5G基站技術節能策略分析與研究

周普成，蔡文科

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著移動通信技術的發展，移動網覆蓋范圍不斷擴大，容量持續增加，基站設備數量越來越多，消耗的電能也越來越多。電信運營商5G網絡已開始規模商用部署，熱點、終端以及業務的快速增長將會導致更高的能耗，移動網電費成本將會進一步提升。

傳統基站節能主要采用現場關電、時控開關以及小區閉塞等手段，但這些手段比較粗放，無法兼顧用戶感知。進入5G時代，由于5G基站采用了64T64R大規模陣列天線，支持更大的帶寬等因素導致其能耗較4G基站更高，其次5G頻段高，單站覆蓋范圍小，要達到4G網絡的覆蓋效果，5G基站部署規模將是4G基站的2～3倍。設備功耗更大，站點數量更多，電量消耗必將更大，5G功耗過高已成為目前網絡運營的痛點，研究5G基站技術節能勢在必行。

1 基站節能基本原理

基站節能根據實現原理可分為符號關斷、載波關斷、通道關斷以及深度休眠技術，不同節能技術節能原理如下。

1.1 符號關斷原理

5G NR低頻系統中，一個無線幀10 ms，每個無線幀由10個無線子幀構成，每個無線子幀1 ms，每個無線子幀由2個時隙構成，每個時隙0.5 ms。每個時隙在Normal CP情況下由14個符號構成。NR系統在實際通信過程中，基站不是任何時候都處于最大流量的狀態，所以對于子幀中的符號，不是任何時刻都填滿了有效信息。基站在沒有數據發送的符號周期時刻關閉PA電源開關，在有數據發送的符號周期時刻打開PA電源開關，可以在保證業務不受影響的情況下降低系統功耗，這種節能方式稱之為符號關斷節能，另外由于符號關斷節能利用了DTX技術，這種節能方式也被稱為DTX節能。

1.2 載波關斷原理

在5G NR多制式多層覆蓋的場景下，容量層小區提供熱點覆蓋，基礎覆蓋層小區提供連續覆蓋。當容量層小區負荷較低時，將UE遷移至基礎覆蓋層小區和關斷容量層小區以達到節能的效果，當基礎覆蓋層小區負荷升高時，喚醒容量層小區。這種根據容量層小區和基礎覆蓋層小區負荷變化觸發的節能方式稱之為載波關斷節能，其原理如圖1所示。

圖1 載波關斷節能原理

載波關斷節能按覆蓋關系可以分為NR小區覆蓋NR小區場景和LTE小區覆蓋NR小區場景兩種。

1.2.1 NR小區覆蓋NR小區場景

NR小區覆蓋NR小區場景如圖2所示。圖中，NR Cell A為容量層小區，NR Cell B為基礎覆蓋層小區，當Cell A負荷較低時，將UE遷移至Cell B，關斷Cell A，Cell A節能，當Cell B負荷升高時，喚醒Cell A。

圖2 NR小區覆蓋NR小區場景

1.2.2 LTE小區覆蓋NR小區場景

LTE小區覆蓋NR小區場景如圖3所示。圖中，NR Cell B為容量層小區，LTE Cell C為基礎覆蓋層小區，當Cell B負荷較低時，將UE遷移至Cell C、關斷Cell B，Cell B節能，當Cell C負荷升高時，喚醒Cell B。

圖3 LTE小區覆蓋NR小區場景

1.3 深度休眠原理

為了達到極致的節能效果，考慮在話務閑時，關閉盡量多的AAU硬件以降低能耗。配置基站深度休眠的定時策略，當休眠時間點到達時指示AAU進入深度休眠，節能時間結束時退出基站休眠模式。無用戶期間，AAU只保留基本的eCPRI鏈路，其他所有器件全部進入節能狀態，實現最大程度節能。

1.4 通道關斷原理

NR系統中，當小區負荷較低時，根據小區的負荷水平，采取不同顆粒度關閉發射通道，接收通道也可同時關閉，實現節能。通道關斷后，可對廣播和數據信道做功率補償，以保障網絡的覆蓋及性能。通道關斷節能原理如圖4所示。

圖4 通道關斷節能原理

記NR低頻小區天線數為AnrNum，當滿足設定的通道關斷條件時，可關閉ChoffNum個通道，對應的關閉通道數量占總天線數量的比例為ChoffProp。小區的上行和下行通道關斷是獨立配置的，由通道關斷模式來控制，支持只關閉下行發射通道和上下行通道同時關閉兩種關斷模式。針對AnrNum=64的機型，通道關斷的粒度設置為16，即支持關閉16、32以及48個發射或接收通道。對于AnrNum=64的NR小區，目前系統中硬件和天線的映射關系如下。

（1）TRX SOC與天線映射關系，4個天線映射到1個芯片，如圖5所示。

圖5 TRX SOC與天線映射關系

（2）中頻FPGA與天線映射關系，8個天線映射到1個中頻FPGA，如圖6所示。

圖6 中頻FPGA與天線映射關系

（3）PA模塊與天線映射關系，每個天線映射到1個PA模塊，如圖7所示。

圖7 PA模塊與天線映射關系

關閉通道的選擇需要結合硬件與天線的映射情況來選擇，相同硬件資源的通道關閉才能達成節能的效果。

2 節能策略和試點區域選擇

2020年，某市電信運營商的5G網絡已實現密集城區和普通城區的室外連續覆蓋，5G選用的主設備廠家為中興通訊。綜合考慮當前已建成的5G站點分布、廠家技術實現能力以及5G業務時段性規律，在2020年6月至7月之間就該市浦北、浦南、開發3個市轄區分別開展符號關斷、深度休眠及符號關斷配合深度休眠的節能策略試點。

統計全網5G話務量指標如圖8所示，可以明顯發現0：00-6：00話務量較低，為低業務時段。

圖8 全網5G小時級話務統計

剔除目標區域內醫院、交通樞紐以及重點園區等5G業務重點保障場景關聯5G站點，確定本次實施節能試點小區數和策略如表1所示。

表1 本次實施節能試點區域、小區數及策略

3 節能效果評估

能耗統計方法中，5G網管可統計平均功率值，根據時間可計算統計周期消耗電量，該值與實際測量值基本相當，故直接使用該值計算5G基站設備能耗情況。主要根據各節能策略開啟的時間節點，統計開啟前后的電源平均功率并作對比，并以此計算節能效果。

3.1 符號關斷節能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數據，符號關斷節能策略全天開啟，對比開啟前后區域全部節能實施站點平均功耗下降了17.17%，如圖9所示。

圖9 5G符號關斷節能效果統計

3.2 深度休眠節能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數據，深度休眠策略開啟時間段為0：00-6：00，對比策略開啟前后0：00-6：00同時段區域全部節能站點平均功耗下降了53.69%，對比0：00-24：00全天區域全部節能站點平均功耗下降了12.7%。0：00-6：00同時段節能對比如圖10所示。

圖10 5G深度休眠同時段節能效果統計

0：00-24：00，全天節能對比如圖11所示。

圖11 5G深度休眠全天節能效果統計

3.3 符號關斷+深度休眠節能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數據，符號關斷及深度休眠混合策略，對比開啟前后區域全部實施節能站點功耗下降了21.16%，如圖12所示。

圖12 5G符號關斷+深度休眠混合策略節能效果統計

4 結 論

經過6月-7月期間多次試驗表明，對比3種節能策略，符號關斷生效時段可節能17.17%，深度休眠生效時段可節能53.69%，0：00-6：00折算到全天可節能12.70%，符號關斷+深度休眠混合策略可節能21.16%。

在保障5G感知不下降的前提下，為了實現更好的節能效果，建議全網實施5G符號節能，在夜間低流量非重點保障站點可差異化疊加時段性深度休眠，為電信運營商大面積推進綠色無線網絡建設打下堅實基礎。