面向未来的绿色演进

添加人：admin 发布时间：2009/10/24 14:44:06 来源：中国动力设备网

 
 
近几年，移动通信市场发展迅速。在2007年，移动用户增长了25.9，从1月份的25亿增加到12月份的32亿。 　　在所有的空中链路技术中，HSPA/HSPA+用户数在2007年由于基数小，增幅大，达800.7。WCDMA和CDMA2000 EV-DO用户数增长较为接近，约为80。CDMA2000和CDMAOne的增长率小，为6左右，目前在拥有的用户数已累积至大约三百万。总之，移动市场仍处于快速增长期。 　　In-Stat预测在接下来的五年，移动市场的3G/4G用户数(即WCDMA/HSPA、CDMA2000 EV-DO、TD-SCDMA、移动WiMAX和LTE用户)将继续保持健康增长的趋势。In-Stat预测到2012年底，大约将有9.65亿3G/4G用户，而移动用户总数将增长到40亿，其中310万为LTE用户。 　　让我们转而看一下CDMA新增市场的供应商表现。主要移动设备供应商总共大约有104个新增CDMA2000 EV-DO合同(不包括网络扩容)，其中华为占有40.4的大市场份额，有42个新增合同。WCDMA合同包括HSPA合同，而CDMA2000 EV-DO包括EV-DO R0和Rev. A。 　　由于移动基础设施的昂贵投资，降低总体拥有成本(TCO)是所有运营商面临的重大挑战。CAPEX包括设备、配套、天线、站点获取等等。作为TCO中的一个重要组成部分，OPEX可被分解为运营、站点租用、线路租用、功耗等等。因此绿色理念对于运营商而言，不仅是一种社会责任，也是节约成本的有效手段之一。 　　全生命周期的绿色通信 　　在介绍“全生命周期的绿色通信”概念之前，我提一个问题。功耗来源于哪里？在移动通信系统，有三个主要功耗因素：主设备、配套设备、其它组件。主设备指BTS，其功耗取决于设备数量和网络负荷。配套设备主要指空调。基站设备对环境温度、湿度和洁净有一定要求，以确保电信设备的正常运行。空调占了总功耗的一大部分，平均值约为总功耗的50。其它功耗成分来自配电系统等等。 　　实际上，能耗可被换算成二氧化碳排放量。1千瓦时约等于0.658Kg二氧化碳排放量。除了与基站设备运行密切相关的能耗外，其它资源和材料的使用也可换算成二氧化碳排放量，比如用于建造基站的水泥钢材和基站占用的土地。假设一个正常基站可使用5年，总二氧化碳排放量为211吨。在所有的影响因素中，主设备占了总二氧化碳排放量的30.9，而土地使用占了0.3。 　　根据对二氧化碳排放的分析，节能减排的关键应从四个方向着手：个是提供能效高的设备。这是供应商责任，他们的设备应该高效工作。第二个是高效的冷却方案，即减少冷却能耗和提高电信设备耐热能力，这样设备可工作在室温或更大湿度环境中。第三个方向是使用高集成度或分布式方案来减少基站占用空间。后，我们应该充分利用可持续绿色能源如太阳能和风能。 　　“全生命周期的绿色通信”这一概念得到我们采访过的供应商和运营商的广泛认同。绿色目标不是只与运营相关。相反，它与能耗密切相关，而能耗又与所有过程相关，比如需求、设计、研发、组件采购、生产、供应链、开局、运行和利旧。 　　不同流程可应用不同的方案，以使网络更加环保。比如，在设计和研发流程中，供应商可采用新技术如分布式系统和先进功放使设备更有能效。组件采购主要涉及原材料和化学品。 　　国际上有若干组织专门致力于绿色网络和绿色电信工作。比如，国际电信能源会议(INTELEC)是一个年会，它检查和分析电信能源系统和相关电源处理设备和电路的新进展。会议中提交的技术论文就包括功率电子学和电信电源系统的研究和新进展。 　　2008年4月15日，ITU-T总裁Malcolm Johnson先生宣布，他们计划四年内在信息和通信技术(ICT)领域达到15的节能目标。 　　运营商的绿色理念 　　在此我介绍一个案例，是关于Vodafone战略和行动的。我们可以从中了解到运营商绿色理念的一些线索。 　　绿色战略 　　Vodafone主要从下面七个方向制定环境保护的绿色战略：利旧和循环使用、能源使用和气候、运输、水、顺从性、废物、臭氧消耗。 　　绿色行动六步法 　　对于能源使用优化，Vodafone采取绿色行动六步法。步是设定绿色目标。Vodafone成立了能源管理组(GEMT)，专门负责实施节能战略。开始时，能效目标由大部分本地运作公司制定。目标必须由本地运作公司首席执行官批准，由GEMT审议。英国Vodafone是个制定降低能耗目标的运营商。其计划是从2005年到2009年减少12.5的能源使用。 　　第二步是能源审计，即Vodafone本地公司监督能源使用并找到优化能源利用的合适途径。以匈牙利Vodafone为例，2006-2007年监督了40个不同站点的能源使用，以找到降低能源消耗的方法。检测到大约4000个多余的收发器，其中1300个已被移走，其余2700个已被锁定。 　　第三步，在降低空调需求方面，Vodafone的战略是安装“自然冷却”设备——利用新鲜空气来冷却网络设备的系统——作为新基站的默认配置，从而减少对高能耗空调的需求，每年每基站可节省16,000度电。Vodafone在德国、希腊、爱尔兰、西班牙的200多个基站安装了自然冷却系统。 　　Vodafone节能措施的另外三个步骤是：采用先进技术、智能能源管理、替代能源。Vodafone正积极与设备供应商一起提高网络设备的能效。重点是网络设备的两个关键部分：功放和射频远端模块。在西班牙，Vodafone主供应商的功放平均能效从2004年的9逐步提高到2006年的15。射频远端模块把在基站下的功放迁移到了天线附近。 　　绿色目标 　　蜂窝基站的二氧化碳排放量与业务增长成正比。Vodafone的目标是在2011年前提高语音和数据传输的总能效，减少40的每单位(Mb流量)数据传输对应的网络二氧化碳排放量。 　　绿色基站技术 　　移动通信方面有八大关键绿色技术：先进功放、智能电源管理、多载频技术、分布式基站、IP组网、智能站点方案、替代能源、统一架构。这些技术广泛地被供应商和运营商所接受，比如像我们采访过的Vodafone和中国移动。 　　通常，一个基站系统由基带单元(BBU)和射频远端模块(RRU)组成。BBU和RRU分别用于处理基带信号和射频信号。在分布式基站，BBU可通过光纤连接一个或多个RRU。分布式基站的大好处是RRU可部署在室外，而BBU可放在中央或由不同RRU共享。分布式基站极大地降低了BBU设备所需空间，小化传输损失，减少了对冷却设备的需求，因此降低了功耗。 　　与老式平台相比，统一架构可提供更高稳定性、可靠性，优化功耗。基于统一架构，可搭建不同系统，如GSM、UMTS、CDMA、WiMAX、LTE、UMB。而且，统一架构可在同一平台通过软件升级使2G网络平滑演进到3G网络。 　　电信供应商热衷于使用替代能源来为他们的基站服务，比如太阳能板、风力发电、燃料电池。1)他们采用新绿色能源帮助他们达到减耗目标，2)他们利用本地丰富资源，比如沙漠地区丰富的太阳能。通常运营商优选混合方案。比如当阳光或风力不够时，可采用燃料电池来提供电源。以普通基站为例，通过使用替代能源，功耗不足1000W，每年每基站节省5.69吨二氧化碳排放量。 　　In-Stat对运营商八大关键绿色技术评估的分析表明，IP组网、分布式基站、先进功放是实现总体绿色目标的三个关键的因素。 　　移动供应商的能力比较 　　In-Stat发调查问卷给几个运营商，调查他们对基站供应商在八个绿色技术方面表现的评估：先进功放、替代能源、智能站点方案、IP组网、分布式基站、多载频技术、智能电源管理、统一架构。0到5分用于评估各个供应商的优势。结果如图1所示。 　　图1 不同基站供应商的能力比较 　　根据调查结果，华为在IP组网、分布式基站、高效能功放方面有优势；Ericsson在智能站点方案、替代能源、多载频方案方面被运营商看好；Nokia Siemens Networks则具有多载频技术优势。 　　作者简介： 　　李敏为In-Stat China电信研究总监，负责电信网络领域的市场研究和分析，提供电信领域新技术、新市场的分析观点和研究报告。研究范围：固网移动融合，IMS，运营商基础网络，企业接入网，VoIP及相关应用，无线局域网，WiMAX，以及新的网络技术。 　　CDMA新特性 　　文/高通 Y.S. Rao 　　不断演进的CDMA2000为我们带来了新的技术和芯片。运营商现在无需大量投资基站的建设或增加频谱资源，就可以采用创新的技术来提高网络容量。 　　3GPP2 CDMA 2000目前处于EV-DO Rev. A阶段；一些运营商如Sprint正将网络升级到EV-DO Rev. B。CDMA2000 1x引入了很多新技术来改善语音质量和系统容量。目前，一个扇区或载频可以承载45个呼叫；业界正在研究在不增加频谱和基站数量的情况下，把每扇区或载频的呼叫数提高到80个以上。CDMA DO Advanced将演进为超移动宽带(UMB)，包括Pre-UMB和Post-UMB。但UMB目前还没得到主流运营商的青睐，它的发展也将取决于运营商如KDDI和Verizon的态度。 　　创新技术 　　以前运营商可能抱怨CDMA不能实现一些GSM可以提供的功能。为了解决这个问题，我们做了一些技术改进，其中包括移动设备标识(MEID)、会话计时器、群发短信功能和代码拨号等。 　　CDMA的MEID作了什么改进呢？类似于GSM国际移动设备标识(IMID)，CDMA移动终端标识称为电子序列号(ESN)。ESN由8位制造商前缀，24位手机标识组成。过去人们根据先进移动电话系统(AMPS)计算，认为1600万个制造商代码已经足够了。但是现在已经有3000多万个制造商代码，32位的ESN已经不够容纳所有的制造商代码和分配每个终端的标识。因此，我们从新芯片6025开始使用56位的DSN。 　　每个系列的芯片都不同。CDMA芯片型号包括3000 - 5000系列、CDMA2000 1x 6000系列、7000系列和9800系列。因此，运营商在采购时需要注意。 　　引入新的芯片后，终端和其它网络基础设施可能会不兼容。2006年底以后生产的所有芯片都支持新的MEID，运营商在设备采购时应指定手机芯片型号。例如，新芯片QSC1100支持450MHz和800MHz；其它芯片则支持800MHz和1900MHz。运营商的网络应同时支持原有的手机和新手机。 　　另一个问题关于会话计时器。在CDMA网络，当主叫拨号呼叫时，会话计时器开始计时；而在GSM网络，只有被叫接通电话后，计时器才开始计时。这给使用会话计时器计费的CDMA运营商带来了麻烦。为了解决这个问题，新的CDMA芯片使用经过改进的会话计时器。运营商现在可以使用原有的计时方式或使用像GSM一样的计时方式。过去运营商可能会被用户诘难：“我不想使用CDMA，因为即使不通话，也得支付更多的话费。”现在这个问题已经解决了。印度和孟加拉的运营商已经开始使用新的会话计时器进行计费。 　　CDMA的另外一个问题是群发短信，即基于扇区ID或交换机ID群发短消息。群发短信在发送广告、天气预报、交通情况、紧急消息等方面有明显的优势。由于缺乏供应商支持，CDMA2000不支持群发短信功能。随着宽带终端和基础设施的完善，CDMA2000 1x实现了群发短信功能。根据美国和其它国家的运营商的经验，群发短信功能也提高了WCDMA的效率。 　　后一个问题是代码拨号。美国原有的CDMA系统不支持代码拨号。用户必须拨打接入码，如000接入非洲或011接入美国，但用户在国际漫游时可能不知道接入码。我们现在从标准层面和网络层面解决了这个问题。标准层面的解决方案基于IS 875，这是好的方案；手机层面的方案是在手机中提供IAC码查询表，这可以作为过渡方案。 　　提升容量 　　在不增加频谱资源的情况下，运营商如何提高网络容量呢？CDMA和GSM主要有两个提升系统容量的方法。一是获得更多频谱资源，二是增加基站或扇区。提高网络容量的主要技术包括高通线性干扰抵消(QLIC)、EVRC-B (4GV)、无线分集接收(MRD)和基站四向接收分集(4-Way Rx Diversity at BTS)。大部分CDMA系统的容量受干扰的影响，而不是受物理资源如基站和终端的影响。 　　CDMA系统容量包括前向链路容量和反向链路容量。影响前向链路容量的干扰主要来自相同扇区和邻近扇区的移动呼叫用户。如果扇区内外的干扰可以通过手机信号处理单元进行抵消，那么前向链路容量就可以相应的提高。 　　QLIC芯片可以将CDMA2000 1x的前向链路容量多提高25。提高的容量与新手机的数量成正比。如果网络中所有旧手机都替换为新手机，运营商的网络容量可以提高25。如果网络中有10的新手机和90的旧手机，新增容量不会达到25，但扇区的容量会相应地增加。 　　虽然Rev. 0和Rev. B使用两个天线提供数据服务，但旧式CDMA手机通常只有单个天线；数据卡和Dongles也没有两个天线。而MRD终端和交换盒分别内置一个天线；CDMA2000 1x Advanced的所有手机都会有两个天线，这也是CDMA2000 1x的标准特性。 　　4GV终端已经可以在兼容EVRC-B (4GV)的网络上使用了。与EVRC相比，EVRC-B (4GV)能将语音容量多提升40。在印度，运营商发现10的用户占用了90的网络资源。通过将那些过度占用网络资源的用户的手机替换为4GV手机，运营商可以让其他用户享有更多的网络资源，但不必将所有旧手机替换为新手机。 　　在郊区或农村地区，运营商可以使用前向链路分集和反向链路分集来提高网络容量。如果是反向链路而不是前向链路的干扰限制了容量，运营商可在基站使用前向链路分集来提高反向链路容量。运营商也可使用基站四向接收分集(4-Way Rx Diversity at BTS)和1/8速率业务信道选通(1/8 rate traffic channel gating)来提高覆盖。 　　不同系列的CDMA芯片可以满足不同运营商的需求，但注意5000系列的芯片不能帮助运营商提高网络容量，如5010和5015。通过EVRC-B (4GV)、QLIC、QLIC+4GV、MRD+4GV等技术，CDMA前向链路容量可以提高到每扇区65个呼叫，反向链路容量则可以提高到每扇区52或55个呼叫。受到反向链路的限制，大多数网络的容量为每扇区52或55个呼叫。 　　EVRC扩容并不意味着质量下降。通过降低比特率来保证质量，扩容可以保证相同的平均评定得分(MOS)。EVRC-B (4GV)的原理也一样，即通过降低比特率和改进算法来保证语音质量。 　　实际上，运营商可以设置网络的比特率。在GSM和UMTS网络，运营商可以设置AMR值为5.9、7.9或12.2。在4GV CDMA网络，运营商也可以设置平均比特率。如果希望得到更大的容量，运营商可以降低平均比特率。要实现这些功能，运营商只需在手机和网络中设置相应的可执行代码。 　　总之，运营商应该明确自己的手机需求，并考虑未来几年网络容量的发展。同时，运营商应该使用新芯片、EVRC-B(4GV)和其它干扰抵消技术。通过适当的网络改造，运营商可以确保网络基础设施与新技术兼容，并逐步把原有的手机更换为新手机。建设网络和发展用户需要好几年时间，彻底的改变也不可能在短时间内完成。 　　作者简介： 　　Y.S. Rao是高通副主席，负责CDMA接入网规划、安装和运营支持。在CDMA领域有10多年的经验，在无线技术方面有30多年的经验。 　　绿色演进战略与实施 　　文/Waqas Malik 　　为什么需要绿色演进？ 　　目前，移动通信产业开始推行绿色环保理念，CDMA面临一波的变革。CDMA运营商正在面临和将继续面临的大挑战是其网络所导致的负面环境影响。大量组织和机构均在强调这一问题的重要性，比如ETNO(欧洲电信网络运营联合会)和WWF(世界自然基金会)，已经制定出了路标来减少CO2排放量。他们设定了2010和2020年目标，其中2010年目标是将CO2排放量减少5千万吨。 　　随着每用户平均收入(APRU)的降低和能源价格的上涨，减少总体拥有成本(TCO)对于CDMA运营商的生存至关重要。为了进一步分析此概念，让我们分析网络的投资成本(CAPEX)。在发展中国家，基站成本只占一个站点CAPEX的30，而在欧洲和其它发达国家，对应的CAPEX是15。减少站点相关配套设备可直接降低CAPEX，而减少运营过程中的能耗，可显著降低OPEX。通过分析运营环节的功耗，我们发现基站能耗大约占整个网络能耗的80。基站设备和空调能耗占一个站点总能耗的93，所以，基站及其相关配套设施在降低整个网络能耗及TCO的过程中还有巨大的潜能。 　　概括客户的所有需求，我们得到的结论是：我们需要绿色演进，这可降低能耗、减少负面环境影响、减少CAPEX和OPEX。 　　华为的绿色演进战略 　　华为端到端(E2E)绿色演进战略包括先进的绿色CDMA产品设计、创新的站点相关配件、集中的运行和维护。实施E2E绿色的演进，客户不仅可降低运营网络的CO2排放量，更重要的是大幅降低TCO。 　　绿色的产品设计 　　华为选择了CDMA产品生命周期的绿色策略，并严格符合业界的环保组织要求。这包括降低CDMA产品在研发、原料采购、生产、测试、交付、循环和利旧等方面的CO2排放。 　　华为CDMA产品特征是高度创新的产品设计，分布式体系。所有新产品都基于模块化设计，即所有产品只包括三种模块：射频远端模块(RRU)、基带单元(BBU)、CDMA射频单元(CRFU)。这些产品特征是占用更小地面面积、重量轻、带１类保护。所有室外单元，包括BTS3606AC和RRU，均符合IP55或IP65。由于采用模块化设计，替换损坏单元变得简单化，可极大地降低维护成本，并使得备件储存、获取、运输变得非常方便。而且，RRU模块没有风扇，只依赖于自然冷却，从而具有高的可靠性，低的维护成本。 　　在都市和城区建网时，有一个难题是站点的获取。华为基站的结构具有高的环境容忍度，适用于所有安装场景。这种创新结构使很多任务变得简单，包括站点获取、运输与安装。这大大降低了TCO。 　　RRU安装在天线近旁，因此几乎没有天馈损失。这可增加40的输出功率，相应节省30的站点数量。 　　创新的技术 　　华为不断创新，以增加其CDMA产品的能效。传统上，功放能效非常低，功放消耗了基站功率的大部分。由于功耗高，功放能效低，基站散热非常高。因此，基站内部要求这些额外散热设备。这在成本和CO2排放量方面给客户增加了额外负担。目前，华为CDMA产品采用了创新的技术，比如Doherty功放技术和数字预失真技术，它们的可提高能效高达33，并具有80W TOC输出功率。到2009年，这数字将增加到40。为了进一步说明，我们注意到对于S333的配置，华为BTS3606CE功耗是850W，而业界典型的相同配置的基站功耗超过1800W。由于散热降低了，整个BTS站点的功耗也降低了，因为冷却设备的能耗很少或没有。 　　华为另外一个方案是SDR(Software Defined Radio)。该技术使得单个基站可同时支持多种技术。根据市场趋势，运营商通过软件升级就可在不同技术间切换。在2008年4月美国举办的CTIA，华为首次进行双模演示，CDMA和LTE共享同一平台。本次演示得到众多大T运营商的赞许。香港的运营商电讯盈科已采用华为新CDMA产品，在同一平台下，实现支持UMTS/CDMA的双模BTS。 　　华为CDMA产品只需简单的网络改变就可演进到LTE。比如，如果LTE和CDMA使用相同频段，那么通过升级RRU软件，并在BBU单元中增加信道卡(Channel Card)，即可实现LTE。但是如果CDMA和LTE在不同频段，可通过在BBU增加LTE射频单元和LTE信道卡，即可实现CDMA和/或LTE网络。 　　华为传输技术可节省25-40传输资源。传统上，每个BTS必须直接与BSC相连。华为新CDMA BTS产品基于物理网络条件，任何BTS可当作HUB BTS。这可简化网络结构，节省传输资源。 　　绿色站点辅助设施 　　华为提供绿色能源，并可在不同场景使用。这些能源包括太阳能、风能等。对于功耗小于1000W的站点，我们可使用这些能源，每年可节省8760度电，相当于每年每站点减少大约6吨CO2排放。 　　目前大量运营商已选择使用这些绿色能源。比如，到2007年末，中国移动已在3,371个站点实现太阳能供电。又如，华为已为Rwandate提供了8个太阳能站点，这些站点可实现1200W的负荷，电源备份时间为三天。 　　在今天的竞争时代，面市时间是一个非常关键的因素。华为的一体化机房(如拼装机房、集装箱机房等)，内嵌直接冷却设施，运输、安装十分方便，同时，可降低功耗、节省土地，减少嗓音、电磁辐射以及对环境的影响。 　　华为提供智能功率管理单元(IPMU)，可在电池和发电机间智能切换，因此可同时延长电池和发电机寿命。一台发电机足够一个站点使用。而且，这种单元允许运营商远程监控电池和发电机状态。 　　华为高度专业化铁塔方案提供快速铁塔安装，无需专门设备和起重机。而且所有铁塔连接可通过螺栓实现。一旦打好铁塔地基，铁塔可在一小时内组装好，同时还可节省60的站点空间。 　　集中的运行和维护 　　所有网元和站点单元可经统一平台集中进行监控和维护。运维人员可从维护终端执行各个排查任务，因而减少对站点的访问，使运营商能以更低的成本来维护他们的网络。 　　华为另一个之处在于其高效的测试方案。方案允许终端用户参与网络优化，同时，华为全面的分析工具可使网络覆盖效果可得到有效评估，网络参数可立即进行设置。 　　应用案例 　　电讯盈科(PCCW)重要的要求是要降低网络的TCO，同时，要保证网络向未来的平滑演进。PCCW选择了华为，因为华为能提供的多模CDMA和UMTS解决方案，并能平滑演进到LTE。该方案具有低功耗和高集成度的特点，能有效降低TCO和CO2排放。 　　印度的TATA Indicom也选择了华为的CDMA方案。方案给TATA Indicom带来了的好处。比如，TATA仅用了8个BSC，就替换了原有的44个老BSC，从而极大地节省了功耗和土地。概要说明一下TATA从本方案得到的收益：对于一个具有1300个BTS的网络，TATA通过使用华为新CDMA产品，可每年节省USD1.35 million的成本。