5G能源效率:關鍵概念和潛在技術

5G能源效率:關鍵概念和潛在技術

減少網絡能耗的高能源效率目標是5G的關鍵要求。它能夠降低總投資成本，促進網絡連接延伸到偏遠地區，并以可持續發展和資源合理利用的方式提供網絡的接入。本文為建立高能源效率的5G系統制定了兩個設計原則，同時提出了實現這些的關鍵技術——包括超簡設計、先進的波束賦型技術、在無線接口上用戶數據和系統控制層面的分離，以及網絡功能虛擬化和云計算技術。

5G能源 效率

1 背景

1.1 網絡能源效率在5G中的作用

5G是移動通信發展的下一步，它將是網絡社會的一個重要組成部分，將有助于實現為任何人、任何事隨時隨地無限制地獲取信息和數據共享的愿景。

能源效率長期以來在移動通信設備上扮演著重要角色。設備的高能源效率使電池壽命延長，并一直是移動通訊變革的一個重要元素。

然而，對于高能源效率的需要也已成為網絡基礎設施的一個關鍵點。盡管通信業務量和用戶數大量增加，但是降低網絡總體能耗仍然是我們的目標。主要原因如下：

●高網絡能源效率是降低運營成本的關鍵，是更好的節點和網絡部署的驅動力，從而降低總的投資成本（TCO）。

●高網絡能源效率使依賴于大小適中的太陽能電池板作為電源實現在遠離電網的情況下進行網絡部署，實現最偏遠的地區的無線接入。

●高網絡能源效率是運營商總目標的一部分，旨在以可持續發展和資源合理利用的方式提供無線接入。

總之，高網絡能源效率在5G中扮演著重要角色。

1.2 5G——需求和評估

每個新一代移動通信技術產生之前，會廣泛討論它應該具有什么樣的能力，以及需要滿足什么樣的要求。5G的預期要求和能力比前幾代更多樣化，它不僅要求為人類提供無處不在的連接，同時也要為各種機器設備提供端到端的通信。

同時，對高能源效率也有比過去更高、更明確的要求。盡管預計會有1000倍的流量增加，但是運營商依然明確提出減少網絡總能耗50%的要求。

5G以實現每個地方的高數據傳輸速率為目標。高數據傳輸速率為在更短的時間內發送相同或更多的信息提供了可能。這使設備在沒有數據傳輸的更多的時間里可以進入各種節能或睡眠模式。

“無處不在”的5G數據傳輸速率不僅要提供目前的3G和4G網絡同樣的覆蓋，還要滿足更遠的覆蓋。在非常偏遠的地區部署5G需要非常高的能源效率，允許只要一個中等大小的太陽能電池板或其他經濟有效的能源技術的部署。5G也應該允許部署在當前宏站的網絡結構上，作為提高數據傳輸速率和網絡共享的方式，當其應用時，可以減少并行網絡基礎設施的建設。盡可能地避免在廣域部署場景下，進行宏網的密化，例如在農村地區，將是持續有益的。主要的原因是，即使基礎設施節點提供高能源效率，增加更多的站點將不可避免地增加每個站點的固定能源消耗。

5G能力的多樣性應用場景的多種要求，已觸發了對大量增加的可擴展性和模塊化的網絡功能的要求。例如，網絡應該只支持它應用所需要的功能和相關信令。然而，通用的系統支持仍然必須足夠廣泛來為特定的能力和應用場景提供支持，如建立網絡訪問的可能性。

為了被確認為國際移動通信（IMT）技術，無線接入技術（RAT）必須滿足由國際電信聯盟（ITU）定義的特定要求。下一代IMT技術的需求預計將包括下列技術特性，例如頻譜效率、流量、延遲、數據傳輸速率和網絡能源效率。為了能夠評估與ITU要求相關的技術，需要定義基于不同場景的系統仿真的通用評估方法。

這種評估方法一個潛在的擴展是，由能量感知無線電和網絡技術項目（EARTH）的定義來評估能源效率是可能的。能源效率評估框架（E3F）包括不同類型基站電源配置，一個24h的流量過程統計，并為在一個區域范圍內的帶有不同場景的加權因子的部署模型，從而強調低流量場景。

圖1 不同流量載荷的使用和相應的網絡能耗

2 現有技術的能源效率

專注于提供高業務容量和高數據傳輸速率的產業界現在也意識到，當只有很少或是沒有數據要傳輸和處理的時候高能源效率的重要性。積極的研究工作，包括在電信業多個聯合研究項目的活動，對于這方面的理解做出了重要貢獻。

2.1 較低的平均流量和大動態的流量變化

峰值流量情況對設計和部署要求很高。然而，就何處以及多么頻繁發生的方面，它們其實也比較少出現。事實是，大多數小區和接入節點在大部分時間里傳遞較小流量，綜合起來形成移動網絡相對較低的平均流量荷載。

了解流量分布不只是網絡計劃、部署和規劃的關鍵，同時也是識別移動網絡節能最有效點的關鍵。流量分析要服從以下3個經驗原則：

●流量是不均勻分布的。在網絡中，5%最多負載的小區共運載總業務量的20%，而50%最少負載的小區只運載總業務量的15%。

●即使是在一個地區，流量分布也有很大的空間差異。因此，即便是在高業務量加載的密集城市地區，也會有特定的地方是低業務量加載。

●業務量增加最多的是那些已經有高業務量加載的地區。這對于正確評估未來業務量增長的必要容量的余量是很重要的。

改善后的規劃技術通過減少規劃容量和所需容量的差異，來減少能耗、運營成本和資本支出。

2.2 現今業務量對網絡能耗的影響很小

移動網絡是設計用于連續和高可靠的運行，傳統上總是基于“一直開啟”的設計，這意味著節點和元件一直是開啟的狀態以便在需要的時候立即可用。

大負荷的變化，較低的平均業務量和“一直開啟”網絡運行的綜合意味著事實上能源效率的主要限制并不是數據流量，而是設備發現和訪問系統所需的基本信令的傳輸。因此，現有網絡的能耗并不取決于負載。

一個典型的LTE網絡，小于10%的子幀會被使用（普通的時間和地區），即便是在“極端業務量”情況下也只有小于20%的子幀會被使用——參見圖1的左側部分。即使是在極端業務量水平，與不傳輸數據時的消耗相比，也只會增加不到10%的能耗。換言之，超過90%的能耗是用于發現和訪問網絡，參見圖1右側的灰色柱。

2.3 從“一直開啟”到“始終可用”

提高能源效率的強烈需求與基于數據包分組服務引入的結合，使訪問節點的設計中轉向“始終可用”的設計，并更具吸引力。在“始終可用”運行中，所有網絡功能和元素并不是“一直開啟”，而是只有設備接入網絡所需要的功能是一直開啟的，同時其他的功能可以在每次需要的時候才被動態激活，因此他們在被需要時仍然是可用的。在實踐中，這種方法與傳統的“一直開啟”的操作方法相比，其優勢是元素、子系統和節點可以利用各種先進的節電模式和睡眠模式，從而降低了網絡的能耗。

“始終可用”操作對從多個接入節點匯聚的高級節點也很重要。由于高節點容量與可靠性和高冗余度要求的結合，使用今天的專業硬件的全節點的關閉是很罕見的。然而，不同類型的處理器睡眠模式可以被應用于提高能源效率。虛擬化技術結合更通用的硬件也會實現在較少的硬件單元里提供更有效的資源分配，其具有進一步提高節能的潛力。

現有技術和實現已經采取了若干步驟以實現“始終可用”的運行，這方面會在LTE的演進和EPC （EvolvedPacketCore）繼續進行。

3 5G的挑戰和設計原則

3.1 挑戰

5G是一個特殊的機會去超越現存標準及其演化的能源效率的局限性。在現有技術中，能耗的主要部分在于使設備發現和接入網絡系統的傳輸，這一部分具有最大的節能潛力。

對于傳輸數據時提高能源效率也很重要。這就需要一個更加以用戶為中心的系統，在其中每個傳輸可以特別定制地以靈活、自適應的方式給預定的接收者。從應用的角度來看，一個以用戶為中心的系統意味著根據應用的需求增加資源配置的精度——當考慮一個5G系統將會面臨的所有可能應用時，這是十分重要的。應用程序需要確定可容許延遲，這會間接影響其承載硬件設備如何積極地節能運作。此外，資源可以動態地適應每個用戶，避免網絡資源過度供應，也有利于更好地利用在用的資源。

以用戶為中心的無線接入網絡可以由用戶特定的定向傳輸來獲得，例如波束賦形。優化一個特定用戶的無線傳輸必須不能影響接入范圍。

如果沒有正在進行的用戶數據傳輸就不傳輸任何信息的系統，無法支持用戶的初始接入和移動，這需要額外的廣播信息，以便在覆蓋區域上傳輸，例如支持隨機訪問。

在大區域上的初始接入和接入移動性的基本系統功能的優化，從根本上有別于對基站和用戶終端的特定無線鏈路的優化，這種類型的廣播信息傳統上與小區有關。然而，初始接入和接入移動性功能并不需要小區。相反，與傳統小區的概念不同，它會實現可擴展的、高效的系統設計。

需要注意的是，重新考慮小區的概念對于管理特定的數據傳輸的先進天線技術帶來的復雜性是有益處的。在LTE中，協作多點傳輸技術已經“繞過”小區概念而專注于傳輸點而不是小區站點。5G網絡需要以更快的適應性來協調更多的站點、天線和頻帶。在這里，動態優化系統和個人用戶之間的無線鏈路成為要點，而靜態小區概念幾乎沒有用處。

核心網絡節點和其他聚合網絡節點面臨的主要挑戰是提高可擴展性和可管理性，從而有效地應對在未來可預見的各種應用。

3.2 設計原則

這些挑戰可以被轉化為獲取移動網絡高能源效率的設計原則：

●只在需要的時候激活和傳輸。

●只在需要的地方激活和傳輸。

“只在需要的時候激活”意味著從“停滯”和缺省配置狀態的動態激活的一種“始終可用”方法，包括節點、功能、子系統和元件。

“只在需要的時候傳輸”特指非直接與用戶數據傳輸相關的最小發射。對于無線接入來講，這樣的發射包括同步、網絡獲取、信道估計以及不同類別的系統和控制信息的廣播。也可以解釋為：盡可能少傳輸，但按需要來確定多長時間傳輸。

“只在需要的地方激活”包括“始終可用”的空間區域，也可同時指和上述具有相同含意，但增加擴展到分布式體系構架。

“只在需要的地方傳輸”指之前討論的關于專用發射、定向（也稱為波束賦形）發射和幾個用戶的全向廣播之間的差別。此外，也意味著是專用發射低功耗短距離發射的首選，也就是說當可行時進行更多的本地化傳輸。通過添加額外的接入節點，從而減少接入節點與終端設備的距離，也減少特定數據傳輸速率所需的傳輸功率。但是，只有在因為增加節點帶來能源消耗小于所增加的傳輸能耗時才能降低網絡的能源消耗。

圖2 超簡設計增強了睡眠模式的潛能：與LTE相比，該例中占空比要低100倍，且有500倍的非連續傳輸

4 實現優異能源效率的關鍵技術概念

基于文中討論的設計原則，提出了網絡能源超高效率的一些關鍵技術概念。

4.1 超簡設計

超簡設計以“只在需要時傳輸”的設計原則為目標，目的是最小化一切與用戶數據發送不直接相關的傳輸。

超簡設計為系統能源效率帶來兩個好處：其一，與現有蜂窩技術相比提供了更多的無傳輸時間，即設備可以擁有更多的時間處于睡眠模式，圖2是LTE與一種超簡設計的例子在可能睡眠時間上的比較；其二，更長的無傳輸時間使設備可以進入更廣泛、更深度的睡眠，因此這種模式下不僅睡眠時間長，在睡眠時也將更加節省能量，所以更節能。

應該注意到，超簡設計能夠減小非用戶數據相關的傳輸帶來的整體系統干擾水平，從而達到更高的數據傳輸速率。超簡設計適用于并有益于所有類型的部署，包括宏部署。

4.2 先進的天線技術與波束形成

先進的天線技術已經在當前的移動通訊行業扮演著重要的角色，在5G時代將會變得更加重要。先進的天線技術對增大服務覆蓋面積和滿足數據傳輸速率的提升都非常重要，它可以通過更好地利用空間域來滿足提高數據傳輸速率的需要。

從能源效率方面考慮，先進的天線技術有幾點好處：高速率的數據傳輸確保了更多的睡眠時間，提升的系統容量在不需要非常密集化的網絡中就能服務未來網絡中的極端通信量。

對高能源效率來說，多天線技術最讓人關注的是利用大量的天線單元進行選擇性的波束賦形傳輸，這就是“只在需要的地方傳輸”。

選擇性波束賦形帶來了一些好處：降低了干擾，使網絡的整體傳輸功率減小；擴大了服務覆蓋面積，而且在稀疏部署的地方也能提供高速率數據傳輸，或者它可以使更多的稀疏網絡擁有穩定的系統性能。這些都有利于促進網絡高能源效率。

4.3 用戶數據和系統控制層功能分離

用戶數據與系統控制層功能解耦是獲取高能源效率的重要手段。系統控制層包含系統信息的提供，以及設備訪問系統需要的過程。

無線電接口通過這樣一個解耦，把用戶層容量和基本系統連接功能分開，這樣用戶數據可以通過有高密度的接入結點的低層網絡去傳送，在有需求的時候激活。而系統信息通過附加層提供，設備也在這個附加層上進行初始接入。所以，這就與兩個設計原則有關——只在“需要的地方”和“需要的時間”傳輸。

用戶數據與控制層分離對非常依賴波束賦形來傳送用戶數據的5G部署非常重要。把用戶層數據傳輸與基本系統連接功能邏輯分離和超簡設計相結合將會獲得無線網絡中以用戶為中心的更優化的網絡。

由于超簡設計中只有系統控制層要求是靜態的，因此有可能設計一個幾乎一切都可以實時動態優化的系統。所以，用戶數據與系統控制層功能分離是充分利用先進的天線系統的先決條件，也是獲得超簡設計益處的先決條件。圖3對它們的分離進行了說明。

圖3 系統控制層（綠色）與用戶數據層（藍色）的分離使先進的天線技術得到充分利用

進一步，結合了用戶數據/系統控制層分離的超簡設計也可以為無線接入技術（RAT）的演化提供非常好的靈活性，因為這種分離確保了用戶數據層的演變可以在保留系統控制功能的情況下進行，為網絡模塊化設計和向前兼容性提供好處。

4.4 網絡虛擬化功能和云

與無線接入節點形成對照，核心網絡節點管理由大量的接入節點匯集起來的龐大數量的通信量以及用戶負責。因此，核心網絡節點對快速節能裝置的需求要低于接入網絡節點，這是因為信息高程度的聚集，使負載更可能變成較低的速率。然而，在資源和成本上更有效地管理快速的業務和用戶量的增長，以及將來出現的新的應用情形仍然需要高靈活性、適用性和可擴展性。

圖4 一個共享的網絡基礎設施上通過網絡切片支持多個使用情況

4.5 一個網絡，多個使用情況

傳統的網絡功能應用和它們運行的特定構建的硬件類型密切相關。5G系統需要處理很多不同的應用和請求。在傳統的網絡模式中，有大量的不同需求和特點的應用場景，一般都通過分開的物理網絡來實現。然而，從能耗和成本的角度考慮，一個單獨的物理網絡基礎設施支持越多的應用場景越好。

這可以通過網絡切片來實現，網絡切片為在一個共享的物理網絡基礎設施上創建邏輯分離的網絡分區提供了可能性，這使運營商可以根據每個專門的應用需求提供網絡連接（見圖4）。除了提供連接靈活性以外，網絡切片使5G系統能夠提供網絡化社會大量不同類型的通信需要。這將極大地減小甚至消除專門需求占用的平行基礎設施的資源和能量。

當設計一個高度抽象的系統時，網絡虛擬化功能和云技術是非常重要的手段，它們能夠提高網絡的靈活性并允許網絡切片。

對于一些網絡虛擬化功能，大數據中心的高集中化可以更好地進行基礎設施規模縮放控制和減少計算冗余，因此可能將改善能量消耗的狀況。然而，另一部分網絡虛擬化功能對于延時、適用性以及消除傳輸擁擠有明確的要求，這有可能對接入網絡造成一個功能分散化的對立趨勢。云技術可以提供調度靈活性、執行模塊化，可以使功能根據延時、吞吐量、本地數據、可用性、高能源效率等需要在最佳地點、最合適的時間下運行。

4.6 網絡虛擬化功能和物理主機之間的有效交互

高能源效率依賴硬件和軟件之間的相互作用，通過虛擬化對它們進行解耦看起來與之相悖，其實并不排斥它們之間有效的交互。相反，在網絡虛擬化里，主要硬件的協調由總控制器處理，這減少了各種專門的硬件存在的多樣性，硬件類型更少更通用。網絡虛擬化功能將它們的需求告知總控制器，總控制器不僅要確保硬件資源在請求時可用，同時要確保沒有被利用的硬件停留在最佳節能模式。

總控制器允許云在可用的硬件子集上鞏固網絡虛擬化功能的運行，這將以一個較高的利用率運行，而設備剩下的部分可以處在休眠模式或待機模式。在相同的通用硬件上聚集的幾個網絡虛擬化功能，比如服務器，使當前激活的硬件可以更高效地利用。這樣可以根據負荷成比例地快速增加或減小達到資源最好的利用，在低負荷時可以獲得高能源效率。

總之，軟/硬件通過虛擬化解耦可以使網絡功能易于移植到新一代具有先進的節能功能的硬件系統，確保了能源效率的不斷提升。

5 結束語

5G需要滿足很多需求，一個關鍵的點是提供網絡高能源效率，這對于減小經營成本和總體成本、促進偏遠地方網絡連接、提供可持續和高利用率的網絡連接是非常重要的。

高能源效率需要從根本上改變移動通信行業的設計原則和實施方法。長期以來關注的是提供高傳輸量和數據傳輸速率，但是現在通信行業的許多人已經意識到即便只有很小甚至沒有數據傳輸和處理時，高能源效率同樣重要。

擁有高能源效率的5G系統的建設需要根據以下兩條設計原則：

●只在需要的時候激活和傳輸。

●只在需要的地方激活和傳輸。

這樣的網絡設計具有可擴展性、易于管理、靈活性，有利于真正實現能耗依賴負載，最大程度地節能。

實現的關鍵技術包括超簡設計、先進的波束賦形技術、無線接口上用戶數據與系統控制層的分離以及網絡虛擬化功能和云技術。

1 Ericsson.White Paper:5G Radio Access-Technology and capabilities.Available at.http://www.ericsson.com/res/docs/ whitepapers/wp-5g.pdf.2,2015

2 NGMN Alliance.NGMN 5G White Paper,Available at: https://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_5G_White_ Paper_V1_0.pdf.2,2015

3 Auer et al.How Much Energy is Needed to Run a Wireless Network?IEEEWirelessCommunicationsMagazine.Synopsis Available at:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.js p?tp=& arnumber=6056691&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee. org%2Fiel5%2F7742%2F6 056680%2F06056691.pdf% 3Farnumber%3D6056691.10,2011

4 Frenger et al.Radio Network Energy Performance:Changing the Game from Power to Precision.Ericsson Review.Available at:http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2014/er-radio-network-energy-performance.pdf.2,2014

5 EricssonWhite Paper:5G Systems-Enabling Industry and Society Transformation.Available at:http://www.ericsson. com/co/res/docs/whitepapers/what-is-a-5g-system.pdf.1,2015

PalFrenger EricssonResearch,Sweden
MagnusOlsson EricssonResearch,Sweden
YlvaYading EricssonResearch,Sweden

5GEnergyEffieiency:KeyConceptandPotentialTechnology

Highenergyperformancetargetingreducednetworkenergyconsumptionisacriticalrequirementof5G.Itenables reducedtotalcostofownership,facilitatestheextensionofnetworkconnectivitytoremoteareas,andprovidesnetworkaccess inasustainableandmoreresource-efficientway.Thispaperdefinestwodesignprinciplesonwhich5Gsystemswithhighenergy performance should be built.Key technologies are proposed to achieve this,which include ultra-lean design,advanced beamformingtechniques,andseparationofuser-dataandsystem-controlplanesontheradiointerface,aswellasvirtualized networkfunctionalityandcloudtechnologies.

5G,energy,efficiency

2015-04-30）