基于AI 的5G 基站節(jié)能技術(shù)探究

汪金萍

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)青海有限公司，青海 西寧 810000）

1 5G 基站總成

從宏觀意義上來看，5G 基站可以看成是信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)，通過信號(hào)的定向發(fā)送，滿足各類設(shè)備載體的數(shù)據(jù)傳輸功能。從具體組成來看，5G 基站是基于功能劃分，將核心網(wǎng)、UE 之間進(jìn)行有效鏈接，保證協(xié)議處理是按照固有的基帶邏輯框架而執(zhí)行的。通過高層與底層的基帶協(xié)議處理機(jī)構(gòu)、射頻機(jī)構(gòu)向基站內(nèi)的各個(gè)處理單元傳達(dá)指令，保證基站內(nèi)AAU、BBU、DU、CU 等結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)功能化運(yùn)轉(zhuǎn)，以此來滿足不同情況下的信息傳輸需求。從功能屬性來看，高層與底層的基帶協(xié)議處理機(jī)構(gòu)在具體作用到協(xié)議棧時(shí)，可由不同種的組合形式，保證各項(xiàng)功能的落實(shí)可精準(zhǔn)的作用到系統(tǒng)運(yùn)行中，但目前應(yīng)用于協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)最主要的組成方式為PDCP-RLC 結(jié)構(gòu)，通過高層、底層的獨(dú)立處理模式，分別完成RRC 與MAC 的功能驅(qū)動(dòng)，且兩者均可與射頻單元的前端對(duì)接口相連接?？紤]到5G 組網(wǎng)多元化的特性，其在建設(shè)過程中是建立在原有的4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的，這就要求整個(gè)基站同時(shí)滿足5G、4G 網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸需求，在設(shè)備選取方面，則應(yīng)保證組網(wǎng)形態(tài)的獨(dú)立化。首先，CU 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其需要以硬件平臺(tái)為載體，保證平臺(tái)可將運(yùn)算模塊、交換模塊等功能進(jìn)行集成，進(jìn)而為人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。其次，BBU 網(wǎng)絡(luò)，其可與CU 支持下的DU 結(jié)構(gòu)共用一個(gè)平臺(tái)，考慮到DU 與BBU 之間存在的功能差異問題，可通過軟件修改將兩者之間的功能進(jìn)行整合，以此提高功能實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性與拓展性。最后，AAU 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其作為5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的核心，通過與射頻模塊、天線模塊等進(jìn)行整合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效率傳輸，但其功能組成具有一定的復(fù)雜性，需要密集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支持，以滿足不同數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景的需求。

2 5G 基站能耗分析

5G 基站的建設(shè)，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多節(jié)點(diǎn)、無延時(shí)傳輸。但從5G 實(shí)際布局形式來看，5G 基站要想實(shí)現(xiàn)全范圍覆蓋，區(qū)域內(nèi)的基站數(shù)量要高于原有的4G 基站數(shù)量，且數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中將消耗一定的網(wǎng)絡(luò)資源。目前，5G 正逐漸向商業(yè)化所轉(zhuǎn)變，針對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)屬性來講，大容量數(shù)據(jù)信息的傳輸，令數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)，如果地區(qū)內(nèi)基站建設(shè)進(jìn)度無法滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行需求，必然造成整體基站能源的過量損耗，降低產(chǎn)業(yè)收益，無法發(fā)揮出5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如圖1所示，為5G 基站能源消耗的關(guān)鍵點(diǎn)。在計(jì)算消耗方面，基站需對(duì)數(shù)據(jù)信息與指令傳輸模式進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)算，查證出不同資源在網(wǎng)絡(luò)空間中呈現(xiàn)出的能源損耗值，例如主控模塊、基帶模塊、傳輸模塊、電源模塊、風(fēng)扇模塊在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能源消耗，BBU 網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中，需要對(duì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多功能運(yùn)算，以保證不同組網(wǎng)之間數(shù)據(jù)流量的可溝通性。在傳輸消耗方面，承接設(shè)備運(yùn)行的主要是由功率放大模塊、射頻模塊等，保證資源消耗與功率消耗呈現(xiàn)出一個(gè)均衡值，這樣便可為信息的定向化傳輸提供能源供給載體，令基帶信號(hào)可精準(zhǔn)執(zhí)行轉(zhuǎn)換指令、反饋指令等，且整項(xiàng)傳輸工作的拓展也可在傳輸能源的消耗系數(shù)之內(nèi)，以此來提高實(shí)際處理效率。在其他能耗方面，則是5G 基站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及系統(tǒng)無用功所產(chǎn)生的能耗，例如5G 基站與市政供電網(wǎng)絡(luò)之間的線損、全天候監(jiān)控系統(tǒng)所造成的損耗等。與傳統(tǒng)4G 基站消耗結(jié)構(gòu)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)由于消耗更多的能源，機(jī)房所承載的能源值消耗比高達(dá)75%，且承接AAU 的設(shè)備功能性較為繁瑣，特別是在功放、信號(hào)收發(fā)等方面的能源消耗值更大，這就造成原有的4G 傳輸結(jié)構(gòu)無法滿足5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求，當(dāng)能源消耗值超出固有的承載值時(shí)，將對(duì)原有的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成損壞。為此，必須對(duì)5G 基站進(jìn)行節(jié)能處理，降低能源消耗比值，增強(qiáng)基站的運(yùn)行效率。

圖1 5G基站能源消耗類型

3 基于AI 的5G 基站節(jié)能技術(shù)研究

3.1 硬件節(jié)能

硬件設(shè)備作為5G 基站的重要組成部分，其在運(yùn)行過程中，也將消耗更多的能源。伴隨著5G 技術(shù)的商用，集成功能的拓展對(duì)硬件設(shè)備提出更高的運(yùn)行需求。對(duì)于此，針對(duì)5G 基站中的硬件系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能處理時(shí)，可從固有的結(jié)構(gòu)、安裝工藝、運(yùn)行原理等為出發(fā)點(diǎn)，分析出不同工作狀態(tài)下，BBU、AAU 結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的能量消耗值，只有這樣才可最大限度保證在固有能源消耗值內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行功效的最大化。首先，針對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可通過5G 基帶協(xié)議的界定，分析出獨(dú)立運(yùn)行模式、過渡運(yùn)行模式之間的能源消耗值，并查證出基站內(nèi)部的高消耗部件，通過部件替換，降低功耗器件的能源消耗值。例如，將原有的FPGA 替換為ASIC 芯片，其不僅可提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還可通過系統(tǒng)集成功能，降低基礎(chǔ)功率系數(shù)。其次，針對(duì)安裝工藝來講，可以現(xiàn)有的硬件集成裝置為基礎(chǔ)，將硬件平臺(tái)進(jìn)行功能化設(shè)定，例如將原有的28nm 技術(shù)，升級(jí)到10nm 技術(shù)，這樣在安裝過程中，相應(yīng)組件所造成的損耗將隨之降低，以減輕基站的整體能耗量。最后，在功耗方面，可適當(dāng)引入高新技術(shù)，對(duì)相應(yīng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行封裝處理，這樣便可為系統(tǒng)提供持續(xù)性的優(yōu)化功能，令設(shè)備在同等能源支持下，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益值。

3.2 軟件節(jié)能

5G 通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的開展在時(shí)間、空間上呈現(xiàn)出一定的集群性特點(diǎn)，其對(duì)于基站靜態(tài)運(yùn)行所產(chǎn)生的功耗來講，則為軟件系統(tǒng)提供耦合特性的節(jié)能路徑。軟件節(jié)能技術(shù)在具體落實(shí)時(shí)，不是單獨(dú)作用到靜態(tài)運(yùn)行體系內(nèi)，而是結(jié)合不同業(yè)務(wù)之間的處理特性，查證出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)工作開展時(shí)的硬件耗損需求，然后結(jié)合系統(tǒng)無用消耗程序，適當(dāng)關(guān)閉相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，這樣便可減小AAU 結(jié)構(gòu)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能需求。目前，軟件節(jié)能技術(shù)可通過三個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。第一，符號(hào)關(guān)斷模塊。5G 基站內(nèi)AAU 結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中，可通過斷續(xù)結(jié)構(gòu)的射頻形式，增強(qiáng)信號(hào)系統(tǒng)的容錯(cuò)性。即為AAU 結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中，其所產(chǎn)生信號(hào)傳輸具有一定的周期性，當(dāng)下行符號(hào)沒有進(jìn)行信號(hào)發(fā)送時(shí)，則將自動(dòng)關(guān)閉即時(shí)傳送功能，如果系統(tǒng)呈現(xiàn)出信息傳輸屬性時(shí)，則AAU 結(jié)構(gòu)立即運(yùn)行，兩者之間所形成的時(shí)間差不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成接收功能的影響。為此，可對(duì)原有的算法進(jìn)行更新，將用戶符號(hào)集中在是某一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行定位，便可真正實(shí)現(xiàn)智能斷接處理，以減輕系統(tǒng)運(yùn)行中的能源消耗。第二，通道關(guān)斷模塊。此類模塊的設(shè)定主要是針對(duì)AAU 設(shè)備來講的，受到不同業(yè)務(wù)的處理訴求，在對(duì)其進(jìn)行業(yè)務(wù)處理時(shí)，為達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能效果，則需在多業(yè)務(wù)處理時(shí)，保證系統(tǒng)處于多節(jié)點(diǎn)頻發(fā)狀態(tài)。但考慮到通斷關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的約束性問題，則需適當(dāng)增加信道控制基數(shù)，通過提升信道功放值，保證信號(hào)上行與下行傳輸處于一個(gè)均衡狀態(tài)，以增強(qiáng)實(shí)際輸入效率。第三，小區(qū)關(guān)斷模塊。其主要是針對(duì)當(dāng)前區(qū)域內(nèi)5G 信號(hào)的覆蓋程度，對(duì)區(qū)域內(nèi)的容量屬性與數(shù)據(jù)傳輸屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，確保在整個(gè)覆蓋體系下，由具體容量決定著小區(qū)關(guān)斷狀態(tài)，這樣便可進(jìn)一步強(qiáng)化業(yè)務(wù)容量高與業(yè)務(wù)容量低之間的權(quán)重性，以增強(qiáng)實(shí)際節(jié)能效果。但在此過程中，應(yīng)注意的是在針對(duì)業(yè)務(wù)小區(qū)進(jìn)行關(guān)斷處理時(shí)，必須保證業(yè)務(wù)可全面遷移到覆蓋區(qū)域內(nèi)，以滿足用戶的業(yè)務(wù)訴求，以真正實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)域級(jí)的處理能力。

4 結(jié)束語

綜上所述，5G 基站的建設(shè)，將加大原有網(wǎng)絡(luò)能源的消耗比，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)定而言，不同工藝組成、設(shè)備類型等，所產(chǎn)生的消耗值具有一定差異特點(diǎn)。為進(jìn)一步加強(qiáng)5G 基站的節(jié)能效果，則應(yīng)全面分析出不同操控視域下，設(shè)備機(jī)構(gòu)運(yùn)行所具備的消耗值，然后結(jié)合系統(tǒng)功能制定出更為完善的技術(shù)體系，提高5G 基站的節(jié)能效果。