1 引言

隨著5G時(shí)代到來，各類新業(yè)務(wù)層出不窮、應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)、設(shè)備連接向海量連接的發(fā)展趨勢不可逆轉(zhuǎn)，不斷推動(dòng)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式的增長。2010年到2020年，中國移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增速增長約300倍[1]，國內(nèi)重點(diǎn)城市及其熱點(diǎn)地區(qū)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增速更大。為了滿足未來5G業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流量迅猛增長的發(fā)展要求，5G網(wǎng)絡(luò)不僅需要使用更多的頻譜資源、更大的系統(tǒng)帶寬，也采用新型多址、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)等新技術(shù)來大幅提高移動(dòng)網(wǎng)的總?cè)萘縖3]，為國內(nèi)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5G基站數(shù)量的成倍增長，大規(guī)模多輸入多輸出(Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO)技術(shù)的引進(jìn)使得5G能耗大幅增加，5G耗電量預(yù)計(jì)將是4G的3～5倍[2]。為應(yīng)對(duì)全球能源短缺與環(huán)境保護(hù)所面臨的挑戰(zhàn)、響應(yīng)國家節(jié)能減排號(hào)召、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)[4]，節(jié)能降耗必然成為通信行業(yè)不可忽視的首要需求，因此針對(duì)NR基站的智能節(jié)能技術(shù)研究勢在必行。

目前，主要的5G基站軟件節(jié)能技術(shù)有符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠。根據(jù)通信業(yè)務(wù)在時(shí)間和空間分布上的不同特征以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的變化，在保證用戶感知體驗(yàn)的前提下，引入人工智能調(diào)度平臺(tái)，通過靈活動(dòng)態(tài)的調(diào)度策略對(duì)基站進(jìn)行載頻、通道、符號(hào)或者整機(jī)休眠等不同的關(guān)斷節(jié)能策略，以盡可能增加設(shè)備低功耗模式工作時(shí)間，最大限度提升基站設(shè)備資源利用效率。

2 符號(hào)關(guān)斷

在5G基站設(shè)備中，AAU的射頻器件如功率放大器（Power Amplifier，PA）的能耗最多，在沒有信號(hào)輸出時(shí)，射頻器件也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)能耗。為降低系統(tǒng)能耗，同時(shí)又能保證數(shù)據(jù)傳送的完整性，引入符號(hào)關(guān)斷功能。

智能符號(hào)關(guān)斷功能通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量監(jiān)測，主動(dòng)將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度到指定的符號(hào)上，在剩余的無有效信息傳輸?shù)姆?hào)時(shí)間，智能調(diào)節(jié)功放柵壓或關(guān)閉PA達(dá)到降低功耗的目的。

符號(hào)關(guān)斷功能在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)荷時(shí)通過不連續(xù)發(fā)射來降低功放模塊消耗的總功率。當(dāng)符號(hào)關(guān)斷功能開啟時(shí)，在下行符號(hào)沒有用戶數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，基站設(shè)備通過主動(dòng)關(guān)閉射頻部分中功放模塊的發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

如圖1所示，符號(hào)關(guān)斷功能通過動(dòng)態(tài)檢測符號(hào)有無數(shù)據(jù)發(fā)送，在符號(hào)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，實(shí)時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)符號(hào)周期內(nèi)的AAU射頻器件，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能沒有影響。

圖1 符號(hào)關(guān)斷工作原理示意

該方案適用于時(shí)延不敏感的場景，基站能根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化，數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)集中調(diào)度(集中調(diào)度會(huì)導(dǎo)致時(shí)延有少許增加)，AAU判斷子幀是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，關(guān)斷射頻通道。對(duì)于必要的控制信道和信號(hào)，基站仍保持原有的發(fā)射周期和功率。從而，當(dāng)基站業(yè)務(wù)量恢復(fù)到正常時(shí)，符號(hào)關(guān)斷功能終止，功放模塊能夠立即進(jìn)入工作狀態(tài)，保證了5G網(wǎng)絡(luò)性能不受影響。

3 通道關(guān)斷

當(dāng)小區(qū)處于無業(yè)務(wù)或者業(yè)務(wù)負(fù)荷較低時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)定的節(jié)能時(shí)間段，可以按照不同的顆粒度進(jìn)行通道關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如針對(duì)64T64R AAU可以隨話務(wù)容量的逐步降低，如圖2所示，由64T64R先降階至48T48R，最后降階至16T16R。且通過對(duì)剩余開啟通道功率譜抬升實(shí)現(xiàn)覆蓋補(bǔ)償。

通道關(guān)斷開關(guān)打開，在設(shè)置的節(jié)能時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測當(dāng)前上行/下行資源塊(ResourceBlock，RB)利用率，如果滿足條件，觸發(fā)執(zhí)行通道關(guān)斷操作，參數(shù)控制選擇關(guān)閉通道的策略，關(guān)閉部分TRX通道節(jié)能，涉及PA、部分TRX的關(guān)斷。當(dāng)不滿足條件或到達(dá)節(jié)能結(jié)束時(shí)間時(shí)退出通道節(jié)能狀態(tài)。

圖2 通道關(guān)斷工作原理示意

該方案適用于夜間低負(fù)荷場景，并且小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)用戶很少的情況下。此外，基站實(shí)施通道關(guān)斷時(shí)，一方面需要考慮發(fā)射功率的降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indicators，KPI)的影響，另一方面還需要考慮上行接收性能以避免誤估業(yè)務(wù)負(fù)荷的情況。因此，建議分開考慮上下行通道關(guān)斷功能，以達(dá)到更好的5G性能。

4 4/5G協(xié)同載波關(guān)斷

根據(jù)國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署原則，在4G基礎(chǔ)覆蓋完善的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)一般作為容量層承載高速需求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在夜間話務(wù)需求較低的時(shí)刻，可以關(guān)閉5G射頻發(fā)射，僅保留4G覆蓋滿足用戶需求，如圖3所示。

由于當(dāng)前5G為3.5 G單載波，因此載波關(guān)斷考慮的是系統(tǒng)間的載波關(guān)斷，即4G/5G間的協(xié)同，通過獲取4G基站和5G基站負(fù)荷，根據(jù)5G歷史負(fù)載情況，設(shè)置關(guān)斷策略（門限，時(shí)間）。若5G負(fù)載低于特定門限，則關(guān)斷5G載波；如果發(fā)現(xiàn)LTE負(fù)載高于特定門限時(shí)，打開5G載波。根據(jù)5G的組網(wǎng)方式有以下兩種載波關(guān)斷特性。

（1）NSA場景下，通過EN-DC X2接口，實(shí)現(xiàn)低業(yè)務(wù)時(shí)段關(guān)閉5G載波；

（2）SA場景下，通過網(wǎng)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低業(yè)務(wù)時(shí)段關(guān)閉5G載波。

圖3 4/5G協(xié)同載波關(guān)斷工作原理示意

針對(duì)雙載波或多載波同覆蓋的組網(wǎng)場景，在網(wǎng)絡(luò)較閑、小區(qū)業(yè)務(wù)量較低的情況下，可以通過載波關(guān)斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能目標(biāo)。具體地說，一個(gè)載波配置為覆蓋小區(qū)，其他載波為容量小區(qū)，這些小區(qū)形成一個(gè)同覆蓋小區(qū)組。當(dāng)同覆蓋小區(qū)組的RB占用率小于載波關(guān)斷門限并滿足遲滯時(shí)間后，通過負(fù)載均衡機(jī)制觸發(fā)用戶從容量小區(qū)切換到覆蓋小區(qū)，然后關(guān)斷容量小區(qū)的載波。當(dāng)同覆蓋小區(qū)組的RB占用率回升，大于載波開啟門限并滿足遲滯時(shí)間后，開啟容量小區(qū)的載波，并啟動(dòng)負(fù)載均衡機(jī)制，使得容量小區(qū)和覆蓋小區(qū)的負(fù)荷恢復(fù)到節(jié)能前的水平。這樣可以在閑時(shí)階段減少天線發(fā)射功率，從而達(dá)到基站節(jié)能的目的。

以NR的NSA方式組網(wǎng)時(shí)，可認(rèn)為其中的NR是容量制式，LTE是基礎(chǔ)覆蓋制式。如果NR業(yè)務(wù)量比較低，則可以智能地關(guān)斷NR，同時(shí)把流量轉(zhuǎn)移到LTE上。一旦LTE業(yè)務(wù)超過門限，再喚醒NR小區(qū)。這樣一來，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗隨著業(yè)務(wù)量變化而變化。載波關(guān)斷恢復(fù)時(shí)間在分鐘級(jí)，關(guān)閉的器件為PA、TRX、DPD芯片（DPDIC）和部分?jǐn)?shù)字基帶。載波關(guān)斷適合跟蹤網(wǎng)絡(luò)流量的慢速變化包絡(luò)。

5 深度休眠

深度休眠功能主要用于室內(nèi)覆蓋分布式皮站(Pico Radio Remote Unit，pRRU)，特別是商場、地鐵等典型潮汐場景。在業(yè)務(wù)空閑時(shí)，pRRU設(shè)備進(jìn)入深度休眠模式，如圖4所示，數(shù)字器件大部分功能關(guān)閉不再提供服務(wù)，或者直接下電，當(dāng)業(yè)務(wù)量增加并超過預(yù)定門限，則通過BBU設(shè)備激活pRRU設(shè)備，靈活實(shí)現(xiàn)基站設(shè)備節(jié)能功能。具體地說，設(shè)定深度休眠的啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間，以及檢測周期(如15 min)，檢測是否有終端駐留和發(fā)起業(yè)務(wù)。如果到達(dá)節(jié)能啟動(dòng)時(shí)間，pRRU下無業(yè)務(wù)且無終端駐留，則啟動(dòng)深度休眠(pRRU掉電或低功率運(yùn)行)；如果有業(yè)務(wù)或有終端駐留，則下一個(gè)周期再執(zhí)行檢測；如果到達(dá)節(jié)能停止時(shí)間點(diǎn)，則BBU觸發(fā)pRRU恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖4 深度休眠工作原理示意

6 智能節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)主要還是依賴簡單的模型或人工設(shè)定好的門限來決定開關(guān)與否，其參數(shù)設(shè)置相對(duì)保守，導(dǎo)致節(jié)能效果有限。所有參數(shù)都是由基站統(tǒng)一設(shè)置，并不能很好地適應(yīng)如今復(fù)雜多變的環(huán)境，無法解決不同環(huán)境下各基站節(jié)能策略的獨(dú)立選擇性問題，難以在用戶體驗(yàn)和節(jié)能效果間達(dá)到平衡。利用人工智能技術(shù)，如圖5所示，通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)構(gòu)建模型，同時(shí)引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練修正模型，進(jìn)而能夠在當(dāng)前環(huán)境下進(jìn)行節(jié)能場景的識(shí)別、負(fù)荷的智能預(yù)測、節(jié)能策略的智能推薦，在保證用戶體驗(yàn)的條件下，基站能達(dá)到智慧節(jié)能的效果。

圖5 智能節(jié)能技術(shù)流程模型

通過收集歷史時(shí)空特性數(shù)據(jù)分析無線資源利用率變化規(guī)律，對(duì)覆蓋小區(qū)的KPI進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估，利用人工智能技術(shù)充分考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶分布、場景特征并根據(jù)歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)無線資源利用率進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估，給出具體的節(jié)能配置策略，保障網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)有效降低能耗。

7 小結(jié)

預(yù)計(jì)到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力[5]，電費(fèi)將成為決定運(yùn)營商經(jīng)營能力的重要因素。本文針對(duì)NR基站四種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入研究，并創(chuàng)新性引入人工智能調(diào)度應(yīng)用平臺(tái)，通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的配置、性能統(tǒng)計(jì)、MR等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用人工智能算法，在系統(tǒng)性能和節(jié)能效果間達(dá)到最大平衡，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營發(fā)展效益。