δ。依据预设时间周期Td确定初始采集时隙Δ，并存储在采集装置中。所述预设时间周期Td由OEES系统确定后下发，该预设时间周期是和所述OEES系统中流量清单上报周期是一致的。

S20：确认所述初始采集时隙Δ，初始化网络子单元的智能接口。上述两项任务都是通过采集装置中第一处理单元完成的，所述采集装置的初始化还包括在初始采集时隙Δ的基础上进一步确定采集时隙Δ。进一步确定采集时隙Δ的确定方法，是在初始采集时隙的基础上，由本实施案例中网络能耗电量计算装置确定。

S30：采集装置通过高速模数转换器（ADC）同步采样并存储工作电压、工作电流，并传输上报到数据库中形成表单。由采集装置中第一接收单元完成工作电压的接收采集，并按照采集时隙Δ间隔存储。采集装置中第二接收单元完成工作电流的接收采集，按照所述相对应采集时隙Δ间隔存储，并在数据库中形成表单。所述表单是根据初始化网络子单元智能接口ID、所述采集对象网络子单元的工作电压/工作电流等信息，并按照固定时间间隔（采集时隙Δ）存储并上报到数据库中形成的时间序列数据表单。

S40：与OESS同步确定预设时间周期Td序列，并根据所述预设时间周期完成网络子单元能耗计算并输出到OESS系统。按需从数据库表单中读取能耗指标，根据能效评估要求，包括预设时间周期Td和网络子单元，从数据库表单中读取相关指标，通过电量计算处理后输出，发送OEES系统中，形成所需的能耗清单。

2、技术实现方案

本文提供一种基于云接入网络架构下网络能耗的采集装置（如图2所示），其特征如下。

第一处理单元，包含高速ADC模块，完成初始采集时隙Δ的确认和完成智能接口的初始化。高速ADC模块其特征是一种将电压、电流模拟量转换为数字量的装置，完成对电压、电流同步采样的功能。所述初始采集时隙Δ的确认是依据预设时间周期Td确定的初始时隙，或依据电量计算装置确定的采集时隙Δ。智能接口初始化，获取采集对象网络子单元的接口ID、工作电压及工作电流的状态信息。智能接口用以提供工作电压、工作电流、智能接口ID以及通信接口模块，该接口可以设置在网络子单元设备中，也可以设置在开关电源端子处。

第一接收单元即工作电压接收单元，依据初始采集时隙Δ完成所述网络子单元工作电压采集并存储。

第二接收单元即工作电流接收单元，依据初始采集时隙Δ完成所述网络子单元工作电压采集并存储。

第二处理单元即传输上报处理单元，将形成的上报电压和上报电流，按照网络子单元的格式，依据初始采集时隙Δ，上报数据库，形成相应表单。

另外，还提供一种基于C-RAN架构下网络子单元电量计算装置（如图3所示），其特征如下。

数据读取单元，按照需要，包括目标网络子单元ID、预设时间周期Td、采集时隙Δ、评估目标（范围要求、精度要求、时间区间要求等基础参数），从数据库相应表单中读取所述目标网络子单元工作电压、工作电流等指标。

第一处理单元即采集时隙确定单元。按照需要，确定采集时隙Δ。采集时隙Δ的确定，是在初始采集时隙Δ的基础上，综合考虑计算精度，目标网络子单元，通过迭代算法，找到符合需要的采集时隙Δ。初始采集时隙Δ可以由公式Δ=Td/m确定，（其中m=1，2，3，……），m初始值等于N（N可以取一个随机正整数）。

注：初始采集时隙Δ要大于网络控制面最大时延（其中，LTE网络控制面时延为100ms）。

所述预设时间周期Td由OEES系统确定后下发，预设周期Td是和所述OEES系统中流量清单上报时隙是一致的。

第二处理单元即计算处理单元，采集时隙Δ工作电压为U（t)，工作电流为I（t)，则采集时隙瞬时功率为P（t)。

P（t）=U（t）I（t）（1）

则P（t）也可以记为P（n），即P（0)，P（1)，P（2)，…P（k)，P（n）。

从而可通过傅立叶计算FFT等处理，实现电能计量。通过计算后，预设时间周期Td内N个离散采集序列转换为可以计算处理的虚拟有功功率函数P（k），用于计算所述预设时间周期Td内的有功功率。

三、实施案例

1、实施案例1

在5G云接入网络架构下，网络子单元集中单元和分布单元分设，两种之间通过光纤相连，能耗采集方法的结构示意图如图4所示。

S10：与OEES系统同步确定采集时隙Δ。

采集时隙Δ的确定方法，是在初始采集时隙的基础上，由本实施案例中网络能耗电量计算装置确定，根据所述评估精度以及评估目标所需，并根据相应的迭代算法来确定。

S30：接收采集数据、存储并传输上报。该步骤由采集装置来实现，具体完成接收并存储工作电压/工作电流，传输上报到数据库中3项任务。

具体来说，由采集装置中第一接收单元完成工作电压的接收采集，并按照采集时隙Δ间隔存储。由采集装置中第二接收单元完成工作电流的接收采集，并按照所述相对应采集时隙Δ间隔存储。

根据初始化网络子单元智能接口、采集时隙Δ在数据库中形成所述采集对象网络子单元的工作电压/工作电流信息。

S40：与OESS同步确定预设时间周期Td，并根据预设时间周期完成网络子单元能耗测算并输出到OESS系统。该步骤完成3项任务，再一次与OESS同步并确定预设时间周期Td，该同步时隙是和所述网络子单元评估时段和评估目的所确定的，该同步时隙是和所述OEES系统中流量清单上报时隙且一致。在OEES系统中，所有的时隙Δ1都是按照相同的时间间隔的连续时间数列，但按照需要，所述需要可以是评估对象网络子单元的所选择时段，也可以是该网络子单元的评估目的，来确定所述时隙Δ1的具体序列值。

从数据库表单中读取所述网络子单元的能耗指标，所述能耗指标包括网络子单元的工作电压、工作电流，这些工作电压及工作电流是按照所述采集时隙Δ时间序列顺序排列的，即采集时隙Δ工作电压为U（t）工作电流为I（t），则采集时隙瞬时功率为P（t），那么采集时隙内电量表示为EΔ。

EΔ=∫0ΔP（t）dt（2）

进行傅立叶FFT计算后，在预设时间周期Td内N个离散采集序列转换为虚拟有功功率函数P（k），用于计算预设时间周期Td内所消耗的电量。

预设周期Td内的电量E表述为:

E＝Td∑Ni=1p（k）（3）

进而可计算出由1个集中单元、m个分布单元以及相应配套设备组成的所述LTE网络能耗。

E＝EBBU＋∑m

j=1ERj

＋Etrans＋Eenv(4)

其中E为LTE网络能耗，单位为J，EBBU为网络子单元集中单元能耗；ERj为网络子单元第j个分布单元能耗，一共有m个分布单元；Etrans为传输设备子单元能耗；Eenv为环境设备能耗。

根据OEES评估要求，按需从数据库表中读取所述网络子单元的工作电压/工作电流指标，通过电量计算处理后输出，发送至OEES系统中，形成所需的能耗清单。再集合OEES在所述预设周期Td内的流量归集，通过已有能效评估公式，实现单位流量能耗角度（即预设时间周期内流量/所述周期内消耗电量）的评估。

2、实施案例2

如图5所示，在实施案例1提供网络系统的基础上，对采集点获取能耗的方式进行改变，采取直挂“智能电表”的方式获取网络子单元所需时间间隔内的能耗。该验证方法既是本方法所提供能耗获取方法的验证，又是对实施案例1中的所述在初始采集时隙Δ基础上确定采集时隙Δ的方法。

实施验证时，已经获得确定的预设时间周期Td时间序列，以及验证的网络子单元及网络能效评估目标。即已经通过实施案例1中的方法获取了所述网络子单元的能耗、预设时间周期Td、评估目标对应的精度要求等基础参数。

在网络子单元的智能接口端，设置智能电表，该智能电表能够按照预设时间周期获取相应网络子单元的电量信息，并按照预设时间间隔发送给能耗获取单元，并存储在OESS能耗评估系统中。

实施对比。分别从OESS系统中读取实施例2、实施案例1中的各网络子单元能耗，进行对比，并得出误差。

根据精度要求，对比误差，对初始采集时隙进行迭代优化，直到找到符合精度要求的采集时隙为止。

四、结束语

本方法通过“采集—存储—读取—计算”几个步骤，新增采集装置、计算装置及数据库几个功能单元，解决了按照预设时间周期，对目标网络子单元进行灵活的能耗获取问题，能够按需、灵活输出基于云接入架构下各网络子单元的能耗数据。配合现有技术，能够实现网络

子单元的能效评估。同时，该方法具有部署简单、现网改造小、成本低廉、可以按需进行“可编程”式的调整。实施案例提供了一种验证方法，通过迭代学习和调整采集时隙来提高能耗获取精度。

参考文献

[1]曹桓,周昶,许勇.一种基于C-RAN架构的LTE网络能效获取方法[J].电信工程技术与标准化,2018(01).

[2]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(03).

[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(09).

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