陳斌 陳武軍 樊忠文

【摘要】? ? 隨著5G通信是當代到來，網絡架構復雜度提升，多層網絡性能過剩、能耗加劇，以多載波、大功率為代表的5G基站正在逐步成為運營商重要運營成本之一。為進一步降低運營成本，以當前網絡架構優(yōu)化為基礎結合AI算法完成多種網絡制式整體節(jié)能，在確保用戶感知不變情況下，實現(xiàn)運營商對能源利用效率的再提升。[1]

【關鍵詞】? ? 5G網絡? ? 多層網絡? ? AI智能? ? 能源利用率

Abstract：? With the advent of 5g communication， the complexity of network architecture is improved， the performance of multi-layer network is excessive and the energy consumption is increasing. 5g base station represented by multi carrier and high-power is gradually becoming one of the important operating costs of operators. In order to further reduce the operation cost， this paper combines with the current network architecture optimization and AI algorithm to complete the overall energy saving of various network systems， and improve the energy utilization efficiency of operators under the condition of ensuring the user perception unchanged[1].

Key words： 5G network，Multi-layer network， AI intelligence， Energy utilization rate

引言

至2016年175國簽署巴黎氣候協(xié)議以來，移動通信作為首個承諾節(jié)能減排的目標產業(yè)，當前全球已經超過50家運營商明確承諾節(jié)能目標。而5G作為新時代通信技術，憑借其無可比擬的技術優(yōu)勢正在構建全球新經濟基礎，但是隨著通信技術同代發(fā)展，整體能耗只升不降，為節(jié)能減排降低運營成本愈發(fā)困難。為可持續(xù)性發(fā)展，必須加快現(xiàn)網多制式網絡融合節(jié)能減排，不能僅僅局限于5G單制式節(jié)能降耗[1]。

一、當前移動通信網絡架構

網絡制式的發(fā)展節(jié)奏明顯快于終端替換，當前全球依舊存在于11億部單模2G制式終端，9億部單模3G終端，90億部4G多模終端以及新增的1億部5G多模終端。從1992年第一個2G正式商用至今已有快30年，終端類型雖每年以1000+速度更新，但其基礎通信功能依舊受制于通信運營商建設進展而更新緩慢。以中國為例，全國超過680萬座通信基站，其中2G、3G基站占比超過30%，接近210萬座，而現(xiàn)網依舊存在約2000萬單模2G終端，3600萬單模3G終端[2，3]。因此網絡技術的迭代無法完全取代前期已經建設通信基礎制式，只有加快終端迭代，多制式融合方式才能降低運營商運營成本，實現(xiàn)節(jié)能減排目標。當前各大運營商主要網絡架構如下，以2G作為偏遠山區(qū)、海域、作為基礎語音保障體系，3G作為2G補充層需要逐步實現(xiàn)退網，4G作為容量層和主要承載層依舊在逐步滲透建設，5G為未來容量層在逐步建設中。

二、多層制式協(xié)同節(jié)能減排

2.1基站制式縮減，3G逐步退網

以中國移動為例，作為國內最大運營商，在國內總計已經完成462萬個基站建設工作，至2020年底新增4萬個4G基站，30萬個5G基站并且完成主要城市5G城區(qū)建設覆蓋工作和4G未覆蓋區(qū)補充工作[4]。同時中國移動積極參與引導3G單模老用戶退網，進入4G網絡工作，擬規(guī)劃2021年底完成全部3G基站退網清頻，最終形成2G山區(qū)、遠海覆蓋、4G基礎容量層、5G流量引導層向2G山區(qū)、遠海覆蓋、4G DSS改造45G融合、5G容量層轉變。目前針對存量2G用戶采取向上升級至4G，但是支持原有2G制式，保留基本語音通話基礎功能同時用戶具備自主升級4G5G終端制式。針對3G用戶進行引導式勸退，直接有序關閉3G站點，各區(qū)域通過一定終端置換引導升級至45G網絡，進一步降低基站復雜程度。隨著3G完全退網，多層網絡架構趨向于簡潔化，基站整體數量不會因5G基站數量上升而出現(xiàn)大幅度增加，且相比原有基礎網絡整體電費運營、人工維護等方面有較明顯的成本降低。

2.2 45G功能融合，減少大功率基站

在5G R15標準制定中引入新的概念即LTE FDD和NR瞬時動態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing），來進一步優(yōu)化45G無法真正融合的尷尬處境，同時加快4G用戶向5G容量過度進程。其主要依據是5G TDD的頻譜大帶寬和Massive MIMO技術是真正能夠提供eMBB 10倍能力提升的，但也有其缺點，頻譜要可獲得，可使用，高頻頻譜覆蓋不如低頻，尤其是上行。在采用FDD制式基站上可以同步部署NR，基站硬件不用做大的改動，只需新增5G基帶板、軟件升級就可以支持5G，具有同時做到成本低，部署快、廣覆蓋5G的優(yōu)勢。5G初期用戶滲透率需要時間逐步提升，存在大量網絡空閑浪費資源，這也是造成單用戶能耗比高的重要因素之一。通過LTE&NR DSS即動態(tài)頻譜共享，在原有4G FDD基站上實現(xiàn)4G、5G能夠同時接入，按需提供4G和5G的服務，動態(tài)靈活調整降低5G單獨部署基站成本[5]。5G無法因其自身大頻譜、Massive MIMO技術特性無法做到整體低功耗運行，以單個64T64R 型AAU站點主設備單日功耗來算空載功耗2.1-2.2KW，均載功耗3.1-3.2KW，滿載功耗3.7-3.9KW遠遠超出4G空載1.1KW的功耗水平，因此無法做到類似于4G基站全區(qū)域覆蓋或者1：1覆蓋。隨著45G用戶迭代加快，運營商需要逐步完成郊區(qū)和農村5G覆蓋工作，同時保留4G基礎覆蓋，因此具備DSS能力的基站改造成為首選。按照既有規(guī)劃，后期網絡架構最終會形成2G＼4G作為基礎覆蓋層，5G作為容量層，同時大部分4G能夠實現(xiàn)5G用戶接入來保障5G體驗以及后期實現(xiàn)5G大功率基站閑時節(jié)能策略的實施。

2.3基于AI算法的5G基站節(jié)能

隨著制造工藝和智能化信息技術的發(fā)展，5G基站具備了硬件和軟件雙向節(jié)能的能力，即能夠通過高集成度芯片、高密度元器件實現(xiàn)單功耗高承載的硬件節(jié)能和通過技術算法實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的軟件節(jié)能[6]。當前常規(guī)5G軟件節(jié)能方案主要有符號關斷、載波關斷、通道關斷、深度休眠等實現(xiàn)手段通過相應時間的把控來最大限度進行節(jié)能來提升基站設備資源利用效率。5G初期用戶流量使用模型不太穩(wěn)定，一味追求低功耗將極大影響現(xiàn)網用戶實際體驗，因此需要根據現(xiàn)網實際用戶行為進行模擬計算來判定采用何種節(jié)能方式，兼顧用戶體驗。AI+驅動確定KPI意圖的節(jié)能模式可以作為創(chuàng)新性節(jié)能方式，能夠通過AI智能運算測量出現(xiàn)網實際用戶體驗而針對性采取對應節(jié)能方案。如圖所示需要通過AI計算構建KPI-資源-能耗模型，達成基于確定性意圖的節(jié)能。實施方法為根據載波資源確定候選關斷組合，下發(fā)模擬關斷，AI預測不同關斷組合下小區(qū)PRB利用率、KPI（速率），之后利用能耗模型預測小區(qū)能耗收益，最終根據尋優(yōu)策略獲取滿足確定KPI下的最優(yōu)關斷策略。

運營商依據自有設備資源架構以及對現(xiàn)網關鍵KPI指標定義來動態(tài)發(fā)掘5G節(jié)能優(yōu)勢同時確?，F(xiàn)網5G用戶實際體驗不下降，從而保障45G用戶平穩(wěn)過度整體節(jié)能方案思路，是一種有效保障用戶感知和功耗相平衡的新型節(jié)能方式。其中關鍵核思路為通過大量數據采集通過AI集群分析計算，將客戶注重關鍵KPI指標如體驗速率高于設定門限值的比例、優(yōu)化區(qū)域的切換增加次數、切換成功率、優(yōu)化區(qū)域流量穩(wěn)定、接入成功率、掉話率等，下發(fā)相對應節(jié)能參數結合模擬仿真輸出與現(xiàn)網實施相匹配的節(jié)能方案。

三、節(jié)能評估

多層次網絡架構下的節(jié)能評估無法單純通過單個基站進行縱向節(jié)能評估，因此我們可以通過將現(xiàn)網基站進行柵格化處理，柵格內所有基站節(jié)能評估設為Ai，以時間粒度t為基準，所有基站總功耗Wi為橫坐標，同一時間段內總話務量E2G權值a1、E4G權值a2、E5G權值a3，區(qū)域總流量L2G權值b1、L4G權值b2、L5G權值b3進行整體業(yè)務功耗比計算[7，8]。

通過一定時間段內對柵格內所有基站業(yè)務量對比總體功耗比值來判定區(qū)域性基站節(jié)能效果，同時可以通過話務量和功耗對應變化及時修正節(jié)能參數下發(fā)。

四、結束語

當前運營商網絡架構單獨進行某一種制式站點節(jié)能已經無法有效完成節(jié)能初衷，且運營商一定是以用戶體驗為基礎合理優(yōu)化全制式基站節(jié)能參數。隨著現(xiàn)網大量終端迭代對網絡質量需求愈發(fā)明顯，低制式網絡已經逐步被高制式網絡取代，整體業(yè)務容量由2G-3G-4G-5G逐步發(fā)展，因此適時合理規(guī)劃全制式網絡節(jié)能有利于降低運營商運營成本且符合節(jié)能環(huán)保的大方向。同時隨著人工智能發(fā)展，運營商可以通過前期的數據建模分析來預判未來一定時間段內節(jié)能走勢，通過柵格化、區(qū)域化參數下發(fā)來達到業(yè)務穩(wěn)定，業(yè)務基站功耗下降的目標。

參? 考? 文? 獻

[1]梁力維，李榮聰，. 基于AI的5G基站節(jié)能技術研究[J]. 移動通信，2019，（12）.

[2] Chang K C， Chu K C， Wang H C， et al. Energy saving technology of 5G base station based on Internet of Things collaborative control[J]. IEEE Access， 2020， 8： 32935-32946.

[3]張化，李鵬，魯娜，蔡博文，李皛. 5G基站節(jié)能技術性能評估研究[J]. 電子技術應用，2020，（10）.

[4]中國移動. 中國移動5G白皮書 [Z]. 2019.

[5]中國電信. 中國電信人工智能發(fā)展白皮書V1.0[Z]. 2019.

[6]張志榮，許曉航，朱雪田，夏旭，. 基于AI的5G基站節(jié)能技術研究[J]. 電子技術應用，2019，（10）. [7]曹萌，. 關于通信基站節(jié)能減排評估指標及評估方法的探究[J]. 科技風，2012，（21）.

[8]張高記，呂建東，陳文學. 通信基站節(jié)能減排評估指標及評估方法研究[J]. 電信學，2011，（3）.