（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳518057）

據(jù)測算，5G新空口（NR）技術(shù)基站的功耗是4G長期演進（LTE）基站的2倍甚至更多，這使得NR的運營成本大幅提升。從中國電信2018年年報可知，2018年中國電信的盈利為212億元，但電費開支高達120億元，電費消耗了很大一部分利潤。所以，NR基站的節(jié)能是運營商的一個重要考量內(nèi)容。

NR基站功耗高主要是由于其采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO，簡稱為MM）架構(gòu)。NR每個天線通道的組成和傳統(tǒng)的LTE通道類似，都含有功放（PA）、收發(fā)信機（TRX）、數(shù)字預失真（DPD）、數(shù)字基帶處理。但是，相比傳統(tǒng)的LTE 架構(gòu)，NR MM架構(gòu)每個通道的PA功率是LTE單通道的10%～15%。PA功耗在每個通道里的占比相對較低，但TRX、DPD和數(shù)字處理部分功耗比重急劇提升。業(yè)界主要通過硬節(jié)能和軟節(jié)能達到降低功耗的目的。

硬節(jié)能是指通過采用更高級的芯片工藝、更高集成度的功能芯片或更高功放效率以降低功耗。例如，中興通訊具有硬節(jié)能技術(shù)的基帶處理芯片：它采用了Intel 最新的加工工藝；DPD功能由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）改為高集成度芯片來實現(xiàn)；功放采用最新的氮化鎵（GaN）Doherty結(jié)構(gòu)。這些措施都極大地降低了5G-NR基站功耗，簡化了硬件架構(gòu)。

軟節(jié)能模式指軟件在滿足一定的無線性能基礎上，根據(jù)小區(qū)負荷靈活關斷部分器件或載波以便節(jié)能?，F(xiàn)在采用的技術(shù)通常有針對單小區(qū)操作的符號關斷、時隙關斷、通道關斷、PA調(diào)壓和針對多小區(qū)操作的載波關斷、人工智能（AI）節(jié)能技術(shù)。

1 單小區(qū)節(jié)能技術(shù)

1.1 符號關斷

NR基站屬于二維度調(diào)度，相對LTE基站，它更加靈活。調(diào)度信息包含時域和頻域（如資源塊（RB）、帶寬部分（BWP）、服務小區(qū)）[1-5]， 即包含調(diào)度符號數(shù)和RB數(shù)目。傳統(tǒng)的LTE調(diào)度是一維調(diào)度，調(diào)度信息只包含頻域。在該調(diào)度模式下，調(diào)度器可以采用調(diào)度一個時隙的部分符號但是滿帶寬的，這可以替代原來的調(diào)度一個時隙的所有符號但只分配部分RB的策略。在這種策略下，由于剩下符號沒有業(yè)務數(shù)據(jù)可發(fā)，所以可以被關斷。

PA功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗在PA開啟后就一直存在，不隨負荷而變化；動態(tài)功耗隨著負荷增加而增加。符號關斷節(jié)能的本質(zhì)是降低PA靜態(tài)功耗。符號節(jié)能的方法是在集中的符號上快速傳完數(shù)據(jù)，然后關斷剩下符號，這樣節(jié)省了關斷符號上的PA靜態(tài)功耗及TRX的靜態(tài)功耗。假設關斷了X個符號，那么PA和TRX的靜態(tài)功耗可減少X/14。

符號關斷的恢復時間在微秒級，關閉的器件為PA和部分TRX。該功能對網(wǎng)絡關鍵性能指標（KPI）沒影響，在任何時候都可以開啟。

1.2 時隙關斷

NR時隙關斷主要指業(yè)務匯聚到某些時隙，剩下的時隙不調(diào)度以達到關閉器件節(jié)能目的。這些調(diào)度的時隙上的RB需要超過一定門限。如果沒達到門限且沒有廣播信道需要調(diào)度，那么調(diào)度器會暫停下行調(diào)度直到業(yè)務服務質(zhì)量（QoS）時延接近事先規(guī)定的最大值，或調(diào)度RB累積需求超過門限，才會開始調(diào)度。

相對1.1節(jié)描述的符號關斷，時隙關斷會增加業(yè)務時延，但是開銷相比符號關斷更少。這里的開銷指在基于時隙的調(diào)度下，一個slot里面有一個符號用于物理下行控制信道（PDCCH），一個符號用于解調(diào)參考信號（DMRS）。這樣一來，總共有12個符號用于業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸。那么，業(yè)務數(shù)據(jù)占比為12/14，開銷為2/14。在符號關斷技術(shù)下，一個slot里面有一個符號用于PDCCH，一個符號用于DMRS，N個符號用于業(yè)務數(shù)據(jù)。那么，業(yè)務數(shù)據(jù)占比為N/(N+2)，開銷為 2/(N+2)。由于N＜12，所以在傳輸同樣比特數(shù)時，符號關斷技術(shù)帶來的開銷相對較大。

這里的開銷也指不用于用戶的物理下行共享信道（PDSCH）數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β书_銷。從直觀上來說，這種開銷應越少越好。

時隙關斷恢復時間在微秒級，關閉的器件為PA和部分TRX。雖然該功能對業(yè)務時延有一定影響，但調(diào)度器可靈活控制時隙關斷時間，所以對QoS影響可控。

1.3 通道關斷

通道關斷是指小區(qū)在一定負荷下關閉部分通道以達到節(jié)能目的。這里的通道指PA以及與PA對應的TRX和DPD。通道關斷要求恢復時間在秒級，因此能夠關閉較多器件，以節(jié)省電能。

通道關斷可以上下行分別關斷：下行通道關斷，5G-NR基站需要考慮廣播、信道狀態(tài)信息（CSI）等的權(quán)值及覆蓋變化；上行關斷則需要考慮上行業(yè)務覆蓋變化。運營商通常會要求關斷前后的覆蓋接近相同，那么則有：

● 5G-NR基站需要在剩余天線上提高SSB/CSI-RS/PDCCH的發(fā)送功率，以保持與關斷前小區(qū)公共信道的覆蓋相同的覆蓋。

● 由于剩余天線單位RB發(fā)射功率增加，造成可以支持的RB數(shù)目減少，這會限制RB最大個數(shù)。

● 從通道關斷到通道恢復，已校準的相位和幅度均有變化，這時需要觸發(fā)相位校正和幅度校正。

● 如果上行覆蓋有冗余，則上行部分通道可以關閉。

由于通道關斷會影響調(diào)度RB數(shù)目及覆蓋，需要較頻繁觸發(fā)校正，而且以前優(yōu)化的切換參數(shù)可能也會隨之改變，所以一般用于業(yè)務比較少的時段。

1.4 PA調(diào)壓

PA調(diào)壓指調(diào)整PA的偏置電壓。在不同偏置電壓下，功放的靜態(tài)功耗不同。減少靜態(tài)功耗可降低能耗。在保證一定功放線性度及相同輸出功率下，一般功放偏置電壓越低，靜態(tài)功耗越小。當PA的偏置電壓設置成低電壓時，其最大輸出功率會變低。這需要5G-NR基站調(diào)度器限制調(diào)度RB個數(shù)或控制總的基帶輸出功率，以避免功放進入飽和區(qū)。PA調(diào)壓適用于小區(qū)負荷較低場景。圖1是一張典型的功放輸入基帶功率、輸出功率、功放偏置電壓關系示意圖。功放在低負荷時會使用低偏置電壓的工作區(qū)間，即圖1中的V2曲線。

調(diào)整電源偏置電壓的穩(wěn)定時間一般為1～400 ms，對于不同電壓穩(wěn)定時間，適用場景也不同。如果穩(wěn)定時間為1 ms， 那么PA調(diào)壓可以實時跟蹤業(yè)務包絡，節(jié)能效果好，且能滿足QoS，但是電源價格昂貴；如果穩(wěn)定時間為400 ms，PA不能夠?qū)崟r跟蹤業(yè)務包絡，雖然達到節(jié)能效果，但是有時可能不滿足低時延業(yè)務，比如高可靠低時延通信（uRLLC）業(yè)務。

2 多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能技術(shù)

2.1 載波關斷

移動運營商經(jīng)過不斷發(fā)展，已擁有多個頻段的頻譜。中國移動至少擁有1.8 GHz頻段的頻分雙工（FDD）制式的LTE、1.9 G/2.6 GHz頻段的時分雙工（TDD）制式的LTE、2.6 G/4.9 GHz頻段的NR和900 MHz頻段的全球移動通信系統(tǒng)（GSM）。由于制式和頻段眾多，網(wǎng)絡整體功耗很大。為了節(jié)能方便，可以按照下面規(guī)則來標定載波（即服務小區(qū)）的關閉優(yōu)先級：

● 每個制式，具體包括GSM、通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）、LTE、NR，可以在制式里分容量層和基礎覆蓋層。在容量層負荷低時，可以把業(yè)務負荷轉(zhuǎn)移到基礎覆蓋層。

● 對于上述4個制式，又可以分為容量制式和基礎覆蓋制式。例如，NR屬于容量制式，GSM屬于基礎覆蓋制式。

● 在業(yè)務負荷較低時，關閉順序為：先關閉容量制式的容量層，再關閉基礎覆蓋制式的基礎覆蓋層，圖2描述了載波的關閉順序。

以NR的NSA方式組網(wǎng)時，可認為其中的NR是容量制式，LTE是基礎覆蓋制式。如果NR業(yè)務量比較低，則可以智能地關斷NR，同時把流量轉(zhuǎn)移到LTE上。一旦LTE業(yè)務超過門限，再喚醒NR小區(qū)。這樣一來，整個網(wǎng)絡的功耗隨著業(yè)務量變化而變化。載波關斷恢復時間在分鐘級，關閉的器件為PA、TRX、DPD芯片（DPDIC）和部分數(shù)字基帶。載波關斷適合跟蹤網(wǎng)絡流量的慢速變化包絡。

圖1 不同偏置電壓下功放的輸出功率示意圖

圖2 載波（服務小區(qū)）的關閉優(yōu)先級

2.2 人工智能節(jié)能

人工智能（AI）[6-11]技術(shù)也可以應用到基站節(jié)能上。AI可以預測網(wǎng)絡場景變化，提前關斷部分通道或者載波。例如，高鐵通過單個遠端射頻單元（RRU）時間只需要1 s，高鐵來車間隔約為3 min。所以，RRU實際工作時間占比只有1/(3x60)=0.56%。通過AI可以獲知高鐵到達時間，智能關斷高鐵場景的RRU，在列車到達前開啟RRU，從而可以降低功耗。

圖3是長沙大學校園2個站點的LTE用戶數(shù)隨時間變化的實測圖。圖3中逸夫樓在23點到凌晨6點間幾乎沒有用戶。類似潮汐現(xiàn)象在網(wǎng)絡里隨處可見。AI可以學習每個小區(qū)業(yè)務模型，定時開啟和關閉對應的NR小區(qū)。關閉后該場景下用戶可以遷移至LTE或3G網(wǎng)絡。

AI還可以學習網(wǎng)絡覆蓋狀況，偵測并關閉冗余覆蓋小區(qū)，或根據(jù)通道關斷情況優(yōu)化天線權(quán)值以保證覆蓋[12]。圖4是網(wǎng)絡拓撲在白天和晚上的變化示意圖。晚上中間的小區(qū)由于業(yè)務少（黑圈標注）而被關閉，其原有的覆蓋由鄰區(qū)改變權(quán)值后提供。圖4的中間小區(qū)可以在適當時候關閉以節(jié)能。

綜上所述，AI 節(jié)能可以在低負荷時調(diào)整權(quán)值，增加重疊覆蓋，關閉冗余小區(qū)。AI 節(jié)能可以智能地打開或關閉潮汐小區(qū)，也可以在宏微組網(wǎng)中關閉特定的小區(qū)。由于無線網(wǎng)絡復雜，需要考慮的因素很多，人工優(yōu)化特別困難；AI則可以根據(jù)網(wǎng)絡各時段特點及對QoS業(yè)務需求動態(tài)調(diào)整節(jié)能相關參數(shù)，提高節(jié)能效率并滿足一定的無線KPI，大大降低了網(wǎng)絡維護的難度。

3 不同節(jié)能技術(shù)應用區(qū)別

在單小區(qū)節(jié)能技術(shù)中，除了符號關斷外，其他節(jié)能技術(shù)對網(wǎng)絡無線關鍵性能指標（KPI）都有一定的影響。符號關斷和時隙關斷對業(yè)務影響忽略不計，可以常開。如果PA調(diào)壓穩(wěn)定時間長，需要在業(yè)務負荷低于一定門限，且不包含時延敏感業(yè)務時才能開啟；如果PA調(diào)壓穩(wěn)定時間短，跟蹤業(yè)務包絡不影響業(yè)務體驗，則可以常開。通道關斷會影響小區(qū)覆蓋及切換參數(shù)，恢復時間較長。通道關斷后，要求小區(qū)用戶較少，業(yè)務對時延要求較低。

多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能技術(shù)里的載波關斷由于恢復時間較長，適用于小區(qū)業(yè)務負荷或用戶數(shù)很低的場景。這時業(yè)務和用戶可以負荷均衡到其他小區(qū)或其他無線制式；而高級節(jié)能功能里的AI 也是根據(jù)負荷預測，利用小區(qū)某段時間負荷較低或網(wǎng)絡重疊度高等特性關閉特定部分小區(qū)。圖5是各個子節(jié)能功能在不同負荷開啟時刻的示意圖。

在實際網(wǎng)絡中，單小區(qū)節(jié)能技術(shù)一般用于小區(qū)負荷低/中/高場景， 而多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能一般用于更低負荷或重疊覆蓋區(qū)比較嚴重的場景。例如，NR網(wǎng)絡初期用戶少，大部分小區(qū)可以載波關斷，其業(yè)務回落到LTE，當LTE業(yè)務繁忙時才喚醒NR。

圖3 商用場景潮汐現(xiàn)象

4 結(jié)束語

優(yōu)化5G-NR基站節(jié)能性能時，軟節(jié)能和硬節(jié)能都需要考慮。將來系統(tǒng)硬件和芯片架構(gòu)可能會逐漸使用手機芯片的、以節(jié)能為主要考量點的設計思路，并會考慮軟件節(jié)能和軟硬件的協(xié)同優(yōu)化。在運營商的推動下，基站設計理念及架構(gòu)將會有較大改變。

由于運營商網(wǎng)絡的制式眾多，節(jié)能參數(shù)變量有時域、通道域、載波域、無線制式、功放電壓等，每項調(diào)整都會對網(wǎng)絡無線KPI有影響。此時，人工調(diào)優(yōu)幾乎不可能。這使得將來的軟件會逐漸采用AI技術(shù)來優(yōu)化這些參數(shù)組合，并根據(jù)運營商需求在無線性能和節(jié)能KPI間達到平衡。

圖4 網(wǎng)絡拓撲在節(jié)能后的可能變化

圖5 各種軟節(jié)能的應用場景

從標準化角度來看，5G-NR基站節(jié)能有望在3GPP的協(xié)議中設立統(tǒng)一標準[13]。類似于LTE的微站打開/關閉功能有可能在5G-NR中得到增強。當然，協(xié)議規(guī)定的方法和產(chǎn)品實現(xiàn)的方法是相輔相成的，它們共同使得5G-NR基站能耗降低[14]。

相信在不遠的將來，綠色能源也將可以應用到基站中，例如，利用太陽能、風能就可正常工作，基站將更加“綠色”。