（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

TD-LTE主設(shè)備節(jié)能新技術(shù)簡(jiǎn)介

胡楠

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

如何在節(jié)能減排的大背景下，不斷開拓新思路、運(yùn)用新技術(shù)，在不影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的情況下盡可能的提升設(shè)備能效是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必由之路，本文重點(diǎn)介紹了應(yīng)用于TD-LTE主設(shè)備的幾種節(jié)能新技術(shù)，通過對(duì)4G系統(tǒng)架構(gòu)的分析，從硬件和軟件2個(gè)方面著重闡述了新技術(shù)的原理及節(jié)能效果。

節(jié)能減排； eNode B； PicoCell； 智能關(guān)斷； ICT

1 節(jié)能背景

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，移動(dòng)通信領(lǐng)域也面臨著空前的發(fā)展機(jī)遇。目前，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模部署及商用階段，隨著設(shè)備基本功能的逐漸完善，提高設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，逐漸成為業(yè)內(nèi)研究的焦點(diǎn)。

一方面，4G主設(shè)備單位載頻耗電增長(zhǎng)迅速，相比2G/3G設(shè)備節(jié)能空間大（如圖1所示），但目前還沒有較成熟的節(jié)電技術(shù)，急需成熟的節(jié)電技術(shù)以應(yīng)對(duì)能耗的迅速增長(zhǎng)。

圖1 4G(LTE)設(shè)備節(jié)能空間巨大

另一方面，根據(jù)測(cè)算到2015年，2G基站耗電量占比將為61.1%，3G基站耗電量占比為13.9%，而4G基站耗電量占比已增至22.4%，如圖2所示，可見4G設(shè)備的能耗占比將會(huì)急劇增加。

圖2 不同制式網(wǎng)絡(luò)耗電占比

據(jù)悉，3GPP早已開始4G設(shè)備節(jié)能相關(guān)的工作，并參與和推進(jìn)4G設(shè)備節(jié)能相關(guān)技術(shù)的研究，這對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)的低成本部署和運(yùn)營(yíng)很關(guān)鍵。

2 節(jié)能思路

2.1 4G系統(tǒng)構(gòu)架

在LTE系統(tǒng)架構(gòu)中，RAN演進(jìn)成為E-UTRAN，且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)：eNode B（如圖3所示）。

圖3 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

3GPP要求LTE支持的主要特性和性能指標(biāo)包括支持不同帶寬、增強(qiáng)小區(qū)覆蓋、增強(qiáng)頻率效率等等，而由于eNode B是LTE網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，且其運(yùn)行時(shí)的整體功耗指標(biāo)將根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

2.2 eNode B組成及能耗分布

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，eNode B既是基本的組成單元也是重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，既承載語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也同時(shí)集成了RNC的部分功能，它主要包括2大部分：BBU硬件架構(gòu)和RRU硬件架構(gòu)。

BBU關(guān)鍵組件包含基帶處理板、主控傳輸、電源模塊等，目前主流廠商的產(chǎn)品大多支持背板設(shè)計(jì)，DSP及FPGA基本采用主流廠家的成熟產(chǎn)品，功耗較小，每載頻耗電量20～40 W

（企標(biāo)為75 W/載頻），所以BBU能效提升空間有限。

RRU關(guān)鍵組件包含PA（功放）、濾波器、數(shù)字中頻及電源模塊等，這其中功放為最大的耗能器件，占基站總體能耗的一半左右，故PA系統(tǒng)的能耗下降潛力較大。

那么，eNode B中的能量是如何消耗掉的呢？根據(jù)典型的能量分配比例，則能耗分布如圖4所示。

由于RRU整機(jī)能效=空口發(fā)射功率÷RRU輸入功率，那么對(duì)于同一硬件平臺(tái)而言，在線性工作區(qū)間內(nèi)，空口發(fā)射功率越大則整機(jī)能效越高，相應(yīng)的輸入功率也就增加，因此，降低空口發(fā)射功率是有效降低功耗的途徑。

此外，隨芯片集成度的提升，DPD/CFR等技術(shù)逐漸得到大規(guī)模應(yīng)用，eNode B的硬件平臺(tái)功耗也在不斷降低，后續(xù)ET及GaN等新材料和技術(shù)有望進(jìn)一步得到應(yīng)用，有望使設(shè)備能效進(jìn)一步提升。

2.3 硬件節(jié)能

之前已經(jīng)闡述過，eNode B基站耗電的元器件主要包括PA、RF（射頻單元）、數(shù)字中頻及電源模塊等，而通過對(duì)不同場(chǎng)景下不同站型的測(cè)試結(jié)果分析來看，其功耗分布如圖5所示。

對(duì)于一般宏基站來說，PA的能耗占整機(jī)功耗的比例大約在40%～70%之間且與基站發(fā)射功率和工作狀態(tài)密切相關(guān)，其余模塊的功耗占比均較小且相對(duì)固定。而對(duì)于小型基站或微站而言，BB的能耗所占比例則明顯上升，PA所占功耗比例下降且數(shù)值相對(duì)固定，幾乎不隨業(yè)務(wù)量變化?？梢姡布脚_(tái)的性能提升是重點(diǎn)考慮方向。

圖4 射頻系統(tǒng)能耗分布圖

圖5 元器件能耗分布曲線

2.4 軟件節(jié)能

LTE空口能效提升：

（1）目前的下行功率控制未考慮UE地理位置及業(yè)務(wù)需要而對(duì)功率進(jìn)行合理限制，存在提升空間；

（2）上行功率控制未考慮網(wǎng)絡(luò)資源及干擾的時(shí)間和空間的動(dòng)態(tài)性而進(jìn)行的靜態(tài)的上行發(fā)射功率補(bǔ)償。

LTE組網(wǎng)能效提升：據(jù)預(yù)測(cè)未來10年內(nèi)小基站數(shù)量將為宏基站數(shù)量的5～10倍，宏基站和小微基站合理組網(wǎng)可以更好的吸收話務(wù)，但由于小基站的能耗在業(yè)務(wù)低谷期占比較大，所以適時(shí)的選擇合適的小基站開啟和關(guān)閉至關(guān)重要。

總之，LTE的節(jié)能思路應(yīng)側(cè)重于在時(shí)域、頻域和空域上減少不必要的發(fā)射功率，從而整體上降低設(shè)備能耗。

3 TD-LTE節(jié)能新技術(shù)

目前已經(jīng)有一些較為成熟且逐步被推廣并在現(xiàn)網(wǎng)使用的節(jié)能技術(shù)，比如智能載頻關(guān)斷、MCPA載頻、無機(jī)房基站等等，但對(duì)于LTE設(shè)備而言，由于其網(wǎng)絡(luò)正處于高速發(fā)展階段，未來對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體能耗影響會(huì)迅速加大，需采取多種綜合措施并加大新設(shè)備新技術(shù)的引入力度，從而有效控制網(wǎng)絡(luò)整體能耗激增的趨勢(shì)。

3.1 Picocell（微微小區(qū)）關(guān)斷

3．1．1 背景及技術(shù)原理

為吸收熱點(diǎn)地區(qū)話務(wù)，LTE的網(wǎng)絡(luò)部署將會(huì)以HetNet形式進(jìn)行布網(wǎng)，系統(tǒng)內(nèi)將會(huì)存在大量的微微小區(qū)（Picocell），如果這些Picocell一直處于打開狀態(tài)，將會(huì)增加大量能耗。因此，選擇合適的Picocell進(jìn)行打開和關(guān)閉，及時(shí)響應(yīng)業(yè)務(wù)的需求的變化十分重要。

Macrocell（宏小區(qū)）監(jiān)控其負(fù)荷變化，當(dāng)負(fù)荷降低至一定閾值時(shí)，Picocell自主關(guān)閉或進(jìn)入休眠態(tài)；當(dāng)Macrocell負(fù)荷升高至一定閾值時(shí)，通知Picocell進(jìn)入探測(cè)態(tài)。Picocell在探測(cè)態(tài)時(shí)可以發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，同時(shí)Macrocell通知UE探測(cè)Picocell并將探測(cè)結(jié)果回傳，Macrocell據(jù)此決策將最合適的Picocell打開，無需打開的Picocell則進(jìn)入休眠態(tài)。

3．1．2 節(jié)能效果分析

在一些話務(wù)量有明顯周期波動(dòng)的區(qū)域開啟此項(xiàng)功能，將會(huì)大大減少Picocell無效工作時(shí)間，理論測(cè)算Picocell功耗可以降低30%以上。而且此方式不會(huì)改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況靈活進(jìn)行調(diào)整，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響很小，另外由于此技術(shù)只需在軟件側(cè)開啟相應(yīng)功能即可，因此實(shí)現(xiàn)成本也較低。

3．1．3 技術(shù)成熟度

目前3GPP已經(jīng)完成Inter-RAT場(chǎng)景下的Picocell熱點(diǎn)關(guān)斷測(cè)試。

廠商支持程度：目前為R11版本功能（規(guī)模實(shí)驗(yàn)功能版本為R9），預(yù)期該功能1～2年左右可以試商用。

3.2 Symbol（符號(hào)）關(guān)斷

3．2．1 應(yīng)用場(chǎng)景

TD-LTE單模網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，在業(yè)務(wù)負(fù)載不高的情況下，基站在部分符號(hào)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在不影響控制類符號(hào)傳輸和終端接收的情況下，將這些“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”的符號(hào)周期關(guān)閉功放，從而降低系統(tǒng)功耗，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

3．2．2 方案流程

小區(qū)在一個(gè)子幀中，eNode B會(huì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)哪些Symbol沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，RRU在這些“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”的Symbol周期內(nèi)將射頻通道和功放關(guān)閉，從而達(dá)到減少功耗和降低鄰區(qū)干擾的目的，如圖6所示。

圖6 符號(hào)關(guān)斷示意圖

當(dāng)然，不是所有符號(hào)都可以進(jìn)行上面的關(guān)斷操作，比如子幀0的主輔同步信號(hào)、PBCH所在的Symbol不能關(guān)斷（共4個(gè)），每個(gè)子幀的第1個(gè)Symbol包含PCFICH信息，同樣不能關(guān)閉，另外，每個(gè)子幀內(nèi)的小區(qū)參考信號(hào)所在的Symbol也不能關(guān)閉，其余業(yè)務(wù)信道占用的Symbol則可根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷情況開關(guān)。

3．2．3 節(jié)能效果分析

節(jié)能效果：按平均每時(shí)隙可關(guān)斷5個(gè)Symbol計(jì)算，下行可節(jié)約31%×5÷7=22%的發(fā)射功率。單純從發(fā)射時(shí)間角度來看，由于CRS不能關(guān)，節(jié)能效果差于子幀級(jí)關(guān)斷；但從全天話務(wù)變化來看，該方案可關(guān)斷的概率高于子幀級(jí)關(guān)斷，因此總體節(jié)能效果應(yīng)更好。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量影響：干擾降低，無負(fù)面影響 。

技術(shù)應(yīng)用成本：較高，需要調(diào)度算法和硬件平臺(tái)改造或升級(jí) 。

3．2．4 技術(shù)成熟度

技術(shù)研究階段：可行性評(píng)估/方案制定已基本完成，待仿真評(píng)估。

廠商支持程度：國(guó)內(nèi)一線主流廠家的設(shè)備基本具備支持條件，只需在軟件側(cè)開啟相應(yīng)功能即可實(shí)現(xiàn)。

3.3 通道智能關(guān)斷

3．3．1 背景及技術(shù)原理

與載頻智能關(guān)斷類似，通道智能關(guān)斷是指當(dāng)某小區(qū)沒有UE或是負(fù)載很輕時(shí)，允許關(guān)閉本小區(qū)的部分發(fā)射通道，以節(jié)省能耗。由于該功能是在用戶數(shù)較少的情況下關(guān)閉部分通道，為了保證控制信道覆蓋和業(yè)務(wù)不受影響，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整小區(qū)用戶的傳輸模式并提升控制信道的發(fā)射功率。當(dāng)檢查到業(yè)務(wù)負(fù)載增加后，退出智能關(guān)斷模式，恢復(fù)原有的通道發(fā)射狀態(tài)。

由于通道智能關(guān)斷是關(guān)閉小區(qū)的部分發(fā)射通道，因此只有在小區(qū)配置為多通道發(fā)射的場(chǎng)景下（發(fā)射天線數(shù)為2和8），本特性才起作用。原理示意圖如圖7所示。

圖7 通道智能關(guān)斷示意圖

3．3．2 運(yùn)行過程分析

對(duì)于通道智能關(guān)斷功能來說，就是當(dāng)小區(qū)沒有用戶或者業(yè)務(wù)量比較低時(shí)，關(guān)閉某些發(fā)射通道，同時(shí)，為了保證控制信道覆蓋和業(yè)務(wù)不受影響，需要調(diào)整小區(qū)用戶的傳輸模式并提升控制信道的發(fā)射功率3 dB。

為了防止用戶頻繁接入、退出小區(qū)導(dǎo)致小區(qū)頻繁進(jìn)出通道智能關(guān)斷，小區(qū)在智能關(guān)斷特性生效時(shí)間段之內(nèi)退出后，會(huì)延遲半小時(shí)再檢查是否具備再次進(jìn)入通道智能關(guān)斷的條件，判決是否進(jìn)入通道智能關(guān)斷，方案流程如下：

（1） 識(shí)別通道關(guān)斷時(shí)間段；

（2） BBU進(jìn)行通道關(guān)斷決策；

（3） 如BBU的決策結(jié)果為準(zhǔn)備進(jìn)行通道關(guān)斷，則給RRU發(fā)送通道關(guān)斷激活指示，用來通知RRU進(jìn)行通道關(guān)斷；

（4） RRU發(fā)送通斷關(guān)斷激活響應(yīng)消息；

（5） 設(shè)定時(shí)間點(diǎn)到，結(jié)束通道智能關(guān)斷。

3．3．3 節(jié)能效果分析

假設(shè)：典型的忙時(shí)負(fù)荷8 h，中等負(fù)荷10 h，閑時(shí)負(fù)荷6 h。若忙時(shí)RRU功耗為250 W（不采用通道關(guān)斷），采用通道關(guān)斷時(shí)RRU功耗150 W，則對(duì)8通道RRU，關(guān)閉4個(gè)通道，關(guān)斷時(shí)可以節(jié)約40%（100/250）的能耗，全天可以節(jié)約7.5%左右的RRU能耗。

3．3．4 技術(shù)成熟度

技術(shù)研究階段：待進(jìn)一步仿真進(jìn)行效果評(píng)估。

廠商支持程度：華為、中興、大唐等國(guó)內(nèi)主流廠商已支持或近期支持。

4 結(jié)束語

在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)整體能耗的不斷攀升的背景下，應(yīng)大力推動(dòng)4G主設(shè)備廠商提升設(shè)備自身的節(jié)能效率，并積極在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，通過精細(xì)化及系統(tǒng)化的分級(jí)節(jié)能管理措施，運(yùn)用智能云計(jì)算等多種方式，進(jìn)一步推動(dòng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的縱深融合，完成從“Always on”到“Always available”的轉(zhuǎn)型。

News

SpeedyCloud迅達(dá)云成與GitCafe結(jié)成長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系

SpeedyCloud迅達(dá)云成創(chuàng)始人兼COO于浩說：“迅達(dá)云成自創(chuàng)立之初，就以支持國(guó)內(nèi)開源項(xiàng)目和開源社區(qū)為己任，現(xiàn)在的云平臺(tái)，也借助了很多開源項(xiàng)目，我們也是開源的受益者。因此，我們積極贊助、參與了PyCon China、Perl China、RubyConf China等開源社區(qū)的大會(huì)，51CTO的云計(jì)算架構(gòu)師峰會(huì)、InfoQ的QCon全球技術(shù)大會(huì)，我們也是主要贊助商，也有同事作為講師參與演講。這次能夠與GitCafe合作，我們感到非常高興。不僅能更多地為國(guó)內(nèi)開源技術(shù)貢獻(xiàn)力量，同時(shí)，與GitCafe一起，我們還將推進(jìn)國(guó)內(nèi)的IT教育，讓更多在校學(xué)生了解開源項(xiàng)目，了解云計(jì)算，為他們的未來發(fā)展開拓更廣闊的天地?！?/p>

GitCafe 創(chuàng)始人兼CEO姚欣宇說：“GitCafe是一個(gè)社會(huì)化的代碼托管、技術(shù)寫作和分享服務(wù)平臺(tái)，它更是一個(gè)由眾多想要協(xié)作創(chuàng)造些很酷的項(xiàng)目的黑客與創(chuàng)客們組成的社區(qū)。我們的最終目標(biāo)，是致力于利用前沿技術(shù)與思想改善教育環(huán)境的企業(yè)，所有產(chǎn)品最終的目的都是為了教育。同迅達(dá)云成的合作，將讓我們?yōu)榇髮W(xué)生們提供國(guó)際頂尖的學(xué)習(xí)環(huán)境、培育大學(xué)生從校園銜接到IT行業(yè)的就業(yè)能力，與世界最領(lǐng)先的技術(shù)接軌。”

接下來，SpeedyCloud迅達(dá)云成將會(huì)合作參與GitCafe在教育領(lǐng)域展開的各項(xiàng)活動(dòng)，提供云主機(jī)、云平臺(tái)方面的產(chǎn)品和技術(shù)支持。未來，迅達(dá)云成和GitCafe還將公布更多合作機(jī)會(huì)和可能。

Introduction on new energy saving technology Of TD-LTE main equipment

HU Nan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In the context of energy-saving emission reduction, and constantly open up new ideas, the use of new technology, improve equipment energy eff ciency without affecting the quality of network conditions, is the route one must take the network development. This paper introduces several new energy saving technology is applied to the TD-LTE main equipment, through the analysis of 4G system architecture, emphatically expounds the technology principle and energy-saving effect from two aspects of hardware and software.

energy saving and emission reduction; eNode B; pico; intelligent shutdown; ICT

TN915

A

1008-5599（2014）07-0086－05

2014-04-19