馬遠航

（日海恒聯(lián)通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著5G 商用化的快速推進，其高速率和海量連接特性給網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來了較大的能耗壓力。在保障用戶體驗的同時，如何有效提升5G 通信網(wǎng)絡(luò)的能效，實現(xiàn)綠色通信的目標(biāo)，已成為行業(yè)急需解決的問題。文章針對5G 通信網(wǎng)絡(luò)面臨的能效管理難題，探討網(wǎng)絡(luò)節(jié)能與效率提升的技術(shù)策略，為構(gòu)建節(jié)能高效的5G 網(wǎng)絡(luò)體系提供參考。

1 5G 通信網(wǎng)絡(luò)能效管理問題分析

5G 通信網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的能效管理面臨諸多問題。從硬件設(shè)備層面看，5G 基站采用大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和毫米波技術(shù)，其天線數(shù)量級與4G 相比增加了數(shù)十倍，天線開關(guān)、射頻器件及基帶處理器等硬件的能耗迅速上升。以64T64R 為例，其傳輸功率約為40 W，而相應(yīng)的系統(tǒng)功耗高達8 kW。此外，5G 核心網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進行業(yè)務(wù)分流，1 個網(wǎng)絡(luò)切片實例包含大量的控制平面和用戶平面功能實體，導(dǎo)致核心網(wǎng)能效與4G 網(wǎng)絡(luò)相比降低超過15%。

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與管理層面來看，5G 通信網(wǎng)絡(luò)采用更密集的小基站來提升容量，這導(dǎo)致基站數(shù)量急劇增加，整體能耗大幅提升。此外，5G 通信網(wǎng)絡(luò)還支持海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入，上行業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸式增長，資源調(diào)度與管理難度加大，傳統(tǒng)可用的睡眠策略效果有限，基站開銷能耗明顯增加。5G 通信網(wǎng)絡(luò)功能實體分布復(fù)雜，控制信令與數(shù)據(jù)傳輸路徑較長，傳輸過程中的能耗較大。5G 主要功能實體的典型功耗參數(shù)如表1 所示。

表1 5G 主要功能實體功耗參數(shù)

2 5G 通信網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化策略

2.1 硬件設(shè)備節(jié)能優(yōu)化

首先，采用更高效的電路與器件。應(yīng)用最新的微米級硅鍺制造射頻器件，這類器件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)百兆赫茲的工作帶寬，且損耗功率不超過200 mW[1]。同時，使用低損耗的氮化鎵（GaN）類功率放大器，它在3.5 GHz 頻段工作時的背景噪聲小于2 dB，功率增益大于15 dB，可以有效減少信號放大過程中的能量損耗。在基帶處理方面，采用7 nm 工藝制造的專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）基帶芯片，并結(jié)合時鐘門控和電源管理優(yōu)化策略，降低系統(tǒng)功耗。其次，5G 基站可以使用先進的直接液冷散熱技術(shù)，降低設(shè)備功耗。直接液冷散熱技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于提升基站的運行效率，還能在一定程度上延長設(shè)備的使用壽命。再次，合理配置天線數(shù)量。根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求和組網(wǎng)情況，設(shè)計支持租用子波束的柔性天線陣列。這種陣列允許運營商租用天線陣列中的部分子波束資源，按需打開天線射頻鏈路。當(dāng)用戶數(shù)較少時，控制射頻器件和數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備進入低功耗的睡眠模式[2]。最后，通過提高硬件設(shè)備的使用率來達到節(jié)能的目的?；緝?nèi)的主設(shè)備可以考慮設(shè)計成允許遠程或本地共享的服務(wù)化架構(gòu)，同時不同生產(chǎn)商之間通過開放接口互聯(lián)，有助于提升服務(wù)器、存儲器等硬件資源的利用效率，避免發(fā)生設(shè)備空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與資源調(diào)度優(yōu)化

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲與功能部署的優(yōu)化

采用將媒體面功能集中而信令控制面功能分散的部署思路，即媒體面功能集中放置于核心網(wǎng)機房，而智能化控制類功能實體分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣，靠近終端和接入網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)切片的引入可以顯著提高資源利用率，將硬件與軟件資源虛擬化、池化后供切片彈性調(diào)用，與傳統(tǒng)專用部署相比，能降低28%的資源損耗[3]。

2.2.2 無線接入網(wǎng)的資源優(yōu)化配置

根據(jù)業(yè)務(wù)時空分布特性，可以采用動時隙資源動態(tài)分配技術(shù)。結(jié)合時分雙工機制與頻率屏蔽進行動態(tài)分配，可以使實時業(yè)務(wù)無線資源利用率提升19%[4]。此外，基于用戶關(guān)聯(lián)與負載特征的綜合考量進行基站睡眠控制，選擇開啟負載和覆蓋性能最優(yōu)的基站集合，可以使無負載基站的睡眠比例達到72%，總的基站供電量降低超過15%，實現(xiàn)有效節(jié)能。

2.3 綠色通信技術(shù)的應(yīng)用

在通信系統(tǒng)架構(gòu)上，采用融合改進的父子站解耦架構(gòu)，即采用集中化的室內(nèi)基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）池統(tǒng)一處理多個無線遠端單元（Radio Remote Unit，RRU）的基帶調(diào)制信號。該方案充分復(fù)用基帶處理資源，可以顯著減少基帶芯片數(shù)量[5]。優(yōu)化稀疏碼多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技術(shù)通過使用高效的多域稀疏碼本來構(gòu)造碼本矩陣，能夠提高解碼性能和錯誤糾正能力，同時確保業(yè)務(wù)的可靠性。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)的引入為提高編碼效率提供了新的可能。通過構(gòu)建循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN），可以實時優(yōu)化調(diào)制參數(shù)，進一步推動綠色通信技術(shù)的發(fā)展。

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真環(huán)境搭建及實驗設(shè)計

為驗證所提5G 網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化策略與技術(shù)方案的有效性，構(gòu)建面向能效管理的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，主要包括軟硬件環(huán)境搭建、仿真場景設(shè)計及評估指標(biāo)確定3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在硬件環(huán)境上，仿真測試平臺以8 核EPYC 服務(wù)器作為主機，內(nèi)存為96 GB，同時配置顯存為8 GB 的RTX 3090 顯卡。在軟件環(huán)境上，主機搭建Docker 容器，部署Ubuntu 18.04 64 位系統(tǒng)。容器內(nèi)配置針對網(wǎng)絡(luò)仿真優(yōu)化的OpenStack 開源軟件，并在Python 3.7 框架上利用Tensorflow 庫開發(fā)額外的仿真程序與評估工具包。該測試環(huán)境支持大規(guī)模5G 基站設(shè)備和復(fù)雜場景下海量用戶組網(wǎng)接入。在仿真場景上，主要從宏觀和微觀2 個層面構(gòu)建。宏觀上設(shè)置城域范圍內(nèi)的5G 模擬網(wǎng)絡(luò)，包含超過16 個地區(qū)、150個室外基站，室內(nèi)分布超過80 個小基站，用戶數(shù)達到300 000 個，場景范圍達到25 km2。微觀上精確仿真包括服務(wù)器集群機房的電力供配系統(tǒng)，精確還原電力轉(zhuǎn)換與配送每個細節(jié)環(huán)節(jié)的耗損模型。此外，在用戶面構(gòu)建虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）視頻組播、高清直播、智能駕駛等典型5G 應(yīng)用驅(qū)動的業(yè)務(wù)流量，測試網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜負載下的能效水平。

在確定評估指標(biāo)時，重點考量3 項核心指標(biāo)。一是節(jié)能技術(shù)改進前后的網(wǎng)絡(luò)能效比，通過量化改進方案的絕對節(jié)能獲得。二是系統(tǒng)處理能效比，反映單位運算處理庫存數(shù)據(jù)的平均能耗水平。三是網(wǎng)絡(luò)綠色率，評估網(wǎng)絡(luò)傳輸容量產(chǎn)出的單位能耗基準(zhǔn)，以衡量不同網(wǎng)絡(luò)的綠色容量級別。此外，設(shè)定一組誤碼率、訪問成功率等指標(biāo)控制約束網(wǎng)絡(luò)性能，該仿真設(shè)計可以全面驗證所提5G 節(jié)能策略方案的效果。

3.2 實驗結(jié)果分析與討論

通過仿真實驗平臺測試所設(shè)計的5G 網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化策略，主要從硬件節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及綠色技術(shù)3 個角度進行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化測試結(jié)果對比

在硬件節(jié)能方案驗證中，采用新型GaN 功放、7 nm 工藝數(shù)字基帶處理及直接液冷技術(shù)，5G 基站總體輸入功率由原來的8.2 kW 下降至6.03 kW。特別是作為主耗功器件的數(shù)字處理基帶板卡，其效率由原來的28.6 GOPS/W 提升到37.5 GOPS/W。這說明采用新的器件材料工藝和先進的熱管理技術(shù)，能獲得顯著的單節(jié)點節(jié)能增益。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與資源調(diào)度優(yōu)化的測試中，結(jié)果顯示采用MEC 服務(wù)器遷移、基于用戶關(guān)聯(lián)與業(yè)務(wù)負載特征的動態(tài)基站睡眠技術(shù)時，整體核心網(wǎng)的節(jié)能比達到18.3%。在應(yīng)用綠色通信技術(shù)方面，主要驗證高效SCMA 技術(shù)和人工智能輔助編碼調(diào)制的成效，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)平均能效比提升35%。

綜上所述，應(yīng)用文章提出的5G 通信網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化策略可以獲得顯著的節(jié)能增益，在一定程度上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綠色化。

4 結(jié) 論

文章通過分析5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的能效管理問題，指出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)能效水平與不斷增長的能量需求之間存在明顯的缺口。從硬件節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整以及綠色技術(shù)創(chuàng)新3 個層面，系統(tǒng)地闡述了5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)能與效率提升的技術(shù)策略與方法。通過仿真平臺測試驗證了所提方案的效果，研究成果為構(gòu)建節(jié)能高效的可持續(xù)發(fā)展5G 網(wǎng)絡(luò)體系提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。