基于5G通信技術的無線網絡節能降耗技術研究

張蜀晉

（山西信息規劃設計院有限公司，山西 太原 030001）

如今，無線通信的快速發展，移動終端用戶的大幅度增加，在為5G技術創新發展注入動力的同時，也使得設備、基站的能耗問題成為制約技術推廣的重要因素[1]。由于網絡通道的架設需要復雜的設備進行支持，因此5G網絡系統的建設需要的功耗極高，超過4G基站的2-3倍，當前，5G通信網絡的全方位建設應將能耗控制作為重點，根據設備級、站點級、網絡級領域節能技術的研究成果與應用優勢分析，對無線網絡新技術、新材料與新工藝的應用與推廣進行深入探析，為新時期無線通信領域應用技術的優化改革提供助力。

1 設備級5G網絡系統節能技術應用方向

1.1 設備高能耗的原因

5G設備使用能耗過高的影響因素較為復雜，包括網絡運維 通道的增加（從原有的8道擴增為64/32道）、流量規模的提高（從2流增加到16流及以上）、設備發射功率的提升（由100 W提升到200 W及以上）。多方面因素疊加，導致5G網絡在額定滿載狀態下，功耗超過4G的2-4倍，對于網絡全覆蓋戰略的實行有著局限影響。目前，5G基站的主要能耗應用分為AAU、BBU兩個環節，其中AAU運行功耗占據總功耗90%左右，按照不同功能模塊劃分，包括設備功放、電源功耗、小信號以及數字中頻四部分。

1.2 節能技術具體應用

（1）降低基礎能耗。設備功耗會根據業務負載狀態的不同出現動態變化，AAU四個功能模塊消耗的電量比例隨之轉變。通常情況下，當無線網絡處于滿載運維狀態時，功放的實際功耗率最高，大約占據總能耗58%左右；空載狀態下，數字中頻實際能源消耗比例可以達到46%。因此，當前設備級AAU節能研究主要集中在功放效率的控制及降低基礎數字中頻模塊的空載消耗。

（2）基于BBU集中化系統對機房能耗進行控制。BBU作為設備集中化管理系統，可以通過對機房部分設備的共享，降低設備能耗。設備共享主要應用范圍包括：主設備、散熱設備、配電設備等。在5G網絡大范圍鋪設工程中，優化創新集中化設備管理模式，成為相關建設與運維單位深化節能技術研究的重要方向。

（3）促進設備升級。在設備升級方面，采用雙頻4T4R規劃方案，能夠有效降低電量消耗，節能效果較為顯著。基于雙頻4T4R技術應用，可以針對性地降低OPEX，借助4G用戶體驗感知的深入研究，提供了更便捷、高效的5G服務，在流量高峰區域采用雙頻4T4R進行系統擴容，進一步提升了用戶感知服務體驗，對于爭取5G用戶有著支持作用。與此同時，在NSA組網狀態下，作為5G網絡服務的延伸，4T4R能夠有效地補充5G網絡高頻覆蓋的空白部分。

（4）積極引進新工藝與技術。在5G系統建設節能技術創新研究方面，相關技術、管理 人員還應逐步加強新技術、新材料與新工藝的引進，推進設備層面能耗控制技術的廣泛性、多元化應用。首先，在芯片的制作方面，可以采用7 nm新型工藝，對通信芯片進行升級，促進網絡級架構優化節能技術的深入研究；其次，由于基站AAU載頻功耗在整體能耗中占據較高的比例，因此，在功放模塊設計時，可以采用氮化鎵材料代替原有的設備材料，在保證功放效率的同時，實現節能效果；第三，AAU設備散熱結構設計環節，應盡量選擇高導熱材料，合理運用散熱齒仿生學理念、液冷散熱理念等，進行技術創新。

2 站點級5G網絡系統節能技術應用方向

站點級功耗控制技術主要是結合網絡不同階段的實際負荷狀態、運維需 求等，將部分功能關閉，實現節能減耗的控制目標。需要注意，網絡功能的關閉控制是以不影響用戶業務服務質量為前提的，按照關斷形式不同，包括亞幀關斷、通道關斷、深度休眠三種形式[2]。

（1）亞幀關斷控制。無線網絡的流量在高峰、低谷時的分布不均衡，科學、合理調配高峰與低谷時段的站點設備、滿足用戶差異化通信需求，是節能技術研究的重點。近幾年，站點級能耗控制技術的發展方向是通過話務負荷狀態變化的研究，對配套設備資源進行調控。在基站網絡運維設備中，占據最高能耗比例的是功率放大設備，即使沒有信號需要輸出，也會產生靜態運維能耗。針對該種情況，可以采用亞幀關斷控制技術，即當下行亞幀沒有數據進行發送時，會關閉射頻硬件，避免產生靜態能耗；當檢測到傳輸數據時，再進行開啟。由于關斷、重啟控制的時間顆粒度檢測數值屬于微秒級別，亞幀關啟操作對網絡服務性能的影響極低，但可以降低10%左右的電力損耗，應用前景較為廣闊。

（2）通道關斷控制。5G網絡技術突破的主要方向是信號通道建設的擴增，網絡通道的增加，系統流量承載能力的提高，也會導致數字中頻、小信號模塊能耗的大幅度增加，基帶數據計算量更多。通過通道關斷對運維能耗進行控制時，需要結合網絡通信流量的狀態進行，當5G網絡處于空載、輕載狀態時，容量需求相對較低，基站可以選擇關閉部分通道，在檢測流量增加時，重新啟動。由于通道開關時間顆粒度屬于秒級，對用戶體 驗影響也相對較小。需要注意，關閉部分射頻通道將會導致陣列與賦形增益的部分損失，盡管利用功率控制手段能夠適當彌補，但上行與下行信道的實際容量會受到一定的影響。據實驗檢測證明，5G網絡輕載或空載時，關閉通道可以降低整體能耗的15%左右。

（3）深度休眠。當網絡運維狀態監測顯示系統負荷情況不高時，可以選擇4G鄰區承載容量，在可接受范圍內，將5G用戶轉移到鄰區，讓5G設備維持深度睡眠狀態，實現控制能耗的目標。處于深度睡眠中的設備，關閉了5G網絡的功放、部分數字通路、射頻等功能，只維持數字接口通暢服務功能，在需要時，重新啟動AAU全部功能。

3 網絡級5G網絡系統節能技術應用方向

當前階段，從網絡能耗層面實行節能控制時，主要的技術應用方向為多網協作與架構優化兩個方面，在網絡協作系統建設過程中引進大數據、人工智能等先進的數據算法，對多頻網絡架設與多種無線網絡運維情況進行有效識別，實時控制小區網絡的休眠與喚醒裝袋，實現了精準節能、動態調整、高效運營的目標[3]。

（1）多網協作能耗控制。5G網絡全方位、多元化建設背景下，使得現階段網絡運維模式出現TDD、FDD、NR共存的現象，在部署網絡覆蓋戰略時，需要基于站點TD-LTE共模的特征，制定節能對策。基于多網協作的網絡運維特點，運用大數據、人工智能等算法，可以在全面、系統收集海量網絡數據的同時，保證網絡運維穩定、提升用戶實際體驗。此外，智能網絡控制系統還可以對不同模式、頻道下的共覆蓋運維情況進行識別，通過內置算法對容量預測，實時進行休眠與喚醒操作，進一步優化能耗控制系統，提升電力能源的整體配置質效。

（2）網絡架構優化節能技術。現階段，無線網絡系統的架構主要以C-RAN為主，采用無線接入的模式，在機房中集中管理，同時，還能夠針對性地保存遠端射頻和天線，降低基站設置的數量，在一定程度上減輕了5G網絡的鋪設成本，對于能耗控制也有著積極意義。基于C-RAN集中建設布局下，可以為BBU基帶資源池共享提供支持，從硬件節能的角度降低能耗，典型場景下的實驗測試結果顯示，集中運維管理模式下的網絡架構可以降低5%左右的用電能耗。

4 結束語

本文研究了5G網絡節能技術，在設備級功耗控制方面，做好基礎能耗管控，深化對氮化鎵、7nm、4T4R等新材料與工藝的研究；站點級節能方面則重點研究了亞幀與通道關斷、深度休眠等技術的應用；網絡級能耗調控技術主要應用方向包括協作節能與架構優化（C-RAN）兩方面。