5G 接入網機房節能技術研究

［富越 張振］

1 概述

5G 基于SDN 與NFV 的新型網絡架構，接入網采用大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術，可支持大帶寬、低時延、海量連接等多種智能業務場景。與4G 相比，5G 移動網絡的速率、時延等性能指標有數十倍的提升，但能耗也隨之進一步加劇。預計至2025 年通信行業將占據20%的電力能源消耗，高能耗帶來的巨大運營成本，是運營商及通信行業亟待解決的問題。

接入網機房承載了無線網中基帶處理和射頻等設備，其能耗在移動通信網絡中占比最高。5G 接入網設備的功能更復雜，硬件處理能力更強大，功耗比4G 網絡設備提高數倍。節能減排，綜合考慮接入網機房中網絡設備及配套設施的節能方案，是未來5G 網絡發展必須面臨的問題。

2 5G 無線網結構

2.1 網絡架構

為支持高速率、低時延和海量連接的業務需求與挑戰，5G 采用NFV 和SDN 技術，使網絡功能與物理硬件實體解耦，控制功能和轉發功能分離，以通用硬件代替傳統的專用硬件，從而提高資源利用率，降低網絡基礎設施的建設成本與能耗?；贜FV 和SDN 技術，5G 網絡架構進一步扁平化，主要包含轉發、控制、接入3 個功能平面。核心網具備轉發和控制功能，其中轉發平面從網絡中心下移到網絡邊緣，以提供高效智能的轉發控制功能。

無線接入網只包括gNB 一級網元，采用了NR 新空口技術與Massive MIMO 大規模天線技術。5G NR 新空口協議棧結構如圖1 所示，以4G/LTE 協議層結構為基礎，控制面保持不變，用戶面在分組數據匯聚協議（PDCP）層上增加數據適配協議（SDAP）層，主要負責Qos 流與數據無線承載之間的映射，并為數據包添加QFI（Qos flow ID）標記。

圖1 5G 空口協議棧結構

MIMO 技術可增加信道容量，提升頻譜效率。4G 無線網絡系統一般采用2×2MIMO 或4×4MIMO，在相同時頻資源中可并行傳輸2 或4 個數據流。5G 網絡主流配置為64×64MIMO，最大支持16 或32 個數據流，相對于4G 網絡可成倍提升頻譜效率。

2.2 基站形態

5G 接入網元gNB 將傳統的基帶處理單元BBU 拆分為DU 與CU 部分，射頻天線與射頻拉遠單元RRU 集成為AAU。接入網元由傳統的BBU、RRU 兩級結構向集中單元（CU）、分布式單元（DU）、有源天線（AAU）三級結構演進。5G 空口協議映射至基站設備的物理形態如圖2 所示，CU 實現高層基帶協議即PDCP、RRC/SDAP 層協議的功能，并提供接入網與核心網間的回傳接口；DU 實現底層基帶協議即RLC、MAC、PHY 層協議的功能，并提供基帶處理與射頻單元間的前傳接口。CU與DU 通過F1 接口連接，可基于NFV/SDN 技術高效實現密集組網下的集中控制與負載管理，增強小區間協作。AAU 實現基帶信號與射頻信號的轉換和部分基帶物理層底層功能。

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圖2 5G 基站設備形態

CU 設備基于通用硬件，支持軟、硬件解耦和虛擬化技術，將BBU 設備中非實時部分的功能分割出來，負責處理接入網絡中非實時協議與服務。DU 設備可與BBU共硬件，負責處理原BBU 設備中物理層協議和實時服務。AAU 設備集成射頻單元與天線單元，由有源天線陣列構成，支持Massive MIMO 技術，可根據區域業務量可支持64、32、16 等不同通道數。

綜合考慮不同場景業務需求、建設環境及傳輸配套等因素，接入設備可靈活部署。CU 與DU 設備在網絡中可分離布放，也可以合設，即集成在同一個物理設備中同時實現CU 和DU 的邏輯功能。如圖3 所示，根據設備的布放方式，5G RAN 主要包括分布式無線接入網（D-RAN）、集中化無線接入網（C-RAN）和CU 云化3 種部署形式，詳見圖3。

圖3 5G RAN 部署形式

由于DU 用以實現底層基帶協議，有較高的實時性要求，難以實現虛擬化，且CU 虛擬化存在高成本的問題，因此5G建設初期較多采用CU/DU 合設的部署方案。同時，受限于站址密度大、建設成本高、維護工作繁重等問題，5G RAN 建設初期將大量采用C-RAN 部署形式，且延續4G網絡中BBU集中部署的方式，將BBU處理資源集中化、開放化和云計算化，形成BBU 基帶池，以達到節約末端投資和減少維護成本的效果。

3 能耗分析

雖然基于Massive MIMO 技術，5G 網絡每bit 的耗電量大幅下降，其能效比相對于4G 網絡提升了幾十倍，但面對海量數據及超密集組網建設，5G 網絡能耗的絕對值已顯著增加。在移動通信網絡中，約80%的能耗來自于接入網基站，而5G 接入網基站的能耗可分為網絡設備能耗與機房配套設施能耗。

3.1 網絡設備能耗

5G 基站設備主要包括CU、DU/BBU、AAU，設備部署方式不同中，基站的能耗也不同。當CU 與DU 分離布放時，基于通用硬件平臺實現的CU 設備可根據部署需求靈活配置容量，1 個CU 設備可管理幾十到幾百個DU設備。因此不同配置的CU 設備在規格、體積方面也不同，設備功耗在幾百瓦到幾千瓦之間。

CU 與DU 合設時，設備的物理形態類似4G 網絡的BBU 設備，可稱為5G BBU。5G BBU 設備可沿用4G BBU 的組成結構，基于ASIC、FPGA 等專用芯片，由主控傳輸板與基帶處理板等處理器構成。5G BBU 設備需采用更大數量的芯片，以完成高速運算和存儲，因此單臺設備功耗較4G 有所增加，約為300 瓦。

AAU 設備由功放、數字中頻、收發信板及電源等其他模塊組成。5G 無線網的大帶寬對AAU 數字中頻芯片的性能提出了更高要求，使其功耗也隨之增大。AAU 集成大規模大線陣列，通道數量成倍增加，但目前可支持多通道的數字中頻器件并不成熟，使AAU 集成度不高，功放及數字信號處理器件的功耗會隨著業務負荷的增大而增大。當業務滿載時，AAU 設備功耗可達1 200 千瓦。

以CU/DU 合設，并采用D-RAN 無線接入部署的方式進行測算，區域采用3 扇區覆蓋，則單基站5G 網絡設備的能耗約為3.9 千瓦，當3 家運營商共站址時，功耗可達12 千瓦。

3.2 配套設施能耗

機房內配套設施主要包括交直流電源系統、動環監控系統、照明系統、空調系統等。交直流電源系統的能耗主要體現在外市電引入和機房內電纜的線損、供電系統節點導致的高次諧波與能量損耗、開關電源整流效率等方面。動環監控與照明系統的能耗較小且固定，不會隨著機房內網絡設備功耗的增大而增大。

綜上所述，當三家運營商共站址時，5G 接入網單站總能耗將近16 千瓦；如果再考慮與其他2G/3G/4G 制式共存，則單站總能耗最高可達30 千瓦。目前全國5G 基站數量已近60 萬，通信網絡的能耗成本進一步增大，為運營商及通信行業帶來巨大的壓力，5G 基站節能已成為通信行業必須考慮的問題。

4 節能技術

4.1 網絡設備節能

4.1.1 硬件優化

5G 基站中網絡設備功耗主要來自AAU 與BBU 設備。提升AAU 與BBU 硬件設備的性能，是降低網絡運行功耗最基本的措施。設備硬件性能的提升主要受芯片處理能力和器件集成度的影響。

當業務滿載時，AAU 功放模塊的功耗約占AAU 總功耗的58%，采用新材料、新技術如氮化鎵（GaN）芯片、Doherty 功放等優化AAU 功放模塊設計，提升工作效率。BBU 設備內部基帶信號處理器可采用ASIC 專用芯片替代FPGA 等高功耗器件，從而提高性能，降低基帶信號的處理功耗。當前網絡設備的芯片一般采用28 nm 或14 nm 技術，隨著5G 芯片技術與工藝的不斷提升，盡快采用10 nm或7 nm 技術，可減少硬件基礎功耗近50%。

5G 收發通道數由4G 的8/4 增加為64/32，當前芯片所支持的通道數有限，造成設備運行功耗大幅度提升。提高數模轉換、數字中頻、基帶處理芯片的集成度，可有效降低信號收發與處理的功耗。

4.1.2 軟件控制

在不影響用戶感知體驗的前提下，根據無線通信業務的潮汐效應，綜合考慮業務在時間、空間的分布特征及網絡負荷變化等因素，通過軟件控制功能，動態調整關斷部分資源，保障設備在低功耗狀態下有效運行，以達到節能效果。軟件控制節能技術主要包括符號關斷、通道關斷、深度休眠和載波關斷等。

基站檢測到部分下行符號無數據發送時，關閉AAU的功放功能，當出現有數據符號時開啟AAU 功放功能。符號關斷和開啟時間在微秒級別，以不影響通信網絡性能。通過優化基站的調度算法，集中收發數據在特定符號內，可增大無數據符號的比例，以獲得最佳的符號關斷節能效果。

AAU 集成大規模大線陣列，通道數量成倍增大。根據覆蓋區域業務量變化情況，在業務負荷較低時關閉部分射頻通道，當業務負荷恢復或增大時再重新開啟已關閉的通道，從而降低射頻通道的收發功耗。通道關斷和開啟時間在秒級，以不影響基站的覆蓋能力。當覆蓋區域的業務負荷降低至一定閾值時，可采用AAU 深度休眠功能，即只保留基本的數字接口電路，關閉AAU 功放、大部分射頻與數字通路功能，進一步降低AAU 設備運行功耗。深度休眠狀態的恢復時間可控制在5 分鐘內。

載波關斷實現網絡區域級的節能。當區域同時內存在利用頻點1 實現無縫覆蓋的基礎層和利用頻點2 實現熱點覆蓋的容量層時，通過判斷區域內覆蓋和容量情況，關閉低業務的容量層載波，達到節能效果。

4.1.3 AI 節能

隨著5G 網絡的發展與演進，通信業務量劇烈增漲，且將出現多網絡制式共存的場景。在5G 網絡建設初期，通硬件優化與軟件控制技術可在一定程度上實現節能降耗的效果，但硬件優化受限于關鍵器件的產業發展，軟件控制技術受限于低業務場景。隨著5G 后期業務量的增大，傳統節能技術的效果不再明顯，且軟件控制的關斷特性多通過人工進行設置，難以實現跨網絡的節能效果。

人工智能（AI）是未來新技術的發展方向，基于AI的智能化節能技術是5G 網絡解決未來高能耗的主要方向之一。AI 技術可對現網中的大量數據進行分析，建立業務模型，有效實現業務預測，并形成基站的節能策略?；靖鶕掳l的策略自動觸發進入節能狀態，從而實現創新網絡運營運維模式，達到智能化跨網絡的節能效果。

4.2 配套設施節能

5G 基站機房的配套設施能耗主要來源于交直流供配電系統和空調系統。供配電系統可通過優化配置結構、減少供電節點等措施減少電能在線路及設備上的諧波損耗；通過配置具備休眠功能的高效整流模塊提高交直流轉換效率，減少電能損失。機房中配套設施的節能重點在于空調系統，空調系統的配置應綜合考慮機房建筑環境、設備空間布放、機房內氣流組織等多種因素，以達到高效制冷、節能降耗的效果。

4.2.1 外界冷源

通過對機房建筑環境的分析，可最大程度利用外界冷源，減少空調帶電運行時間。當外界環境溫度低于室內，空氣中無腐蝕性氣體，且灰塵、霧霾等固體顆粒數較少時，可采用新風系統或熱管空調等直接利用外界冷源的制冷技術，使機房空調能耗降低至零。

基站位置附近有連續穩定可利用的廢熱和工業余熱時，空調系統可采用吸收式冷水機組，利舊廢熱和余熱為機房提供制冷。如圖4 所示，液態制冷劑在蒸發器中吸熱蒸發，氣態制冷劑在吸收器中被吸收劑吸收，吸收劑由溶液泵送至發生器，加熱發生器分離出氣態制冷劑，氣態制冷劑在冷凝器中被冷凝成液體，再經節流后進入蒸發器。制冷劑在蒸發器中蒸發吸熱，對循環水進行冷卻，為機房提供冷源。

圖4 吸收式冷水機組

吸收式制冷機利用“廢熱制冷”技術，將各種工廠的廢熱作為制冷機的動力熱源，不僅減輕了工業污染，也降低了基站制冷的能源消耗。

4.2.2 云艙模塊

5G 建設初期大量采用C-RAN 部署形式，即在接入網機房內集中放置BBU 設備，形成BBU 基帶池；同時，為滿足業務帶寬、時延特性等網絡要求，部分接入網機房還需部署邊緣云設備。

以單運營商部署10 臺BBU，單機柜放置5 臺BBU進行測算，則3 家運營商共站址時BBU 機柜數量為6 臺，加上其他網絡制式設備柜、服務器機柜等，機房內機柜數量達10 臺以上。在大型C-RAN 機房，BBU 設備數量有50～100 臺，則機房內機柜數量將達到20 臺以上。當機房中機柜數量較多時，除了合理配置空調的規格型號外，更需提高機房制冷效率。通過優化氣流組織、精確送風等技術，提高機柜散熱效率，避免出現局部熱點等問題。

機柜數量增加，但不同運營商或不同制式間的機柜尺寸不盡相同，因此在機房內可建設云艙模塊。如圖5 所示，云艙封閉冷通道形成冷池，提高空調制冷效率；單機柜功耗未超過6 千瓦時，可采用架空地板下送風方式。

圖5 云艙模塊示意圖

相對于傳統制冷方式，云艙模塊制冷方式提升了配電、運維、溫控等子系統的可靠性、節能性和智能性，可使機房PUE 值低至1.5 左右，節能效果明顯。

5 結束語

5G 已進入商用，降低網絡的能耗與運營成本對運營商及通信行業的發展具有重要意義。網絡設備的硬件優化與軟件控制技術具有一定的節能效果，但受限于硬件產業的發展和場景業務量的大小，因此AI 技術的應用是未來5G 網絡節能的主要研究方向。大量網絡設備的部署也給接入網機房帶來配套設施的能耗，在BBU 集中放置的C-RAN 機房利用外界冷源或采用云艙模塊的技術，可在保障設備運行制冷需求的同時降低機房配套設施的能耗。

本文對5G 接入網基站機房的節能技術進行了探討，而核心匯聚機房的節能降耗技術還需進一步研究。