祝海云，沈佳成，居新星

（中國(guó)電信股份有限公司 金華分公司，浙江 金華 315000）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越建越大，運(yùn)營(yíng)商能耗持續(xù)增長(zhǎng)，以中國(guó)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)為例，2015年相比2011年運(yùn)營(yíng)商能耗增長(zhǎng)近40%，而2020年相比2015年，能耗增長(zhǎng)將達(dá)到60%左右。隨著5G的建設(shè)以及5G有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）的大規(guī)模商用，相比于3G、4G主用的遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU），由于AAU的功耗較大，其能耗也將成倍的增長(zhǎng)。5G定義了增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（massive Machine Type of Communication，mMTC）、超可靠低延遲通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）3大業(yè)務(wù)類型，使得5G小包突發(fā)性的業(yè)務(wù)不斷增多，基站24 h不間斷地工作，5G站點(diǎn)的日均能耗也將是4G的兩倍多[1]。

3GPP在5G時(shí)代引入了大規(guī)模天線（Massive MIMO）和更大射頻帶寬等關(guān)鍵技術(shù)，5G支持更高的數(shù)據(jù)速率、更大的數(shù)據(jù)流量，因此需要更多的傳輸帶寬，高頻段的部署將是5G未來(lái)擴(kuò)展的主要頻段[2]。而高頻段傳輸特性限制了站點(diǎn)的覆蓋范圍，從而使5G站點(diǎn)部署較為密集，而且增加站點(diǎn)所帶來(lái)的能耗將會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)巨大的運(yùn)營(yíng)成本壓力[3]。

1 如何節(jié)能

5G基站主要由基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、AAU、饋線、散熱系統(tǒng)等組成。BBU和AAU是5G基站的主要部分，AAU就是RRU+天線的組合。BBU由電源板、風(fēng)扇、基帶板以及主控板組成[4]。AAU主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digital to Analog Conversion，DAC）、 射頻單元（Radio Frequency，RF）、功率放大器（Power Amplifier，PA）以及天線等部分組成，主要負(fù)責(zé)將基帶數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，再調(diào)制成高頻射頻信號(hào)，然后通過(guò)PA放大至足夠功率后，由天線發(fā)射出去。

在整個(gè)基站系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)處理信號(hào)編解碼的BBU的功耗相對(duì)較小，而RRU/AAU和散熱系統(tǒng)是功耗的主要來(lái)源。從射頻模塊的能耗分布來(lái)看，大部分能耗集中在PA上，占比約80%，同時(shí)也有20%的其他能耗。傳統(tǒng)符號(hào)關(guān)斷、載波關(guān)斷以及通道關(guān)斷就主要是針對(duì)PA做的節(jié)能方案，本文主要介紹在傳統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)上采用節(jié)能調(diào)度+深度符號(hào)新技術(shù)來(lái)降低基站的能耗。

2 基站節(jié)能方案

2.1 現(xiàn)網(wǎng)基站節(jié)能方案

現(xiàn)網(wǎng)基站節(jié)能技術(shù)主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，將暫時(shí)空閑的射頻資源進(jìn)行關(guān)閉，從而進(jìn)行基站節(jié)能[5]。根據(jù)用戶業(yè)務(wù)是否受影響可以分為符號(hào)關(guān)斷、射頻通道智能關(guān)斷以及射頻深度休眠。

2.1.1 符號(hào)關(guān)斷

符號(hào)是時(shí)頻域資源的一個(gè)概念，其在時(shí)域上占有一定長(zhǎng)度，頻域上占據(jù)整個(gè)載波的帶寬。14個(gè)符號(hào)組合為1個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙構(gòu)成子幀，10個(gè)子幀構(gòu)成1個(gè)無(wú)線幀，從而形成基帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)制可形成射頻信號(hào)。符號(hào)可以用來(lái)承載數(shù)據(jù)、傳輸信息，其在時(shí)域上處于連續(xù)不斷的傳送狀態(tài)，當(dāng)符號(hào)沒有承載數(shù)據(jù)時(shí)，如果基站繼續(xù)發(fā)送無(wú)數(shù)據(jù)的符號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)效能耗。而射頻模塊的PA用于放大射頻信號(hào)的功率，以增大射頻信號(hào)的覆蓋范圍。符號(hào)關(guān)斷示意如圖1所示，當(dāng)符號(hào)沒有承載數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)符號(hào)關(guān)斷功能實(shí)時(shí)快速關(guān)閉PA，以減少能耗；當(dāng)符號(hào)有承載數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)符號(hào)關(guān)斷功能實(shí)時(shí)快速打開PA，以保證數(shù)據(jù)傳送的完整性[6]。

圖1 符號(hào)關(guān)斷示意

2.1.2 射頻通道智能關(guān)斷

基站在某些時(shí)間段處于輕載或空載，但射頻模塊的發(fā)射通道仍處于工作狀態(tài)，造成了基站能耗的浪費(fèi)。如圖2所示，射頻通道智能關(guān)斷可在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)小區(qū)處于輕載或空載時(shí)，基站自動(dòng)關(guān)斷本小區(qū)的部分發(fā)射通道，從而達(dá)到節(jié)能的目的[7]。同時(shí)基站會(huì)自動(dòng)調(diào)整小區(qū)公共信道的發(fā)射功率，以盡量保證基站的覆蓋和業(yè)務(wù)不受影響。由于陣列增益和功率增益損失，信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indication，CQI）會(huì)下降，若秩不變，則調(diào)制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）會(huì)下降；若秩下降，則MCS可能會(huì)抬升，也可能會(huì)下降，導(dǎo)致下行頻譜效率降低，傳輸相同數(shù)據(jù)量所需的下行資源塊（Resource Block，RB）會(huì)增加，所以下行利用率會(huì)抬升。

圖2 射頻通道智能關(guān)斷示意

2.1.3 射頻深度休眠

射頻模塊是基站必不可少的一部分，其主要完成射頻信號(hào)的接收和發(fā)送、基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)處理、功率放大等。當(dāng)射頻模塊下存在用戶時(shí)，保持工作可以為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；但若射頻模塊下不存在用戶時(shí)，繼續(xù)保持工作就會(huì)產(chǎn)生無(wú)效能耗。射頻深度休眠示意如圖3所示，固定時(shí)段無(wú)業(yè)務(wù)場(chǎng)景時(shí)，基站可使射頻模塊處于休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)配置的休眠時(shí)間時(shí)，基站會(huì)先禁止新用戶接入，切換在線用戶。若射頻模塊上小區(qū)切換在線用戶后仍有用戶在線，基站會(huì)在等待時(shí)長(zhǎng)超時(shí)后強(qiáng)制休眠小區(qū)，射頻模塊進(jìn)入深度休眠。射頻模塊深度休眠與射頻模塊側(cè)其他節(jié)能功能（如符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷等）同時(shí)開啟時(shí)，會(huì)優(yōu)先進(jìn)入射頻模塊深度休眠節(jié)能功能。射頻模塊進(jìn)入深度休眠后不再發(fā)射信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致覆蓋區(qū)域內(nèi)無(wú)線信號(hào)變差，出現(xiàn)用戶體驗(yàn)（User Experience，UE）掉話、無(wú)法接入等現(xiàn)象[8]。

圖3 射頻深度休眠示意

2.2 深度符號(hào)+節(jié)能調(diào)度

2.2.1 深度符號(hào)

基站設(shè)備中，除PA外，射頻模塊的無(wú)線射頻芯片的能耗也較多，在沒有信號(hào)輸出時(shí)，無(wú)線射頻芯片也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)能耗。為進(jìn)一步降低基站能耗，同時(shí)又能保證數(shù)據(jù)傳送的完整性，開啟深度符號(hào)關(guān)斷后，基站能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)下行符號(hào)周期內(nèi)是否有承載數(shù)據(jù)，在沒有承載數(shù)據(jù)的下行符號(hào)周期內(nèi)關(guān)閉無(wú)線射頻芯片。深度符號(hào)示意如圖4所示。

圖4 深度符號(hào)示意

2.2.2 節(jié)能調(diào)度

在現(xiàn)網(wǎng)中，對(duì)于小包業(yè)務(wù)占比較高的場(chǎng)景，有較多下行子幀只調(diào)度了少量RB，而這些子幀由于有數(shù)據(jù)發(fā)送，無(wú)法進(jìn)行符號(hào)關(guān)斷。對(duì)于多載波共射頻通道場(chǎng)景，由于各載波業(yè)務(wù)分布的隨機(jī)性，各載波公共可關(guān)斷的空閑子幀較少。調(diào)度節(jié)能功能通過(guò)降低系統(tǒng)消息和尋呼的發(fā)送頻度換取更多的無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間窗，并在該時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行符號(hào)關(guān)斷，進(jìn)一步提升符號(hào)關(guān)斷的節(jié)能效果[9]。

節(jié)能調(diào)度功能可通過(guò)如下4種方式獲取更多無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)，并進(jìn)行符號(hào)關(guān)斷，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

（1）剩余最小系統(tǒng)信息廣播周期動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)基站檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)處于輕載或空載時(shí)，延長(zhǎng)剩余最小系統(tǒng)信息（Remaining Minimum System Information，RMSI）廣播周期，以獲取無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)[10]。當(dāng)基站檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)處于常規(guī)負(fù)載時(shí)，恢復(fù)RMSI廣播周期。RMSI廣播周期動(dòng)態(tài)調(diào)整示意如圖5所示。

圖5 RMSI廣播周期動(dòng)態(tài)調(diào)整示意

（2）尋呼幀數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)基站檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)處于輕載或空載時(shí)，減少尋呼周期（T）內(nèi)的尋呼幀（Paging Frame，PF）數(shù)量，以獲取無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)。當(dāng)基站檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)處于常規(guī)負(fù)載時(shí)，恢復(fù)尋呼周期內(nèi)的尋呼幀數(shù)量。PF數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整示意如圖6所示，在進(jìn)入節(jié)能調(diào)度狀態(tài)下默認(rèn)生效。

圖6 PF數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整

（3）符號(hào)匯聚?；谖锢硐滦泄蚕硇诺溃≒hysical Downlink Shared Channel，PDSCH）數(shù)據(jù)的大小，對(duì)一個(gè)時(shí)隙內(nèi)有PDSCH數(shù)據(jù)的符號(hào)按照“擴(kuò)頻域，壓時(shí)域”的原則調(diào)度匯聚，即在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)支持將時(shí)域上的部分PDSCH數(shù)據(jù)調(diào)度匯聚到最少7個(gè)有PDSCH數(shù)據(jù)的符號(hào)所在的頻域上，以最大限度獲取無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)。符號(hào)匯聚示意如圖7所示。

圖7 符號(hào)匯聚示意

（4）時(shí)隙匯聚。以增加一定的調(diào)度時(shí)延為代價(jià)，把PDSCH數(shù)據(jù)調(diào)度匯聚到主信息塊（Master Information Block，MIB）、系統(tǒng)信息塊（System Information Block，SIB）、其他系統(tǒng)信息（Other System Information，OSI）或Paging對(duì)應(yīng)的時(shí)隙上發(fā)送，使PDSCH數(shù)據(jù)的調(diào)度在時(shí)域上更集中，以獲取無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)。如圖8所示，時(shí)隙匯聚在進(jìn)入節(jié)能調(diào)度狀態(tài)下默認(rèn)生效。

圖8 時(shí)隙匯聚示意

3 節(jié)能效果

3.1 當(dāng)前節(jié)能效果

3.1.1 符號(hào)關(guān)斷

選取現(xiàn)網(wǎng)64T的30個(gè)小區(qū)做節(jié)能效果試點(diǎn)，其中開啟符號(hào)關(guān)斷單小區(qū)的平均能耗約為11.25 kW·h，未開啟符號(hào)關(guān)斷的能耗約為12.5 kW·h，節(jié)能效果約為10%，如圖9所示。

圖9 開啟符號(hào)關(guān)斷能耗統(tǒng)計(jì)

3.1.2 射頻通道智能關(guān)斷

選取26個(gè)小區(qū)進(jìn)行RF通道效果評(píng)估，其中在射頻通道智能關(guān)斷生效時(shí)間段內(nèi)，開啟時(shí)間段內(nèi)單小區(qū)節(jié)約能耗為0.3 kW·h，現(xiàn)網(wǎng)開啟通道關(guān)斷的同時(shí)開啟符號(hào)關(guān)斷，整體大約節(jié)能度數(shù)為1.5 kW·h，節(jié)能效果約為12.1%。試點(diǎn)區(qū)域射頻通道智能關(guān)斷節(jié)能效果如圖10所示。

圖10 開啟射頻通道智能關(guān)斷能耗統(tǒng)計(jì)

3.1.3 射頻深度休眠

選取26個(gè)小區(qū)進(jìn)行AAU深度休眠效果評(píng)估，其中在AAU深度休眠生效時(shí)間段內(nèi)，開啟時(shí)間段內(nèi)單小區(qū)節(jié)約能耗為0.9 kW·h，現(xiàn)網(wǎng)開啟通道關(guān)斷的同時(shí)開啟符號(hào)關(guān)斷，整體大約節(jié)能度數(shù)為1.9 kW·h，節(jié)能效果約為15.2%。試點(diǎn)區(qū)域AAU深度休眠節(jié)能效果如圖11所示。

圖11 開啟射頻深度休眠能耗統(tǒng)計(jì)

3.2 節(jié)能調(diào)度+深度符號(hào)的創(chuàng)新方案節(jié)能效果

將義烏精品網(wǎng)內(nèi)已開通符號(hào)關(guān)斷的296個(gè)AAU進(jìn)行節(jié)能新特性下發(fā)，將生效時(shí)間設(shè)置為07：00-23：00點(diǎn)。結(jié)合3天的AAU的能耗來(lái)看，整體節(jié)電度數(shù)為311 kW·h，節(jié)能效果較開啟符號(hào)關(guān)斷再提升14.45%，節(jié)能效果如圖12所示，生效時(shí)間內(nèi)無(wú)線接通率、掉話率、CQI優(yōu)良率、用戶數(shù)以及流量無(wú)明顯波動(dòng)。

圖12 開啟節(jié)能調(diào)度+深度符號(hào)能耗統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

5G站點(diǎn)的能耗一直是運(yùn)行設(shè)計(jì)、逐步降低基站設(shè)備的基礎(chǔ)功耗。節(jié)能調(diào)度+深度符號(hào)能夠在不影響網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的前提下，在已有的符號(hào)關(guān)斷基礎(chǔ)上再節(jié)省14.65%的AAU能耗，大幅度降低運(yùn)營(yíng)商的OPEX成本，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。