謝海智，王華榮

（1.中移鐵通有限公司 廣東分公司，廣東 廣州 510088；2.廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083）

0 引 言

近年來，移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展已改變了人們的生產(chǎn)生活方式，從目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢看，物聯(lián)網(wǎng)將成為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)和業(yè)務(wù)爆發(fā)點(diǎn)。業(yè)務(wù)流量的爆炸式增長、海量的連接需求及不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務(wù)、新場景、新應(yīng)用等都驅(qū)動(dòng)著新一代5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用[1]。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋，4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)代的用戶基礎(chǔ)不變，話務(wù)量沒有較大的增長，運(yùn)營商的成本在逐漸增加，而利潤在逐步減少。基站電費(fèi)是其中最主要的成本支出之一，占總體成本的35%，5G基站設(shè)備耗電量較大，是4G設(shè)備的2～3倍，電費(fèi)成本急劇增加。

目前，基站內(nèi)開關(guān)需要進(jìn)行手動(dòng)操作，操作步驟緩慢，不具備遠(yuǎn)程控制、智能分析以及制定節(jié)電策略的功能，達(dá)不到高效運(yùn)作，難以達(dá)到節(jié)能減排的目的[2,3]。怎樣才能實(shí)現(xiàn)國家的節(jié)能減排，降低運(yùn)營商的成本，增加利潤，是本文的主要研究目的。對(duì)每個(gè)基站進(jìn)行場景歸類，不同場景的人員習(xí)慣相對(duì)固定，通過分析設(shè)備的流量和基站耗電量，判斷具體時(shí)間段流量需求情況和基站的耗電情況，制定場景化的智能節(jié)電方案。

1 5G基站的能耗分析

1.1 5G基站的分類和構(gòu)成

根據(jù)分布式演進(jìn)與整體式演進(jìn)，形成了包括非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)兩類共計(jì)8種部署方式，供各運(yùn)營商在5G網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)選擇[4]。非獨(dú)立組網(wǎng)中，手機(jī)雙連接到4G基站和5G基站。所謂的雙連接是LTE中的一個(gè)概念，UE同時(shí)連接兩個(gè)不同的基站，使用兩個(gè)基站的無線鏈路資源，兩個(gè)基站有主站和從站之分，這樣用戶終端既可接入4G基站也可接入5G基站。兩者組網(wǎng)的主要區(qū)別為是否需要建立5G核心網(wǎng)，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)的區(qū)別

5G基站最直接的劃分為宏基站和微基站，宏基站是5G基站最主要的部分，規(guī)模投入都比較大，微基站相對(duì)來說成本低，也比較簡單。5G宏基站一般來說是由BBU、AAU以及傳輸設(shè)備構(gòu)成，動(dòng)力配套設(shè)備設(shè)施包括電源、電池、空調(diào)、監(jiān)控設(shè)備?；緝?nèi)部結(jié)構(gòu)包含基帶處理單元、射頻單元、功率放大器、主電源、天線接口、散熱系統(tǒng)等[5]。5G無線電接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更兼容，包括RRU基站級(jí)聯(lián)、中繼通信和其他鏈連接，基站設(shè)備與其他網(wǎng)狀連接，單個(gè)BBU和多個(gè)RRU之間的傘形連接等[6]。5G基站不僅要支持多種制式還要兼顧多個(gè)頻段，典型配置是1個(gè)BBU和3個(gè)AAU，如圖2所示。

1.2 設(shè)備耗電分析

對(duì)5G基站的能耗進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，基本判斷出基站能耗主要有基站主設(shè)備、空調(diào)等環(huán)境設(shè)備、開關(guān)電源以及傳輸照明設(shè)備4個(gè)方面。機(jī)房電費(fèi)構(gòu)成如圖3所示，其中基站主設(shè)備耗電約占49%。通信機(jī)房基站主設(shè)備功耗主要由機(jī)柜功耗和載頻功耗兩部分組成，基站功耗可以分為AAU和BBU兩大部分，AAU的功耗約占整機(jī)功耗的90%，是基站功耗的主要組成部分[7]。機(jī)柜功耗主要包括控制板、風(fēng)扇以及合路器幾部分，能耗值在基站功耗中所占比例較少，載頻功耗則是基站功耗的主要部分。從載頻功率消耗的角度來講，單個(gè)載頻功耗主要包括基帶模塊功耗和功放模塊功耗兩大部分[8]。

圖3 機(jī)房電費(fèi)構(gòu)成圖

2 5G設(shè)備的節(jié)電技術(shù)

目前，5G設(shè)備的節(jié)電技術(shù)主要包括以下幾類。

2.1 亞幀靜默

亞幀靜默是指下行亞幀（符號(hào)）無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在此周期內(nèi)關(guān)閉部分射頻硬件，降低靜態(tài)功耗。主要在低負(fù)荷狀態(tài)下生效，實(shí)驗(yàn)室測試功能開啟后，顯示整機(jī)功耗可降低10%左右。針對(duì)4G、5G共模場景，建議支持4G、5G聯(lián)合調(diào)度[9]。

2.2 通道靜默

通道靜默是指關(guān)閉部分發(fā)射射頻通道，以達(dá)到降低功耗的目的。主要用于部署宏基站的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)室測試功能開啟后，可以節(jié)省約15%的能耗。

2.3 淺層休眠

淺層休眠是基站關(guān)閉5G AAU的功放等模擬器件，AAU進(jìn)入淺層休眠狀態(tài)從而降低功耗。AAU進(jìn)入淺層休眠狀態(tài)之前，要將在線用戶遷移到相鄰AAU，確保用戶持續(xù)得到服務(wù)。AAU從淺層休眠狀態(tài)恢復(fù)至正常狀態(tài)所需時(shí)長在30 s以內(nèi)[10]。

2.4 深層休眠

基站射頻單元設(shè)備空載狀態(tài)的深度休眠是指當(dāng)基站業(yè)務(wù)處于長時(shí)間的閑時(shí)狀態(tài)下，由于無5G用戶接入，基站射頻單元可以關(guān)斷大部分有源設(shè)備的供電，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省射頻單元空載功耗的目的。

2.5 AAU/RRU硬關(guān)斷

在BBU上利用48 V RRU控制器直接對(duì)沒有流量的RRU進(jìn)行設(shè)備硬關(guān)斷，設(shè)備也可以進(jìn)行硬啟動(dòng)。RRU硬關(guān)斷原理如圖4所示。

圖4 RRU硬關(guān)斷原理圖

3 節(jié)能實(shí)施方案

3.1 5G智能節(jié)電系統(tǒng)簡介

開發(fā)5G智能節(jié)電系統(tǒng)，通過北向接口對(duì)接網(wǎng)管服務(wù)器，采集BBU和RRU的相關(guān)數(shù)據(jù)，制定智能節(jié)電策略，通過網(wǎng)管服務(wù)器控制RRU和BBU的節(jié)電。5G智能節(jié)電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 5G智能節(jié)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

5G智能節(jié)電系統(tǒng)是在保證用戶性能感知情況下，自動(dòng)對(duì)現(xiàn)有無線設(shè)備（5G）進(jìn)行適當(dāng)關(guān)停以達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，該系統(tǒng)主要包含節(jié)電審核流程、節(jié)電看板、節(jié)電量統(tǒng)計(jì)、節(jié)電過程管理、節(jié)電任務(wù)匯總、節(jié)電任務(wù)詳情、節(jié)電任務(wù)分析以及節(jié)電參數(shù)查詢8大基礎(chǔ)功能，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能節(jié)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 節(jié)電的策略實(shí)施

從用戶行為和流量分析進(jìn)行智能節(jié)電策略分析。亞幀靜默可以全天候開啟，對(duì)用戶沒有影響。通道靜默、淺層休眠以及深層休眠則是根據(jù)不同情況下PRB利用率和RRU最大連接數(shù)來智能實(shí)施節(jié)電策略。AAU/RRU硬關(guān)斷根據(jù)歷史前一個(gè)星期的RRU最大連接數(shù)來實(shí)施下一個(gè)星期的節(jié)電策略，夜間進(jìn)行實(shí)施，白天不進(jìn)行實(shí)施。智能節(jié)電策略詳細(xì)方案實(shí)施如表1所示。

表1 智能節(jié)電策略詳細(xì)方案實(shí)施表

續(xù)表1

4 節(jié)電結(jié)果校驗(yàn)

本次選取具有一定業(yè)務(wù)量的基站進(jìn)行測試，在某地市選取15個(gè)基站站點(diǎn)進(jìn)行測試，配置智能節(jié)電管理技術(shù)，全天開啟5種智能節(jié)電方案，并實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗，節(jié)電效果具體如表2所示。

表2 開啟智能節(jié)電后前后的基站的平均功率對(duì)比

通過對(duì)比15個(gè)基站的前后電源輸出功率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開啟智能節(jié)電后，可以節(jié)約62%的電量。監(jiān)控?zé)o線指標(biāo)，確保開啟5G智能節(jié)電后對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響情況，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)管數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 5G智能節(jié)電前后網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量數(shù)據(jù)表

在開啟節(jié)能策略前后實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)的性能指標(biāo)平穩(wěn)，無異常情況發(fā)生，用戶感知不受影響。

5 結(jié) 論

本文主要研究利用系統(tǒng)自動(dòng)控制RRU的節(jié)電方案，系統(tǒng)自動(dòng)采集分析無線話務(wù)量和連接用戶量，通過規(guī)則制定智能節(jié)電中5種方案的開啟和關(guān)閉，全天候?qū)?G基站進(jìn)行管理，可以有效實(shí)現(xiàn)60%以上的節(jié)電。本次節(jié)電的模型也可以適用于現(xiàn)有4G模型或未來的6G網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)適合其他相關(guān)行業(yè)的節(jié)能，具有一定的擴(kuò)展性和推廣性。智能節(jié)電技術(shù)方便操作性強(qiáng)，節(jié)能效果顯著，同時(shí)節(jié)省人工參與，具有推廣的意義。