張 新,張建國(guó)
(1.浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院,浙江 杭州 312366;2.華信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司 研發(fā)部,浙江 杭州 310014)
4G 宏基站(1 個(gè)BBU+3 個(gè)8 通道的RRU)的功耗不超過(guò)2 KW,5G 宏基站(1 個(gè)BBU+3 個(gè)64T64R的AAU)滿負(fù)荷的功耗是4~5 KW,AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。由于5G 基站使用的頻率較高,單基站覆蓋半徑小,5G 基站的數(shù)量也將多于4G 基站的數(shù)量,這進(jìn)一步帶來(lái)5G 基站功耗的上升,會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)較大的成本壓力。
5G 基站功耗高的原因主要有三點(diǎn):1)更高的速率,5G NR 的峰值速率是20 Gbps,相比于4G 的1 Gbps,增加了20 倍,為了滿足這個(gè)要求,5G NR 需要更高階的MIMO 方案、更高的調(diào)制階數(shù)(如256 QAM)以及靈活的參考信號(hào)配置、靈活的波束管理。2)更大的信道帶寬,對(duì)于FR 1,支持的信道帶寬最大為100 MHz;對(duì)于FR 2,支持的信道帶寬最大為400 MHz,后續(xù)版本也有可能支持800 MHz。3)為了提高波束賦形增益,5G 宏基站使用AAU,每個(gè)AAU 含有的功放數(shù)量(64 個(gè)或32 個(gè))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G 宏基站的每個(gè)RRU 的功放數(shù)量(8 個(gè)或者4 個(gè))。以上三個(gè)因素要求5G 基站具有更快的基帶處理速度、更快的編解碼速度、工作頻率范圍和動(dòng)態(tài)范圍更大以及數(shù)量更多的功放,因此會(huì)導(dǎo)致5G 基站的功耗顯著高于4G 基站。除此之外,低時(shí)延和靈活的定時(shí)、多系統(tǒng)共存也帶來(lái)了5G 基站功耗的上升[1]。
本文接下來(lái)從SSB 的配置策略、載波智能關(guān)斷、通道智能關(guān)斷、深度休眠等幾個(gè)方面來(lái)分析降低5G 基站功耗的措施。
為了讓UE 接入小區(qū),不管是否發(fā)送數(shù)據(jù),基站都需要持續(xù)發(fā)射PSS、SSS、PBCH 以及參考信號(hào),在空閑狀態(tài)下,基站的功耗主要用于發(fā)射這些符號(hào),因此優(yōu)化PSS、SSS、PBCH 以及參考信號(hào)的設(shè)計(jì),能從根本上降低基站在空閑狀態(tài)下的功耗。
5G NR 的PSS、SSS、PBCH 以及PBCH 的DM-RS(Demodulation Reference Signal,解調(diào)參考信號(hào))同時(shí)發(fā)射,稱(chēng)為SS/PBCH 塊(SS/PBCH Block),在沒(méi)有混淆風(fēng)險(xiǎn)的前提下,也簡(jiǎn)稱(chēng)SSB(Synchronization Signal Block,同步塊)。每個(gè)SSB 在頻域上由連續(xù)的20 個(gè)RB(240 個(gè)子載波)組成,在時(shí)域上由連續(xù)的4個(gè)OFDM 符號(hào)組成,SSB 在時(shí)頻域上的示意圖見(jiàn)圖1[2-3]。
圖1 SSB 在時(shí)頻域上的示意圖
LTE 的CRS(Cell-specific Reference Signal,小區(qū)專(zhuān)用參考信號(hào))分布在整個(gè)信道帶寬,而SSB 在頻域上只占整個(gè)信道帶寬的一部分,因此有利于降低5G 基站的功耗。接下來(lái)以中國(guó)移動(dòng)在2.6 GHz 頻段上的NR 配置和LTE 配置為例,來(lái)分析PSS、SSS、PBCH 以及參考信號(hào)占用的資源[4-5]。
在2.6 GHz 頻段,NR 的主要配置如下:信道帶寬是100 MHz,子載波間隔是30 kHz,共計(jì)有273 個(gè)RB,上下行轉(zhuǎn)換周期是5 ms,5 ms 內(nèi)共計(jì)有10 個(gè)時(shí)隙,上下行時(shí)隙配置是7:2+6:4:4。假設(shè)在10 ms 周期內(nèi)配置2 個(gè)SSB 突發(fā),每個(gè)SSB 突發(fā)有8 個(gè)SSB,則SSB 共計(jì)占用240(個(gè)子載波)×4(個(gè)OFDM 符號(hào))×16(個(gè)SSB/10 ms)=15 360 個(gè)RE。10 ms 周期內(nèi),NR 的下行共計(jì)有681 408 個(gè)RE,NR 的SSB 占下行信號(hào)的比例是15 360/681 408=2.25%[6]。
在2.6 GHz 頻段,LTE 的主要配置如下:信道帶寬是20 MHz,子載波間隔是15 kHz,共計(jì)有100個(gè)RB,上下行轉(zhuǎn)換周期是5 ms,上下行時(shí)隙配置是3:1+10:2:2,CRS 配置為2 個(gè)天線端口。在10 ms周期內(nèi),PSS 和SSS 各發(fā)送2 次,每個(gè)PSS 和SSS 占用中心的72 個(gè)子載波,因此PSS 和SSS 共計(jì)占用72(個(gè)子載波)×2(個(gè)OFDM 符號(hào))×2(次/10 ms)=288 個(gè)RE;PBCH 在頻域上占用中心的72 個(gè)子載波,在時(shí)域上占用4 個(gè)OFDM 符號(hào),在10 ms 內(nèi)發(fā)送1 次,因此PBCH 共計(jì)有72(個(gè)子載波)×4(OFDM 符號(hào))×1(次/10 ms)=288 個(gè)RE;對(duì)于普通子幀和特殊子幀,每個(gè)RB 分別有16 個(gè)CRS 和12 個(gè)CRS,因此共計(jì)有16(個(gè)RE/RB)×100(個(gè)RB)×6(個(gè)普通子幀/10 ms)+12(個(gè)RE/RB)×100(個(gè)RB)×2(個(gè)特殊子幀/10 ms)=12 000 個(gè)RE,再減去PBCH 重復(fù)計(jì)算的24 個(gè)RE,CRS 共計(jì)占用11 976 個(gè)RE。在10 ms 周期內(nèi),LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 共計(jì)占用288+288+11 976=12 552 個(gè)RE。在10 ms 周期內(nèi),LTE 的下行共計(jì)有124 800 個(gè)RE,LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 占下行信號(hào)的比例是12 552/124 800=10.06%。
通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn),NR 的SSB 占下行信號(hào)的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS占下行信號(hào)的比例,因此可以降低5G 基站的功耗。除此之外,通過(guò)增加SSB 周期和減少SSB 數(shù)量,還可以進(jìn)一步減少SSB 占用的資源,從而降低5G 基站的功耗,從理論上講,在空閑狀態(tài)下,5G 基站的功耗可以小于4G 基站的功耗。
NR 的SSB 周期可以配置為5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms 和160 ms,默認(rèn)值是5 ms。為了達(dá)到降低基站功耗的目的,SSB 周期配置可以大于5 ms,配置較長(zhǎng)的SSB 周期的缺點(diǎn)是增加了UE 開(kāi)機(jī)后的搜素復(fù)雜度及搜索時(shí)間,UE 搜索時(shí)間增加不一定影響用戶的體驗(yàn),這是因?yàn)橹悄苁謾C(jī)開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)的頻率大大降低,開(kāi)機(jī)搜索時(shí)間的增加并不會(huì)嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn),此外,NR 使用了比LTE 更稀疏的同步柵格,在一定程度上抵消了由于SSB 周期增加所導(dǎo)致的搜索復(fù)雜度的增加。
在網(wǎng)絡(luò)部署的時(shí)候,為了降低5G 基站的功耗,對(duì)于以下幾個(gè)場(chǎng)景,SSB 周期配置可以大于5 ms。
(1)載波聚合的場(chǎng)景,由于UE 在主載波上接收同步信號(hào)、系統(tǒng)消息、發(fā)起隨機(jī)接入和接收尋呼消息,UE 只是在輔載波上接收和發(fā)送數(shù)據(jù),因此輔載波的SSB 周期配置可以大于5 ms,甚至不配置SSB。
(2)宏微基站協(xié)同場(chǎng)景,由于微基站主要是作為宏基站的容量補(bǔ)充,其覆蓋范圍小,接入的UE 較少,SSB 周期配置也可以大于5 ms。
(3)業(yè)務(wù)負(fù)荷波動(dòng)大的場(chǎng)景,如覆蓋居民區(qū)的5G 基站,白天用戶數(shù)較少,覆蓋商務(wù)樓的基站,夜間用戶數(shù)較少,因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì),在用戶數(shù)少的時(shí)間段,SSB 周期配置大于5 ms。
在一個(gè)SSB 突發(fā)內(nèi),SSB 的數(shù)量也可以靈活配置,通過(guò)減少SSB 的數(shù)量,可以進(jìn)一步降低5G 基站的功耗。對(duì)于微基站,由于覆蓋范圍較小、波束較寬,SSB 的數(shù)量可以配置的少一些。對(duì)于容量型的基站,SSB 的數(shù)量也可以配置的少一些。
假設(shè)SSB 周期由5 ms 增加到80 ms,SSB 的數(shù)量由8 個(gè)減少到1 個(gè),則SSB 占用的資源將降低到原來(lái)的1/128,因此可以顯著降低5G 基站的功耗。
1 個(gè)SSB 突發(fā)內(nèi)的多個(gè)SSB 在時(shí)域上較為集中,極大地方便了時(shí)隙、符號(hào)的關(guān)斷。還是以中國(guó)移動(dòng)在2.6 GHz 頻段的SSB 配置為例,1 個(gè)SSB 突發(fā)最多分布在4 個(gè)時(shí)隙內(nèi),如果SSB 周期是5 ms(10 個(gè)時(shí)隙),則其余4 個(gè)下行時(shí)隙(含特殊時(shí)隙)沒(méi)有SSB,如果SSB 周期是80 ms(160 個(gè)時(shí)隙),則其余124個(gè)時(shí)隙(含特殊時(shí)隙)沒(méi)有SSB,因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷情況,智能的關(guān)閉這些不發(fā)射SSB 的時(shí)隙、符號(hào)。根據(jù)測(cè)算,通過(guò)時(shí)隙、符號(hào)智能關(guān)斷,可以降低5G 基站功耗5%左右。
除了通過(guò)SSB 的配置來(lái)降低5G 基站功耗外,還可以通過(guò)載波智能關(guān)斷、通道智能關(guān)斷、深度休眠等措施來(lái)降低AAU 的功耗,進(jìn)而降低5G 基站的功耗。
載波智能關(guān)斷適合于載波聚合場(chǎng)景,其基本原理是根據(jù)5G 基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷,動(dòng)態(tài)地開(kāi)啟和關(guān)閉輔載波或輔載波的一部分信道來(lái)降低AAU 的功耗。
載波智能關(guān)斷有兩層含義:第1 層含義是徹底關(guān)閉輔載波,這種方式能徹底降低輔載波的功耗,缺點(diǎn)是頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉輔載波需要較多的信令負(fù)荷,且輔載波從開(kāi)啟到傳輸數(shù)據(jù)之間需要的間隔較長(zhǎng),因此影響用戶體驗(yàn)。第2 層含義是關(guān)閉輔載波的一部分信道。如可以不配置SSB,UE 通過(guò)同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的主載波的SSB 獲得輔載波的同步。此外,由于頻繁的發(fā)送PDCCH 會(huì)消耗基站功率,輔載波也可以不配置PDCCH,PDCCH 全部配置在主載波,通過(guò)跨載波調(diào)度技術(shù),由主載波的PDCCH 承擔(dān)起調(diào)度輔載波的PDSCH 和PUSCH 的功能。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在不影響用戶體驗(yàn)的前提下,也可以顯著降低輔載波的功耗,進(jìn)而降低AAU 的功耗[7]。根據(jù)測(cè)算,載波智能關(guān)斷,可以降低AAU 功耗12%~18%左右。
通道智能關(guān)斷的基本原理是:對(duì)于容量型基站,當(dāng)基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷較少時(shí),在不影響覆蓋的前提下,通過(guò)關(guān)閉一部分通道的方法來(lái)降低AAU 的功耗,如對(duì)于64T64R 的AAU,關(guān)閉1/2 的通道后,以32T32R 的方式收發(fā)信號(hào)。需要注意的是,通道智能關(guān)斷不適合覆蓋型基站,因?yàn)殛P(guān)閉一部分通道后,會(huì)減少AAU 的波束賦形增益,導(dǎo)致5G 基站覆蓋半徑變小,小區(qū)邊緣的UE 將無(wú)法接入5G 基站。根據(jù)測(cè)算,通道智能關(guān)斷可以降低AAU 功耗10%~15%左右。
深度休眠的基本原理是:當(dāng)基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷較少時(shí),關(guān)閉AAU 的功率放大器、基帶處理單元、收發(fā)信機(jī)、數(shù)字中頻等器件,僅保留eCPRI 和電源部分的功能。深度休眠適合于容量型的宏基站和微基站場(chǎng)景,關(guān)閉這些基站導(dǎo)致的覆蓋空洞由其他宏基站覆蓋,隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷的增加,通過(guò)5G 基站之間的信令交互來(lái)開(kāi)啟這些容量型基站。根據(jù)測(cè)算,深度休眠可以降低AAU 功耗50%以上。
除了采取以上措施降低5G 基站功耗外,還可以通過(guò)呼吸式電源管理、采用更高效率的電源模塊、室外柜分區(qū)進(jìn)行溫度控制、功放采用氮化鎵材料、提高芯片的制程工藝、引進(jìn)更先進(jìn)的散熱方法等措施來(lái)降低5G 基站的功耗??傊ㄟ^(guò)各種技術(shù)措施和管理策略,可以顯著降低5G 基站的功耗,節(jié)約運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。