陶濤

(中郵建技術(shù)有限公司 江蘇南京 210000)

目前，5G基站單站址能耗高的問(wèn)題一直是技術(shù)需要挖掘和攻關(guān)的重要課題。信息時(shí)代，5G技術(shù)的成熟應(yīng)用必須走節(jié)能降耗的路徑，必須從原理、方法選擇、處理對(duì)策等多方面進(jìn)行探索與應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)5G基站的高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

1 5G 基站設(shè)備

1.1 5G設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

目前，5G基站站型越來(lái)越豐富，根據(jù)發(fā)射功率、收發(fā)模式和覆蓋能力，可細(xì)分為宏站、微站、皮基站（pRRU）和飛站（Femto）等類型。不同站型其覆蓋能力和適用場(chǎng)景都存在一定差異。一般宏站設(shè)備主要由室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）組成，而微站一般分為室外微站和室內(nèi)微站，室外微站同樣由BBU和AAU組成，主要覆蓋道路、居民小區(qū)樓間對(duì)打、城中村等場(chǎng)景，室內(nèi)微站BBU+遠(yuǎn)端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）+分布系統(tǒng)或BBU+AAU 兩種形式，而皮基站是一種新型室分，主要為BBU、pHUB和pRRU組成適用于高價(jià)值室分場(chǎng)景。飛站、滿格寶等則主要是應(yīng)用于低價(jià)值補(bǔ)盲場(chǎng)景，是一種低成本方案，主要應(yīng)用于4G場(chǎng)景，5G場(chǎng)景應(yīng)用不多[1]。

1.2 5G設(shè)備硬件功能

BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號(hào)處理，AAU內(nèi)部結(jié)構(gòu)是將射頻單元與天線單元集成在了一起，構(gòu)成有源天線陣列，可將基帶數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，接著調(diào)制成高頻射頻信號(hào)，通過(guò)功率放大器（PA）放大功率，最后通過(guò)天線發(fā)射出去。BBU 的功率比較穩(wěn)定，不受業(yè)務(wù)量增大的影響。而AAU就不一樣了，隨著業(yè)務(wù)量的增加，功耗也隨之大幅增加。

1.3 C-RAN與D-RAN

為進(jìn)一步保障5G 的低時(shí)延、低能耗目標(biāo)，演進(jìn)推出了D-RAN 和C-RAN 兩種組網(wǎng)模式，如圖1 所示。D-RAN為傳統(tǒng)組網(wǎng)模式，因BBU和RRU/AAU共址，需求較多的光纖和光模塊連接。C-RAN 為BBU 集中布放模式，多個(gè)基站的BBU通過(guò)引入彩光和波分集中放置在同一個(gè)C-RAN機(jī)房?jī)?nèi)[2]，RRU/AAU則通過(guò)拉遠(yuǎn)方式安裝，所需的光纖和光模塊連接大幅減少。

圖1 兩種組網(wǎng)模式

2 5G 基站能耗分析

為了滿足5G 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、低時(shí)延高可靠（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（mMTC）的業(yè)務(wù)需求，5G引入了NR新空口技術(shù)，該項(xiàng)新技術(shù)對(duì)5G基站的設(shè)備硬件能力要求非常高，直接促使5G設(shè)備功耗顯著提升[3]。中國(guó)移動(dòng)通信現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)使用的頻段集中在2.6 G和4.9 G頻段，存在頻段高、覆蓋差等問(wèn)題，700 M頻段作為廣電共享的移動(dòng)通信黃金頻段，具有傳播損耗小、覆蓋能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[4]。

根據(jù)5G基站的構(gòu)造，5G基站能耗主要來(lái)自BBU、AAU 等設(shè)備，具體如圖2 所示。設(shè)備功耗與其設(shè)備配置規(guī)格密切相關(guān)，設(shè)備功耗范圍通常在幾百至幾千瓦之間（如表1所示），給機(jī)房供電能力帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通常情況下BBU+AAU 架構(gòu)的基站，單個(gè)5G 站需1 個(gè)BBU 和3 個(gè)AAU，AAU 的功耗要遠(yuǎn)高于BBU 的功耗，單站至少70% 的能耗均來(lái)自AAU。顯而易見(jiàn)，降低5G基站能耗最高效的手段就是增強(qiáng)AAU的能效水平。

表1 不同設(shè)備的功耗 （單位：W）

圖2 5G站點(diǎn)能耗構(gòu)成

除BBU和AAU等主設(shè)備功耗外，還有一部分額外功耗存在，即從市電引入（交流）開(kāi)始到直流供電的整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)額外損失掉的能耗，同時(shí)也包括機(jī)房空調(diào)等制冷設(shè)備所消耗的電量。目前，各大運(yùn)營(yíng)商都已投入了大量資金進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，重點(diǎn)是為搶占5G市場(chǎng)積極布局[5]。傳統(tǒng)基站降耗的主要辦法是減少傳輸功耗，例如：通過(guò)在業(yè)務(wù)閑時(shí)關(guān)閉部分射頻載波來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，因?yàn)锽BU功耗小于功率放大器和射頻部分功耗，對(duì)于傳統(tǒng)2G、3G、4G基站，由于基站的計(jì)算能力較小，通常傳輸功耗大于計(jì)算功耗。

3 5G基站節(jié)能具體實(shí)施

5G基站節(jié)能主要分主設(shè)備節(jié)電功能、小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電3種。主設(shè)備節(jié)電功能非常依賴廠家設(shè)備支持的節(jié)電功能，主要包括符號(hào)關(guān)斷、定時(shí)載波關(guān)斷和射頻通道智能休眠。小區(qū)關(guān)斷則是通過(guò)指令下發(fā)將小區(qū)關(guān)閉，可利用在話務(wù)閑時(shí)開(kāi)啟小區(qū)深度休眠達(dá)到節(jié)能目的。拉閘下電是在話務(wù)閑時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程控制RRU/AAU方式直接下電，達(dá)成RRU/AAU定時(shí)節(jié)電的效果。

表2為小區(qū)關(guān)斷及AAU下電的節(jié)點(diǎn)系數(shù)。除小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電外，設(shè)備級(jí)節(jié)電功能均受到設(shè)備廠家功能License及設(shè)備版本限制，同時(shí)考慮成本因素未全面鋪開(kāi)試點(diǎn)，待后期條件具備后再評(píng)估。

表2 5G-NR的節(jié)電數(shù)據(jù) （單位：度/小區(qū)/小時(shí)）

節(jié)電功能License需求，需要根據(jù)設(shè)備級(jí)節(jié)電功能的對(duì)比后決定，具體如表3所示。

表3 設(shè)備級(jí)節(jié)電功能的比較

目前，5G 所有設(shè)備級(jí)節(jié)電功能均需要License 支持，需單獨(dú)購(gòu)買，小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電均不需要廠家License支持。

以下分別介紹目前幾種主要實(shí)施節(jié)能技術(shù)。

3.1 符號(hào)關(guān)斷

5G RRU/AAU 中的射頻器件能耗最多，如功率放大器即使在沒(méi)有信號(hào)輸出的情況下，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的靜態(tài)能耗。為降低系統(tǒng)的總能耗，且保持信令數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，引入符?hào)關(guān)斷功能可有效降低基站能耗。具體如圖3所示。

圖3 符號(hào)關(guān)斷原理

在符號(hào)關(guān)斷功能開(kāi)啟后，當(dāng)基站側(cè)檢測(cè)到符號(hào)無(wú)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載時(shí)，會(huì)即時(shí)關(guān)閉RRU/AAU 射頻模塊，從而降低系統(tǒng)能耗。而當(dāng)基站側(cè)檢測(cè)到符號(hào)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載時(shí)，則會(huì)即時(shí)打開(kāi)RRU/AAU 射頻器件，以保證數(shù)據(jù)傳送完整性。符號(hào)關(guān)斷可應(yīng)用于多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)場(chǎng)景無(wú)特殊要求，建議全網(wǎng)開(kāi)啟。符號(hào)關(guān)斷功能開(kāi)啟需要設(shè)置符號(hào)關(guān)斷開(kāi)關(guān)參數(shù)，該參數(shù)可以控制符號(hào)關(guān)斷功能開(kāi)啟或關(guān)閉，建議打開(kāi)該開(kāi)關(guān)。如果同一射頻單元（通常包括AAU、RRU和pRRU）下綁定了多個(gè)NR小區(qū)，則所有NR小區(qū)均需打開(kāi)該開(kāi)關(guān)。

3.2 定時(shí)載波關(guān)斷

定時(shí)載波關(guān)斷，顧名思義是在指定時(shí)間段開(kāi)啟的一種節(jié)能功能特性。在一些固定時(shí)段基站會(huì)處于輕載或空載狀態(tài)，但設(shè)備依然處于運(yùn)行狀態(tài)，基站仍在持續(xù)耗電。定時(shí)載波關(guān)斷功能可實(shí)現(xiàn)在設(shè)置的時(shí)間段內(nèi)讓射頻模塊處于載波關(guān)斷狀態(tài)，達(dá)到閉塞載波節(jié)能的目的，如圖4所示。

圖4 定時(shí)載波關(guān)斷原理

開(kāi)啟了定時(shí)載波關(guān)斷功能的小區(qū)將無(wú)法繼續(xù)為已駐留用戶提供正常業(yè)務(wù)，也無(wú)法為覆蓋范圍內(nèi)新用戶提供接入服務(wù)。因此，定時(shí)載波關(guān)斷功能更適用于多層網(wǎng)覆蓋場(chǎng)景下針對(duì)容量層小區(qū)開(kāi)啟以達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)前5G主要為單層網(wǎng)覆蓋，建議優(yōu)先考慮在輕載或空載場(chǎng)景，或不需要提供業(yè)務(wù)的場(chǎng)景中開(kāi)啟該功能，如夜間的地鐵、會(huì)展中心、場(chǎng)館等。定時(shí)載波關(guān)斷功能開(kāi)啟關(guān)鍵參數(shù)主要包括節(jié)能開(kāi)關(guān)、節(jié)能策略索引、啟動(dòng)時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻和節(jié)能類型等。節(jié)能開(kāi)關(guān)參數(shù)控制定時(shí)載波關(guān)斷功能開(kāi)啟或關(guān)閉，節(jié)能策略索引唯一確定某時(shí)間段的節(jié)能策略映射的功能特性，在啟動(dòng)時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻共同設(shè)定載波關(guān)斷功能的生效時(shí)間段，節(jié)能類型表示節(jié)能的策略類型，一般建議配置TIMING_CARRIER_SHUTDOWN。

3.3 射頻通道智能休眠

射頻通道智能休眠功能是一種通道級(jí)的節(jié)能特性機(jī)制。在某些時(shí)間段內(nèi)基站可能處于輕載或空載狀態(tài)，但是射頻模塊的發(fā)射通道仍處于工作狀態(tài)，基站仍在持續(xù)消耗大量電能。射頻通道智能休眠特性可在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)小區(qū)所承載的業(yè)務(wù)量自動(dòng)調(diào)整通道的收發(fā)功能狀態(tài)，即自動(dòng)休眠該小區(qū)的部分發(fā)射通道，從而達(dá)到節(jié)能的目的，如圖5所示。

圖5 射頻通道智能休眠原理

當(dāng)射頻通道智能休眠功能生效后，還會(huì)自動(dòng)調(diào)整小區(qū)的公共信道發(fā)射功率，目的是盡量保證基站的覆蓋和業(yè)務(wù)不受影響。但由于射頻通道智能休眠生效后會(huì)導(dǎo)致小區(qū)的部分發(fā)射通道轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，這對(duì)小區(qū)覆蓋會(huì)造成一定影響，用戶的峰值速率也可能隨之會(huì)下降，因此建議在站點(diǎn)較為密集的區(qū)域且存在輕載或空載情形的小區(qū)開(kāi)啟該項(xiàng)功能。

開(kāi)啟射頻通道智能休眠功能需要在網(wǎng)管上打開(kāi)節(jié)能開(kāi)關(guān)（Power Saving Switch）的子開(kāi)關(guān)射頻通道功能開(kāi)關(guān)（RF_SHUTDOWN_SW），再通過(guò)設(shè)置射頻通道智能休眠的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間來(lái)明確生效時(shí)間段，時(shí)間粒度為天級(jí)，即影響每天同時(shí)段節(jié)能特性。如果同一小區(qū)需要在多個(gè)時(shí)段開(kāi)啟該項(xiàng)休眠功能，則可通過(guò)節(jié)能策略索引和節(jié)能類型參數(shù)進(jìn)行唯一確定。

當(dāng)小區(qū)下行PRB 利用率小于或等于射頻通道智能休眠功能的下行PRB 利用率啟動(dòng)門限（DlPrbThld）且當(dāng)前時(shí)間進(jìn)入射頻通道智能休眠功能生效的窗口期，小區(qū)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入射頻通道智能休眠模式。而處于射頻通道智能休眠狀態(tài)的小區(qū)，若當(dāng)前時(shí)間已超出了設(shè)定的生效時(shí)間窗，或小區(qū)下行PRB 利用率大于下行PRB利用率門限與下行PRB利用率偏置門限之和，小區(qū)將自動(dòng)退出射頻通道智能休眠模式。其中，下行PRB利用率偏置門限用于防止射頻通道智能休眠功能出現(xiàn)乒乓切換。

在功能開(kāi)啟時(shí)間窗的設(shè)置方面建議選擇話務(wù)閑時(shí)（如凌晨1∶00—6∶00），并根據(jù)小區(qū)及周邊鄰區(qū)的用戶數(shù)、業(yè)務(wù)量和PRB利用率等指標(biāo)，按需設(shè)置開(kāi)啟時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和下行PRB門限等參數(shù)。

3.4 5G小區(qū)關(guān)斷

5G小區(qū)關(guān)斷功能通過(guò)指令下發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，利用小區(qū)話務(wù)閑時(shí)休眠達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)5G 小區(qū)內(nèi)用戶較少時(shí)，5G小區(qū)基于一定業(yè)務(wù)量判斷原則啟動(dòng)小區(qū)關(guān)斷功能特性操作，該操作并不會(huì)區(qū)分容量層和覆蓋層。功能啟動(dòng)的業(yè)務(wù)量判斷條件為基于連續(xù)一周每日凌晨1∶00—6∶00小時(shí)級(jí)小區(qū)總流量小于100 MB（低零流量小區(qū)判斷門限，參考各省不同運(yùn)營(yíng)商自身規(guī)則）或小區(qū)內(nèi)最大用戶數(shù)小于5 個(gè)。5G 小區(qū)關(guān)斷功能有兩種方式：一種是關(guān)斷小區(qū)操作，即在網(wǎng)管上去激活小區(qū)；另一種是開(kāi)啟小區(qū)節(jié)能開(kāi)關(guān)里的5G小區(qū)關(guān)斷功能。

3.5 5G拉閘下電

根據(jù)不同覆蓋場(chǎng)景小區(qū)的負(fù)荷特征和變化規(guī)律，針對(duì)一定連續(xù)時(shí)間段內(nèi)滿足業(yè)務(wù)量低且RRU/AAU 射頻單元功耗較高的小區(qū)，通過(guò)串聯(lián)安裝智能電表方式來(lái)遠(yuǎn)程控制RRU/AAU直接下電，可達(dá)到立竿見(jiàn)影的節(jié)能效果。根據(jù)這一特征，可主要應(yīng)用于某些具有周期性規(guī)律的場(chǎng)景，如寒暑假期間的高校、無(wú)活動(dòng)安排期間的場(chǎng)館、淡季期間游客量極少或封閉的景區(qū)。

5G 拉閘下電建議選擇連續(xù)一周出現(xiàn)規(guī)律性的零流量時(shí)段且每日零流量時(shí)段大于3 個(gè)的RRU/AAU。需要特別注意的是需清楚5G RRU/AAU是否反向開(kāi)通LTE，反向開(kāi)通LTE 的5G 站點(diǎn)需同時(shí)評(píng)估共模的LTE站點(diǎn)負(fù)荷情況。

但智能電表在應(yīng)用中也存在一些局限性，例如：一般配置的上電和下電時(shí)間段比較固定，對(duì)網(wǎng)絡(luò)突發(fā)的業(yè)務(wù)恢復(fù)或業(yè)務(wù)量劇增情況無(wú)法及時(shí)恢復(fù)正常狀態(tài)，有一定滯后性。此外，智能電表自身也會(huì)存在一定的故障率，無(wú)法及時(shí)或按時(shí)上電恢復(fù)情況時(shí)有發(fā)生，需要例行監(jiān)控拉閘下電小區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)。再者RRU/AAU設(shè)備的頻繁上電或下電過(guò)程，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的硬件性能，長(zhǎng)期將縮減設(shè)備工作壽命。

3.6 5G能耗監(jiān)控

5G基站能耗監(jiān)控統(tǒng)計(jì)機(jī)制一般采用累加法機(jī)制，如某設(shè)備廠商網(wǎng)管性能模塊上就定義了“基站各單板測(cè)量累加的基站制式能耗_ VS.EnergyCons.BTS.Adding.NR”的指標(biāo)項(xiàng)，該指標(biāo)統(tǒng)計(jì)通過(guò)累加5G 基站所有模塊消耗的能耗得到該制式消耗的基站能耗值。在5G單?；局校撝笜?biāo)值統(tǒng)計(jì)的就是整站能耗；在4G和5G多?；局?，該指標(biāo)統(tǒng)計(jì)的是整站能耗中的一部分，多?；灸芎慕y(tǒng)計(jì)以整站為觀察點(diǎn)[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

5G 網(wǎng)絡(luò)是基于當(dāng)前及面向未來(lái)通信變革和全球研發(fā)的熱點(diǎn)，在今后的發(fā)展中，應(yīng)注意頻譜重耕、5G“宏—桿—室”三層立體組網(wǎng)方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，從日常維護(hù)中，從網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、方案制訂、工程實(shí)踐、節(jié)能減排等方面不斷加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用與研究。總體來(lái)說(shuō)，5G基站節(jié)能可以通過(guò)符號(hào)關(guān)斷、載波關(guān)斷、射頻通道智能關(guān)斷、小區(qū)關(guān)斷等多種軟件節(jié)能技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，充分降低AAU/RRU的閑時(shí)功耗，但目前軟件節(jié)能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量造成一定影響。因此，在方案實(shí)施過(guò)程中應(yīng)該仔細(xì)評(píng)估，并對(duì)相關(guān)規(guī)則不斷進(jìn)行修正完善。此外，還需協(xié)同設(shè)備廠家對(duì)軟件節(jié)能特性做進(jìn)一步的優(yōu)化與增強(qiáng)，通過(guò)智能調(diào)度、網(wǎng)間協(xié)作等方式保障用戶的業(yè)務(wù)性能，相信未來(lái)還將產(chǎn)生更多、更高效的節(jié)能措施和手段。