［富越 張振］

1 概述

5G 基于SDN 與NFV 的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，接入網(wǎng)采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)，可支持大帶寬、低時延、海量連接等多種智能業(yè)務(wù)場景。與4G 相比，5G 移動網(wǎng)絡(luò)的速率、時延等性能指標(biāo)有數(shù)十倍的提升，但能耗也隨之進(jìn)一步加劇。預(yù)計至2025 年通信行業(yè)將占據(jù)20%的電力能源消耗，高能耗帶來的巨大運營成本，是運營商及通信行業(yè)亟待解決的問題。

接入網(wǎng)機(jī)房承載了無線網(wǎng)中基帶處理和射頻等設(shè)備，其能耗在移動通信網(wǎng)絡(luò)中占比最高。5G 接入網(wǎng)設(shè)備的功能更復(fù)雜，硬件處理能力更強(qiáng)大，功耗比4G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提高數(shù)倍。節(jié)能減排，綜合考慮接入網(wǎng)機(jī)房中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及配套設(shè)施的節(jié)能方案，是未來5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展必須面臨的問題。

2 5G 無線網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為支持高速率、低時延和海量連接的業(yè)務(wù)需求與挑戰(zhàn)，5G 采用NFV 和SDN 技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)功能與物理硬件實體解耦，控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，以通用硬件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用硬件，從而提高資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本與能耗。基于NFV 和SDN 技術(shù)，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)一步扁平化，主要包含轉(zhuǎn)發(fā)、控制、接入3 個功能平面。核心網(wǎng)具備轉(zhuǎn)發(fā)和控制功能，其中轉(zhuǎn)發(fā)平面從網(wǎng)絡(luò)中心下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，以提供高效智能的轉(zhuǎn)發(fā)控制功能。

無線接入網(wǎng)只包括gNB 一級網(wǎng)元，采用了NR 新空口技術(shù)與Massive MIMO 大規(guī)模天線技術(shù)。5G NR 新空口協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1 所示，以4G/LTE 協(xié)議層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，控制面保持不變，用戶面在分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）層上增加數(shù)據(jù)適配協(xié)議（SDAP）層，主要負(fù)責(zé)Qos 流與數(shù)據(jù)無線承載之間的映射，并為數(shù)據(jù)包添加QFI（Qos flow ID）標(biāo)記。

圖1 5G 空口協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

MIMO 技術(shù)可增加信道容量，提升頻譜效率。4G 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般采用2×2MIMO 或4×4MIMO，在相同時頻資源中可并行傳輸2 或4 個數(shù)據(jù)流。5G 網(wǎng)絡(luò)主流配置為64×64MIMO，最大支持16 或32 個數(shù)據(jù)流，相對于4G 網(wǎng)絡(luò)可成倍提升頻譜效率。

2.2 基站形態(tài)

5G 接入網(wǎng)元gNB 將傳統(tǒng)的基帶處理單元BBU 拆分為DU 與CU 部分，射頻天線與射頻拉遠(yuǎn)單元RRU 集成為AAU。接入網(wǎng)元由傳統(tǒng)的BBU、RRU 兩級結(jié)構(gòu)向集中單元（CU）、分布式單元（DU）、有源天線（AAU）三級結(jié)構(gòu)演進(jìn)。5G 空口協(xié)議映射至基站設(shè)備的物理形態(tài)如圖2 所示，CU 實現(xiàn)高層基帶協(xié)議即PDCP、RRC/SDAP 層協(xié)議的功能，并提供接入網(wǎng)與核心網(wǎng)間的回傳接口；DU 實現(xiàn)底層基帶協(xié)議即RLC、MAC、PHY 層協(xié)議的功能，并提供基帶處理與射頻單元間的前傳接口。CU與DU 通過F1 接口連接，可基于NFV/SDN 技術(shù)高效實現(xiàn)密集組網(wǎng)下的集中控制與負(fù)載管理，增強(qiáng)小區(qū)間協(xié)作。AAU 實現(xiàn)基帶信號與射頻信號的轉(zhuǎn)換和部分基帶物理層底層功能。

森林防火造林質(zhì)量對整個森林至關(guān)重要，因為森林防火造林質(zhì)量代表了森林的生存時間和生存狀態(tài)。對于需要造林的城鄉(xiāng)來說，造林只是造林的一個方面，造林的質(zhì)量與許多方面有關(guān)。人們應(yīng)該能夠避免有害的措施。提高森林防火造林質(zhì)量的措施很多，每一項措施都是一定的技能，因此工作人員必須熟練地操作每一項措施，以避免不必要的損失。同時，在森林防火造林質(zhì)量管理中仍然需要重視，因為管理是起點，所以每個工作人員都需要注意這項工作，以便更好地提高造林質(zhì)量。

圖2 5G 基站設(shè)備形態(tài)

CU 設(shè)備基于通用硬件，支持軟、硬件解耦和虛擬化技術(shù)，將BBU 設(shè)備中非實時部分的功能分割出來，負(fù)責(zé)處理接入網(wǎng)絡(luò)中非實時協(xié)議與服務(wù)。DU 設(shè)備可與BBU共硬件，負(fù)責(zé)處理原BBU 設(shè)備中物理層協(xié)議和實時服務(wù)。AAU 設(shè)備集成射頻單元與天線單元，由有源天線陣列構(gòu)成，支持Massive MIMO 技術(shù)，可根據(jù)區(qū)域業(yè)務(wù)量可支持64、32、16 等不同通道數(shù)。

綜合考慮不同場景業(yè)務(wù)需求、建設(shè)環(huán)境及傳輸配套等因素，接入設(shè)備可靈活部署。CU 與DU 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中可分離布放，也可以合設(shè)，即集成在同一個物理設(shè)備中同時實現(xiàn)CU 和DU 的邏輯功能。如圖3 所示，根據(jù)設(shè)備的布放方式，5G RAN 主要包括分布式無線接入網(wǎng)（D-RAN）、集中化無線接入網(wǎng)（C-RAN）和CU 云化3 種部署形式，詳見圖3。

圖3 5G RAN 部署形式

由于DU 用以實現(xiàn)底層基帶協(xié)議，有較高的實時性要求，難以實現(xiàn)虛擬化，且CU 虛擬化存在高成本的問題，因此5G建設(shè)初期較多采用CU/DU 合設(shè)的部署方案。同時，受限于站址密度大、建設(shè)成本高、維護(hù)工作繁重等問題，5G RAN 建設(shè)初期將大量采用C-RAN 部署形式，且延續(xù)4G網(wǎng)絡(luò)中BBU集中部署的方式，將BBU處理資源集中化、開放化和云計算化，形成BBU 基帶池，以達(dá)到節(jié)約末端投資和減少維護(hù)成本的效果。

3 能耗分析

雖然基于Massive MIMO 技術(shù)，5G 網(wǎng)絡(luò)每bit 的耗電量大幅下降，其能效比相對于4G 網(wǎng)絡(luò)提升了幾十倍，但面對海量數(shù)據(jù)及超密集組網(wǎng)建設(shè)，5G 網(wǎng)絡(luò)能耗的絕對值已顯著增加。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，約80%的能耗來自于接入網(wǎng)基站，而5G 接入網(wǎng)基站的能耗可分為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗與機(jī)房配套設(shè)施能耗。

3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗

5G 基站設(shè)備主要包括CU、DU/BBU、AAU，設(shè)備部署方式不同中，基站的能耗也不同。當(dāng)CU 與DU 分離布放時，基于通用硬件平臺實現(xiàn)的CU 設(shè)備可根據(jù)部署需求靈活配置容量，1 個CU 設(shè)備可管理幾十到幾百個DU設(shè)備。因此不同配置的CU 設(shè)備在規(guī)格、體積方面也不同，設(shè)備功耗在幾百瓦到幾千瓦之間。

CU 與DU 合設(shè)時，設(shè)備的物理形態(tài)類似4G 網(wǎng)絡(luò)的BBU 設(shè)備，可稱為5G BBU。5G BBU 設(shè)備可沿用4G BBU 的組成結(jié)構(gòu)，基于ASIC、FPGA 等專用芯片，由主控傳輸板與基帶處理板等處理器構(gòu)成。5G BBU 設(shè)備需采用更大數(shù)量的芯片，以完成高速運算和存儲，因此單臺設(shè)備功耗較4G 有所增加，約為300 瓦。

AAU 設(shè)備由功放、數(shù)字中頻、收發(fā)信板及電源等其他模塊組成。5G 無線網(wǎng)的大帶寬對AAU 數(shù)字中頻芯片的性能提出了更高要求，使其功耗也隨之增大。AAU 集成大規(guī)模大線陣列，通道數(shù)量成倍增加，但目前可支持多通道的數(shù)字中頻器件并不成熟，使AAU 集成度不高，功放及數(shù)字信號處理器件的功耗會隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷的增大而增大。當(dāng)業(yè)務(wù)滿載時，AAU 設(shè)備功耗可達(dá)1 200 千瓦。

以CU/DU 合設(shè)，并采用D-RAN 無線接入部署的方式進(jìn)行測算，區(qū)域采用3 扇區(qū)覆蓋，則單基站5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗約為3.9 千瓦，當(dāng)3 家運營商共站址時，功耗可達(dá)12 千瓦。

3.2 配套設(shè)施能耗

機(jī)房內(nèi)配套設(shè)施主要包括交直流電源系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。交直流電源系統(tǒng)的能耗主要體現(xiàn)在外市電引入和機(jī)房內(nèi)電纜的線損、供電系統(tǒng)節(jié)點導(dǎo)致的高次諧波與能量損耗、開關(guān)電源整流效率等方面。動環(huán)監(jiān)控與照明系統(tǒng)的能耗較小且固定，不會隨著機(jī)房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗的增大而增大。

綜上所述，當(dāng)三家運營商共站址時，5G 接入網(wǎng)單站總能耗將近16 千瓦；如果再考慮與其他2G/3G/4G 制式共存，則單站總能耗最高可達(dá)30 千瓦。目前全國5G 基站數(shù)量已近60 萬，通信網(wǎng)絡(luò)的能耗成本進(jìn)一步增大，為運營商及通信行業(yè)帶來巨大的壓力，5G 基站節(jié)能已成為通信行業(yè)必須考慮的問題。

4 節(jié)能技術(shù)

4.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能

4.1.1 硬件優(yōu)化

5G 基站中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗主要來自AAU 與BBU 設(shè)備。提升AAU 與BBU 硬件設(shè)備的性能，是降低網(wǎng)絡(luò)運行功耗最基本的措施。設(shè)備硬件性能的提升主要受芯片處理能力和器件集成度的影響。

當(dāng)業(yè)務(wù)滿載時，AAU 功放模塊的功耗約占AAU 總功耗的58%，采用新材料、新技術(shù)如氮化鎵（GaN）芯片、Doherty 功放等優(yōu)化AAU 功放模塊設(shè)計，提升工作效率。BBU 設(shè)備內(nèi)部基帶信號處理器可采用ASIC 專用芯片替代FPGA 等高功耗器件，從而提高性能，降低基帶信號的處理功耗。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的芯片一般采用28 nm 或14 nm 技術(shù)，隨著5G 芯片技術(shù)與工藝的不斷提升，盡快采用10 nm或7 nm 技術(shù)，可減少硬件基礎(chǔ)功耗近50%。

5G 收發(fā)通道數(shù)由4G 的8/4 增加為64/32，當(dāng)前芯片所支持的通道數(shù)有限，造成設(shè)備運行功耗大幅度提升。提高數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字中頻、基帶處理芯片的集成度，可有效降低信號收發(fā)與處理的功耗。

4.1.2 軟件控制

在不影響用戶感知體驗的前提下，根據(jù)無線通信業(yè)務(wù)的潮汐效應(yīng)，綜合考慮業(yè)務(wù)在時間、空間的分布特征及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化等因素，通過軟件控制功能，動態(tài)調(diào)整關(guān)斷部分資源，保障設(shè)備在低功耗狀態(tài)下有效運行，以達(dá)到節(jié)能效果。軟件控制節(jié)能技術(shù)主要包括符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、深度休眠和載波關(guān)斷等。

基站檢測到部分下行符號無數(shù)據(jù)發(fā)送時，關(guān)閉AAU的功放功能，當(dāng)出現(xiàn)有數(shù)據(jù)符號時開啟AAU 功放功能。符號關(guān)斷和開啟時間在微秒級別，以不影響通信網(wǎng)絡(luò)性能。通過優(yōu)化基站的調(diào)度算法，集中收發(fā)數(shù)據(jù)在特定符號內(nèi)，可增大無數(shù)據(jù)符號的比例，以獲得最佳的符號關(guān)斷節(jié)能效果。

AAU 集成大規(guī)模大線陣列，通道數(shù)量成倍增大。根據(jù)覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)量變化情況，在業(yè)務(wù)負(fù)荷較低時關(guān)閉部分射頻通道，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)荷恢復(fù)或增大時再重新開啟已關(guān)閉的通道，從而降低射頻通道的收發(fā)功耗。通道關(guān)斷和開啟時間在秒級，以不影響基站的覆蓋能力。當(dāng)覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)負(fù)荷降低至一定閾值時，可采用AAU 深度休眠功能，即只保留基本的數(shù)字接口電路，關(guān)閉AAU 功放、大部分射頻與數(shù)字通路功能，進(jìn)一步降低AAU 設(shè)備運行功耗。深度休眠狀態(tài)的恢復(fù)時間可控制在5 分鐘內(nèi)。

載波關(guān)斷實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級的節(jié)能。當(dāng)區(qū)域同時內(nèi)存在利用頻點1 實現(xiàn)無縫覆蓋的基礎(chǔ)層和利用頻點2 實現(xiàn)熱點覆蓋的容量層時，通過判斷區(qū)域內(nèi)覆蓋和容量情況，關(guān)閉低業(yè)務(wù)的容量層載波，達(dá)到節(jié)能效果。

4.1.3 AI 節(jié)能

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與演進(jìn)，通信業(yè)務(wù)量劇烈增漲，且將出現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)制式共存的場景。在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，通硬件優(yōu)化與軟件控制技術(shù)可在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能降耗的效果，但硬件優(yōu)化受限于關(guān)鍵器件的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，軟件控制技術(shù)受限于低業(yè)務(wù)場景。隨著5G 后期業(yè)務(wù)量的增大，傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的效果不再明顯，且軟件控制的關(guān)斷特性多通過人工進(jìn)行設(shè)置，難以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果。

人工智能（AI）是未來新技術(shù)的發(fā)展方向，基于AI的智能化節(jié)能技術(shù)是5G 網(wǎng)絡(luò)解決未來高能耗的主要方向之一。AI 技術(shù)可對現(xiàn)網(wǎng)中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立業(yè)務(wù)模型，有效實現(xiàn)業(yè)務(wù)預(yù)測，并形成基站的節(jié)能策略?；靖鶕?jù)下發(fā)的策略自動觸發(fā)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，從而實現(xiàn)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)運營運維模式，達(dá)到智能化跨網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果。

4.2 配套設(shè)施節(jié)能

5G 基站機(jī)房的配套設(shè)施能耗主要來源于交直流供配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)可通過優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)、減少供電節(jié)點等措施減少電能在線路及設(shè)備上的諧波損耗；通過配置具備休眠功能的高效整流模塊提高交直流轉(zhuǎn)換效率，減少電能損失。機(jī)房中配套設(shè)施的節(jié)能重點在于空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的配置應(yīng)綜合考慮機(jī)房建筑環(huán)境、設(shè)備空間布放、機(jī)房內(nèi)氣流組織等多種因素，以達(dá)到高效制冷、節(jié)能降耗的效果。

4.2.1 外界冷源

通過對機(jī)房建筑環(huán)境的分析，可最大程度利用外界冷源，減少空調(diào)帶電運行時間。當(dāng)外界環(huán)境溫度低于室內(nèi)，空氣中無腐蝕性氣體，且灰塵、霧霾等固體顆粒數(shù)較少時，可采用新風(fēng)系統(tǒng)或熱管空調(diào)等直接利用外界冷源的制冷技術(shù)，使機(jī)房空調(diào)能耗降低至零。

基站位置附近有連續(xù)穩(wěn)定可利用的廢熱和工業(yè)余熱時，空調(diào)系統(tǒng)可采用吸收式冷水機(jī)組，利舊廢熱和余熱為機(jī)房提供制冷。如圖4 所示，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，氣態(tài)制冷劑在吸收器中被吸收劑吸收，吸收劑由溶液泵送至發(fā)生器，加熱發(fā)生器分離出氣態(tài)制冷劑，氣態(tài)制冷劑在冷凝器中被冷凝成液體，再經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，對循環(huán)水進(jìn)行冷卻，為機(jī)房提供冷源。

圖4 吸收式冷水機(jī)組

吸收式制冷機(jī)利用“廢熱制冷”技術(shù)，將各種工廠的廢熱作為制冷機(jī)的動力熱源，不僅減輕了工業(yè)污染，也降低了基站制冷的能源消耗。

4.2.2 云艙模塊

5G 建設(shè)初期大量采用C-RAN 部署形式，即在接入網(wǎng)機(jī)房內(nèi)集中放置BBU 設(shè)備，形成BBU 基帶池；同時，為滿足業(yè)務(wù)帶寬、時延特性等網(wǎng)絡(luò)要求，部分接入網(wǎng)機(jī)房還需部署邊緣云設(shè)備。

以單運營商部署10 臺BBU，單機(jī)柜放置5 臺BBU進(jìn)行測算，則3 家運營商共站址時BBU 機(jī)柜數(shù)量為6 臺，加上其他網(wǎng)絡(luò)制式設(shè)備柜、服務(wù)器機(jī)柜等，機(jī)房內(nèi)機(jī)柜數(shù)量達(dá)10 臺以上。在大型C-RAN 機(jī)房，BBU 設(shè)備數(shù)量有50～100 臺，則機(jī)房內(nèi)機(jī)柜數(shù)量將達(dá)到20 臺以上。當(dāng)機(jī)房中機(jī)柜數(shù)量較多時，除了合理配置空調(diào)的規(guī)格型號外，更需提高機(jī)房制冷效率。通過優(yōu)化氣流組織、精確送風(fēng)等技術(shù)，提高機(jī)柜散熱效率，避免出現(xiàn)局部熱點等問題。

機(jī)柜數(shù)量增加，但不同運營商或不同制式間的機(jī)柜尺寸不盡相同，因此在機(jī)房內(nèi)可建設(shè)云艙模塊。如圖5 所示，云艙封閉冷通道形成冷池，提高空調(diào)制冷效率；單機(jī)柜功耗未超過6 千瓦時，可采用架空地板下送風(fēng)方式。

圖5 云艙模塊示意圖

相對于傳統(tǒng)制冷方式，云艙模塊制冷方式提升了配電、運維、溫控等子系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性和智能性，可使機(jī)房PUE 值低至1.5 左右，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)束語

5G 已進(jìn)入商用，降低網(wǎng)絡(luò)的能耗與運營成本對運營商及通信行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件優(yōu)化與軟件控制技術(shù)具有一定的節(jié)能效果，但受限于硬件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和場景業(yè)務(wù)量的大小，因此AI 技術(shù)的應(yīng)用是未來5G 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的主要研究方向。大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署也給接入網(wǎng)機(jī)房帶來配套設(shè)施的能耗，在BBU 集中放置的C-RAN 機(jī)房利用外界冷源或采用云艙模塊的技術(shù)，可在保障設(shè)備運行制冷需求的同時降低機(jī)房配套設(shè)施的能耗。

本文對5G 接入網(wǎng)基站機(jī)房的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了探討，而核心匯聚機(jī)房的節(jié)能降耗技術(shù)還需進(jìn)一步研究。