热点WLAN AP设备能效及指标评估方法的研究

高 波，吴 非，林 睿，沈成彬

（1．中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；

2.电信科学技术第一研究所 上海 200032；3.中国电信集团公司 北京 100032）

1 前言

能源消耗导致了温室效应和一系列的自然灾害，节能减排已经成为我国当前经济社会发展的一项重要而紧迫的任务。我国通信行业年耗电量已达到300亿千瓦时以上，耗电量不容忽视。通信企业整体仍处于发展阶段，新兴市场用户的增加以及发达市场带宽的提升必然带来网络的扩容，导致能耗需求不断扩大。随着用户规模进一步扩大和业务量迅猛增长，电信业的耗电量仍将保持较快增长，能源单价上涨及设备总能耗上升的同时也带来了长期的财务压力。

接入网在通信网络中占有重要的地位，不仅承担传输各类宽、窄带业务，而且接入设备的种类也很多，有些设备部署在用户侧，需要有明确的能耗指标参数告之用户。热点AP（access point）设备作为无线宽带接入网的重要组成部分，已广泛应用于无线城市建设，同时作为分流3G的有效手段，已受到各运营商的重视并得到大规模部署。

国家对通信设备节能减排非常重视，中国通信标准化协会（CCSA）已制定了一些接入网设备的节能参数和测试方法标准，如《接入设备节能参数和测试方法 第1部分：ADSL用户端》、《接入设备节能参数和测试方法 VDSL2系统》、《接入设备节能参数和测试方法 GPON系统》、《接入设备节能参数和测试方法 EPON系统》、《接入网设备节能参数和测试方法 第2部分：ADSL局端》、《移动终端设备节能参数和测试方法》、《无绳电话机节能参数和测试方法》等。目前尚未制定WLAN AP的能效评估方法和指标要求。建立一套行之有效的AP设备能效评估方法和指标要求作为节能减排任务的一部分已刻不容缓。目前国内外尚无关于对热点AP设备的能效评估方法的标准或权威研究报告，关于AP设备的节能参数和测试方法的相关研究也寥寥无几。本文就热点AP的能效评估体系进行了探索，希望得到一套科学的、行之有效的能效评估方法及指标要求。

2 AP设备能效评估模型

基于运营商目前全面部署IEEE 802.11n技术的集中控制型“瘦”AP设备，本文就以IEEE 802.11n AP设备为研究对象进行能效评估研究。将IEEE 802.11n AP设备分为如下5种类型。

·设备类型1——集中控制室内放装型单频IEEE 802.11n AP。

·设备类型2——集中控制室内放装型双频IEEE 802.11n AP。

· 设备类型3——集中控制室内分布型IEEE802.11nAP。

·设备类型4——集中控制室外普通型单频IEEE 802.11n AP。

·设备类型5——集中控制室外回传型双频IEEE 802.11n AP。

2.1 AP设备功耗构成

AP设备主要由核心功能模块、射频模块、局域网(LAN)模块和电源模块这4个基本功能模块组成。因此对热点AP设备而言，其功耗是基本功能模块以及其他辅助模块（如防雷模块、加热模块）的功耗叠加而成。

对一款集中控制室内放装型双频IEEE 802.11n AP的功耗分析，可以看到射频模块的功耗所占比例最大，为近60%。电源模块、核心功能模块和局域网模块所占的功耗百分比依次降低，具体如图1所示。需要特别注意的是，部分室外型热点AP由于增加了加热模块的应用，所以也会产生相应的功耗。

图1 集中控制室内放装型双频IEEE 802.11n AP功耗组成概况

2.2 AP设备工作状态和功率定义

AP设备分为3种工作状态：全功耗功率状态（fullpower）、低功耗状态（low-power）、待机状态（standby）。3 种工作状态定义如下。

全功耗功率状态：AP的射频模块工作在最大功率模式，多用户数据传输的状态。

低功耗状态：AP的射频模块工作在自适应模式，单用户数据传输的状态。

待机状态：AP只发射beacon帧，没有用户关联的状态。

这3种状态对应的AP设备功率分别称为全功耗状态功率Pfull-power、低功耗状态功率 Plow-power和待机状态功率Pstandby。

2.3 AP设备整机功耗

AP设备在不同的工作状态下会产生不同的功耗，为此需要建立一套AP设备整机功耗评估模型，以便对AP功耗有一个整体了解。

首先需要获取3种工作状态下的功耗，然后对3种工作状态下的功耗各分配一定的权重，以得到整机功耗PAP（单位为W）。AP设备整机功耗的计算式如下:

其中，PAP是热点 AP 设备整机功耗，Pfull-power、Plow-power及Pstandby分别是AP设备处于全功耗、低功耗和待机状态时的AP整机功耗。α1、α2和α3分别是全功耗、低功耗和待机状态下AP设备功耗的权重值，且α1+α2+α3=1。

根据业务部署策略，AP重点部署在高校、商务楼、机场侯机厅、宾馆酒店、医院等公共场所。AP在不同应用场景下的工作状态时间比例是不同的，对AP设备的能效评估需要结合实际使用场景建立模型。将不同应用场景归纳为两种典型的场景模型：以机场侯机厅为主的交通枢纽场景、商务楼/高校场景。

（1）交通枢纽场景

通过调研，一般一天 24 h 中，交通枢纽在 9∶00－17∶30时间段使用WLAN接入的用户最多，流量大，约有8.5 h定义为全功耗状态；在凌晨 1∶30－5∶00，几乎没有用户使用，约有3.5 h定义为待机状态，其他时间用户较少，流量较低，约有12 h定义为低功耗状态，权重如下：

（2）商务楼/高校场景

通过调研，一般一天 24 h 中，在中午 12∶00－14∶00 或下午 18∶00－19∶30 时间段，使用 WLAN 接入的用户最多，流量大，约有3.5 h定义为全功耗状态；晚上22∶30－第二天早上7∶00，学校或写字楼几乎没有人，约有8.5 h定义为待机状态，其他时间学校或写字楼用户较少，流量较低，约有12 h为低功耗状态，权重如下：

据统计，放置于类似交通枢纽场景的热点AP占50%，类似于商务楼/高校场景的热点AP占50%，则可得到综合权重值如下：

综上所述，热点AP设备整机功耗计算式如下：

2.4 能效比值

EERAP是AP设备整机能效比值(energy efficiency ratio，EER)，定义如下：

其中，PREF是AP整机功耗的限定值。在研究评估阶段，根据厂商申明的功耗值，按照不同设备类型经统计处理得到。

在整机功耗限定值的制定过程中，兼顾了差异性和普适性的原则。在调研中发现，针对不同应用模式的AP设备在结构和功耗上存在一定的差异，所以将整机功耗限定值按照不同的设备类型分为5类；另外，为兼顾研究结果的普遍适用性，在前期样本的选择方面尽可能多地涵盖了行业内的批量供货成品，其中包括了13家WLAN厂商提供的5类主要 AP设备，选取其中的最大值申明值作为建议限定值。表1为5种类型AP设备整机功耗建议限定值PREF。表1中各限定值是根据现阶段行业情况而定，随着节能技术的发展，整机功耗限定值也将随之降低。

表1 AP设备整机功耗建议限定值

2.5 能效比值分级

为了更好地引导热点AP向节能降耗方向发展，将AP设备能效比值分成不同的等级。根据《通信产品节能分级导则》（GB/T 26262-2010）建议，最终得到的能效比值分级的级数应大于或等于2级，不应超过5级。

建议将AP设备分为5个能效比值等级。其中：最高等级体现了最佳水平要求，是现阶段的努力目标，目的是促进节能新技术的应用；中间某一等级体现了平均水平要求；最低等级体现了最低水平要求，应逐步淘汰节能技术落后的产品，促进低成本节能技术的普遍应用。

将AP能效比值（EERAP）按照不同的能效区间划分为5个等级。能效比值越小，说明能效利用率越好，能效等级越高。表2为定义的AP设备能效比值分级。

表2 AP设备能效比值分级

3 能效评估测试方法

3.1 测试方法

AP设备一般是通过POE/POE+供电或POE模块方式供电。本文按最常用的POE/POE+供电方法探讨AP设备能效评估测试方法，其他供电方式情况下测试方案可参照本测试方法。

图2为测试组网示意。

图2 AP设备能耗评估测试方法示意

将电源接入POE交换机，由POE交换机通过网线与AP直连，该网线同时传输数据和给AP供电。剥开靠近POE交换机侧网线输出端的外皮，露出内部的芯线，按照图2所示，将STA关联到AP的SSID服务，在PC和各STA之间打单向或双向的数据流；用万用表测试POE交换机输出端的电压V，将示波器的电流探头夹在POE交换机被剥开的芯线上，读取示波器的示数并记录电流I。根据功耗W＝V×I，算出AP设备的功耗W。在实际测试中可采用专用POE功率计串接方式，进行功率的测量。

对于POE模块供电方式，在POE交换机和AP之间靠近AP侧，串接一个POE供电模块，由POE供电模块将交换机的数据和电源合到同一根网线，给AP供电的同时进行数据传输。在POE供电模块与AP之间的网线上获取电压和电流，以得到AP设备的功耗。

通过上述方法，分别测得全功耗、低功耗和待机状态下的AP设备整机功耗。下面分别介绍3种工作状态下的测试配置要求。

（1）全功耗状态配置

全功耗状态是指多用户、多会话连接，射频以最大功率方式发送的状态。

测试全功耗状态整机功耗Pfull-power采用3台终端（STA），按照STA与 AP 3种不同的距离（2m、3m、5m）放置；每台与AP相连的STA建立6个会话 （session）；时长设定为10 min，测试期间自第4min开始，以30 s的间隔读取共计12个功耗测试读数，取其算术平均值，吞吐量取均值。

IEEE 802.11n AP分别以 MCS0、MCS7和 MCS15 3种速率模式进行测试并记录测试结果，其中要求MCS15上下行TCP速率之和应大于80Mbit/s。

（2）低功耗状态配置

AP低功耗状态是射频模块工作在自适应模式，单用户数据传输时的状态。

测试低功耗状态整机功耗PLow-Power采用1台终端（STA），按照STA与AP相隔3 m的距离摆放；每台与AP相连的STA建立6个会话；时长设定为10min，测试期间自第4min开始，以30 s的间隔读取共计12个功耗测试读数，取其算术平均值，吞吐量取均值。

IEEE 802.11n AP分别以 MCS0、MCS7和 MCS15 3种速率模式进行测试并记录测试结果，其中要求MCS15上下行TCP速率之和应大于1Mbit/s。

（3）待机状态配置

AP开启beacon帧，在没有用户附着和数据传输情况下测试待机状态整机功耗Pstandby。

3.2 测试说明

·AP转发速率。由于无法确定AP设备工作在最大功耗情况下，所对应的是最大速率还是一般速率或低速率，目前没有文献及相关报告作参考，为确保数据的完整性，在测试过程中分别选择了低速（MCS0）、中速（MCS7）和高速（MCS15）这 3 种速率进行测试。

·AP供电方式。不同的供电方式对应了不同的电源转换模式，在测试中，将涵盖尽可能多的供电方式，通过对POE、直流、交流等不同供电方式功耗的测试，以确认不同供电方式对设备功耗的影响。

·AP设备形态。AP设备有“胖”AP（fat AP）和“瘦”AP（fit AP）之分，本次参测的均为“胖”、“瘦”可转的AP。将参测的任一款AP分别以这2种设备形态进行测试，以确认不同的设备形态对设备功耗的影响。

· 其他。测试时也考虑射频模块的开启与关闭这2种状态的测试，以确定射频模块的工作状态对设备功耗的影响。

4 测试结果及分析

根据不同的配置类型（厂商、设备类型、设备形态、供电方式、速率模式、功耗状态），分别对3个主流WLAN厂商提供的14个样本类型进行了118个用例(厂商1)、57个用例（厂商2）以及 84个用例（厂商3）的测试和数据采集。本次分析结论基于以上3家的测试结果。表3为本次AP测试时的各种配置组合情况。

4.1 功耗对比

本次参与测试的设备类型分别有类型1、类型2、类型3、类型4以及类型5的IEEE 802.11n“瘦”AP，同时也转成相应的 “胖”AP 进行测试。以下为 MCS0、“瘦”（fit）、POE配置方式下的各款IEEE 802.11n AP整机功耗对比。

表3 AP测试配置

可以看出：相同厂商、不同类型AP设备之间的功耗差异较大；相同类型设备、不同生产厂商之间AP设备的功耗也存在较大差异。图3为不同厂商不同类型AP的综合能耗对比，其中厂商2没有类型5的IEEE 802.11n AP设备。

4.2 待机状态与其他2种工作状态的功耗对比

“待机状态”的功耗要远低于“低功耗状态”和“全功耗状态”，同一产品的功耗在待机状态时比工作状态至少要低20%～45%，表4是3个厂商的设备类型一的IEEE 802.11n AP设备整机功耗在3种工作状态下的功耗和根据第2.3节整机功耗计算式得到的整机功耗值。

4.3 不同速率下的功耗对比

考虑到目前主流厂商提供的IEEE 802.11n AP多为2条空间流的商用IEEE 802.11n AP设备，因此将本次测试的速率模式限定在MCS0至MCS15范围内。选取较为典型的3种速率模式——MCS0、MCS7、MCS15作为速率模式的测试样本状态。

从测试结果可知：无论何种类型（类型1、类型2、类型3、类型 4、类型 5）、何种供电方式（POE、直流）、何种设备形态（“瘦”、“胖”AP），当速率模式在 MCS0 时功耗最大。

4.4 不同供电模式下的功耗对比

本次研究中对部分样品分别采用了POE和直流供电方式进行测试，通过对不同设备类型及不同设备形态的测试结果分析，供电模式与实际功耗的高低之间暂未发现显著关联，由于行业内同一款分别支持两种供电方式的设备样本量过少，所以该结论有待进一步证实。

图4为厂商1部分IEEE 802.11n AP设备在不同供电模式下的测试结果对比。

4.5 关闭射频模块的功耗情况

部分AP可直接关闭（断电）射频模块的供电，从测试结果来看，物理关闭或断开射频模块电源，可在待机功率的基础上再节省一定数量（0.7～4.64W）的功耗。

5 结束语

图3 不同厂商不同类型AP的综合能耗对比

表4 设备类型一的3个厂商IEEE 802.11n AP功耗测试结果

图4 不同供电模式下AP整机功耗测试结果

本文建立了2种AP设备能效评估模型：AP设备整机功耗和能效比值，从2个维度来评估AP设备的能效情况，并分析了AP能效与设备类型、形态、转发速率、供电模式等关系。通过AP设备能效评估方法帮助了解现有AP设备的能耗情况，同时引导厂商开发更多的绿色低功耗AP设备。

从测试结果分析可知，AP设备的能耗主要与工作状态有关，待机状态下整机功耗超过低功耗/全功耗状态下整机一半功耗或接近低功耗/全功耗状态下整机功耗，在一般热点区域，AP设备的应用是有规律的，如机场、火车站、高校、商务楼等，白天及晚上使用频率较高，但在下半夜就处于待机状态，若通过远程关闭AP上联设备（如交换机）端口等方式，将AP整机断电，那对于全国上百万个热点AP设备而言，一年节省下来的电费将是非常可观的。

随着各国无线城市的推广以及宽带中国战略目标的建设，国际、国内运营商都在加大WLAN的建设力度，热点AP数量远远超过百万台。本文希望通过建立一种科学有效的AP能效评估体系和测试方法，满足业界关于AP能效评估的要求，并根据能效分级制度引导厂商开发更多绿色低功耗的AP设备。

1 Top Runner 2011.03en-1103,2011

2 Code of Conduct on Energy Consumption of Broadband Equipment Version 3,2008

3 YD/B 067-2011.接入网设备节能参数和测试方法 EPON系统，2011

4 YD/B 069-2011.接入设备节能参数和测试方法 VDSL2系统，2011