5G基站節(jié)能方案探析

夏 穎

上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程學(xué)院

0 引言

隨著5G時代的來臨，5G基站經(jīng)過大規(guī)模建設(shè)，全國已安裝開通了超70萬個。5G基站的耗電量非常大，1個S111的5G基站的功耗約3 000 W，遠超2G/3G/4G基站的功耗，5G節(jié)能對運營商來說很重要，能節(jié)省很多電費。持續(xù)降低電信運營商OPEX中的電費成本，成為未來通信行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

5G基站耗電量大的問題日益突出，如何減少基站的功耗對運營商而言非常重要。傳統(tǒng)節(jié)能方案缺乏靈活能動性，比如同區(qū)域甚至整網(wǎng)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置；無場景識別，缺乏方案適應(yīng)性；與真實站點話務(wù)量波動匹配度低。傳統(tǒng)節(jié)能方案缺乏可持續(xù)演進性。當(dāng)容量、站型或者鄰區(qū)出現(xiàn)變化時，需要重新規(guī)劃方案；多層次網(wǎng)絡(luò)協(xié)同性差，無法兼容當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)演進。傳統(tǒng)節(jié)能方案數(shù)據(jù)分析冗長繁瑣。采用人工進行KPI、話務(wù)量等海量數(shù)據(jù)分析，需要大量外場支撐經(jīng)驗；數(shù)據(jù)相關(guān)性高導(dǎo)致人工分析出錯概率高，耗時長，且容易出現(xiàn)結(jié)論差異。最后傳統(tǒng)節(jié)能方案響應(yīng)延后、實時性差。網(wǎng)絡(luò)性能實時監(jiān)控性差，故障處理出現(xiàn)滯后性；網(wǎng)絡(luò)中難以平衡節(jié)能收益與網(wǎng)絡(luò)性能，部分影響可能導(dǎo)致節(jié)能完全關(guān)閉。由此可見5G網(wǎng)絡(luò)需要一個全智能、可自主策略調(diào)整的節(jié)能方案。

1 5G基站基礎(chǔ)節(jié)能方式

5G基站主流是BBU+AAU分布式基站，AAU射頻設(shè)備占用80%的能耗，隨扇區(qū)數(shù)/頻譜資源增加，射頻設(shè)備能耗占比同比增加。射頻設(shè)備的能耗主要是功放，功放占了射頻設(shè)備70%以上的能耗、所以5G要節(jié)能，最重要的是射頻設(shè)備的節(jié)能。降低5G基站能耗尤其是AAU的能耗，對于整個通信網(wǎng)絡(luò)的能耗降低起著至關(guān)重要的作用。

基站設(shè)備節(jié)能主要有兩種方式，分別是硬件節(jié)能和軟件節(jié)能，硬件節(jié)能主要是降低整個基站設(shè)備的基礎(chǔ)能耗，這需要設(shè)備廠商不斷加大技術(shù)研究和創(chuàng)新。軟件節(jié)能則基于業(yè)務(wù)負(fù)荷狀態(tài)對基站資源進行合理調(diào)度，以達到基站設(shè)備高效率運行的目的。

軟件節(jié)能根據(jù)通信業(yè)務(wù)在時間和空間分布上的不同特征以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的變化，在保證用戶感知體驗的前提下，通過靈活動態(tài)的調(diào)度策略對基站進行載頻、通道、符號或者整機休眠等不同的關(guān)斷節(jié)能策略，進一步降低5G基站設(shè)備功耗，以降低運營商的運營成本。常用的基礎(chǔ)節(jié)能關(guān)斷策略如下。

1.1 符號關(guān)斷

在實際通信過程中，基站不是任何時候度處于最大流量的狀態(tài)，所以對于子幀中的符號，不是任何時候都填滿了有效信息。基站控制符號關(guān)斷節(jié)能功能的開啟和關(guān)閉，AAU收到信息后，AAU會進行自適應(yīng)判斷，在“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”的符號周期時刻關(guān)閉PA電源和TRX開關(guān)，在“有數(shù)據(jù)發(fā)送”的符號周期時刻打開PA電源和TRX開關(guān)，可以在保證業(yè)務(wù)不受影響的情況下降低系統(tǒng)功耗，這種節(jié)能方式稱之為符號關(guān)斷節(jié)能。由于符號關(guān)斷節(jié)能利用了DTX技術(shù)，這種節(jié)能方式也被稱為DTX節(jié)能。在負(fù)荷關(guān)斷的基礎(chǔ)上，基站加入了時隙匯聚集中調(diào)度功能，基帶會在業(yè)務(wù)較低時，將符號調(diào)度集中在某幾個時隙上，例如將數(shù)據(jù)匯聚到廣播、公共信道、參考信號所在的時隙，使得AAU能夠更連續(xù)地關(guān)閉或打開PA電源和TRX開關(guān)，這種方式是增強型符號關(guān)斷也稱時隙關(guān)斷。

1.2 通道關(guān)斷

通道關(guān)斷節(jié)能為載波級別的操作，當(dāng)整個載波負(fù)荷較輕時，關(guān)閉部分通道，以減低設(shè)備能耗。當(dāng)載波負(fù)荷升高時，開通通道。載波地上行和下行通道關(guān)斷是獨立配置地，由通道關(guān)斷模式來控制。5G基站支持的關(guān)斷模式包括只關(guān)閉下行通道、上下行通道同時關(guān)閉。5G基站支持的關(guān)斷檔位包括關(guān)閉1/4通道、關(guān)閉1/2通道以及關(guān)閉3/4通道。5G基站統(tǒng)計載波負(fù)荷信息，將通道關(guān)斷的位圖下發(fā)給AAU，AAU通過位圖執(zhí)行通道關(guān)斷和開啟操作。

1.3 載波關(guān)斷

在5G多制式多層覆蓋的場景下，容量層小區(qū)提供熱點覆蓋，基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)提供連續(xù)覆蓋。當(dāng)容量層小區(qū)的負(fù)荷較輕時，將UE遷移至基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)，關(guān)斷容量層小區(qū)，以達到節(jié)能的效果；當(dāng)基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)的負(fù)荷升高時，喚醒容量層小區(qū)。這種根據(jù)容量層小區(qū)和基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)負(fù)荷變化觸發(fā)的節(jié)能方式稱之為載波關(guān)斷節(jié)能。

對于同制式下多頻網(wǎng)絡(luò)或者 4G/5G 共模基站覆蓋情況下，當(dāng)小區(qū)內(nèi)負(fù)荷較低時，可考慮關(guān)閉其中部分小區(qū)，保證當(dāng)前話務(wù)需求，當(dāng)符合升高時再自動開啟高容量小區(qū)以快速滿足話務(wù)需求，實現(xiàn)節(jié)能效果。

1.4 深度休眠

為了達到極致的節(jié)能效果，考慮在話務(wù)閑時，關(guān)閉盡量多的AAU硬件以降低能耗，AAU僅保留光口及電源模塊，關(guān)閉其他功能模塊，最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

深度休眠主要的場景有5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，5G用戶數(shù)量很少，可能會有無5G用戶使用的時間段；4G和5G協(xié)同組網(wǎng)的場景，在低話務(wù)時可將5G設(shè)備深度休眠；熱點區(qū)域5G多頻組網(wǎng)，在低負(fù)荷時間段可將高頻設(shè)備深度休眠；在商場、寫字樓等場所，存在與時間強相關(guān)的無業(yè)務(wù)時段，比如晚上，可以定時5G室分系統(tǒng)的射頻設(shè)備。

2 5G基站節(jié)能測試比較

在某城市對中國聯(lián)通5G基站進行了節(jié)能關(guān)斷的測試，記錄了各測試數(shù)據(jù)。

（1）符號關(guān)斷：全天開啟，全天24小時進行統(tǒng)計。測試了2個站點6個AAU的節(jié)能情況，統(tǒng)計了開啟符號關(guān)斷開關(guān)前后5天的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，這款A(yù)AU在開啟符號關(guān)斷開關(guān)后可節(jié)能23.80%。符號關(guān)斷如表1所示。

表1 符號關(guān)斷

（2）時隙關(guān)斷：全天開啟，全天24小時進行統(tǒng)計。測試了2個站點6個AAU的節(jié)能情況，統(tǒng)計了開啟時隙關(guān)斷開關(guān)前后5天的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，這款A(yù)AU在開啟時隙關(guān)斷開關(guān)后可節(jié)能24.50%。時隙關(guān)斷如表2所示。

表2 時隙關(guān)斷

（3）通道關(guān)斷：全天開啟，全天24小時進行統(tǒng)計。4個站點12個AAU進行了關(guān)閉1/2通道且只關(guān)閉下行通道的測試，3個站點9個AAU進行了關(guān)閉1/2通道且關(guān)閉上下行通道的測試，3個站點9個AAU進行了關(guān)閉1/4通道且只關(guān)閉下行通道的測試，2個站點6個AAU進行了關(guān)閉1/4通道且關(guān)閉上下行通道的測試，都是統(tǒng)計關(guān)斷通道前后5天的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，這款A(yù)AU在關(guān)閉1/2通道且只關(guān)閉下行通道后可節(jié)能12.14%，在關(guān)閉1/2通道且關(guān)閉上下行通道后可節(jié)能16.51%，在關(guān)閉1/4通道且只關(guān)閉下行通道后可節(jié)能6.18%，在關(guān)閉1/4通道且關(guān)閉上下行通道后可節(jié)能6.83%。通道關(guān)斷如圖3所示。

表3 通道關(guān)斷

（4）深度休眠：23∶00~7∶00開啟，開啟時段進行統(tǒng)計。測試了2個站點、6個AAU的節(jié)能情況，統(tǒng)計了開啟深度休眠開關(guān)前后5天的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，這款A(yù)AU在開啟深度休眠開關(guān)后統(tǒng)計時段內(nèi)可節(jié)能71.75%。深度休眠如表4所示。

表4 深度休眠

（5）時隙關(guān)斷和深度休眠的組合：時隙關(guān)斷全天開啟，深度休眠在23∶00~7∶00開啟，全天24小時進行統(tǒng)計。測試了3個站點、9個AAU的節(jié)能情況，統(tǒng)計了開啟時隙關(guān)斷及深度休眠開關(guān)前后5天的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，這款A(yù)AU在開啟時隙關(guān)斷和深度休眠開關(guān)后可節(jié)能38.86%。時隙關(guān)斷如表5所示。

表5 時隙關(guān)斷

測試發(fā)現(xiàn)，深度休眠的節(jié)能效果很好，但只能在特定時間段節(jié)能；時隙關(guān)斷和深度休眠的組合的節(jié)能效果應(yīng)該是最好，可以全天節(jié)能；時隙關(guān)斷比符號關(guān)斷的節(jié)能效果好，但相差不大；通道關(guān)斷的節(jié)能效果比較差，其中關(guān)閉1/2通道且關(guān)閉上下行通道節(jié)能效果是通道關(guān)斷中最好的，而關(guān)閉1/4通道且只關(guān)閉下行的節(jié)能效果最差。

3 5G智能節(jié)能方案

智能（AI）節(jié)能包括基于負(fù)荷預(yù)測的AI節(jié)能和基于業(yè)務(wù)導(dǎo)航的AI節(jié)能。基于負(fù)荷預(yù)測的AI節(jié)能基于AI和大數(shù)據(jù)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，啟動網(wǎng)間互操作，輕載網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)啟動節(jié)能功能，網(wǎng)間根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)進行業(yè)務(wù)互操作，實現(xiàn)網(wǎng)間節(jié)能。基于業(yè)務(wù)導(dǎo)航的AI節(jié)能利用多頻多制式網(wǎng)絡(luò)能效剪刀差深化能效協(xié)同，引入業(yè)務(wù)導(dǎo)航模塊，進行基于能效的主動遷移實現(xiàn)精細(xì)化AI節(jié)能，進一步降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

智能節(jié)能基于智能節(jié)能平臺，通過網(wǎng)管進行信息采集和節(jié)能策略的配置下方。采用人工智能算法，在系統(tǒng)性能和節(jié)能效果間達到最大平衡，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗。具體方案如下：（1）根據(jù)5G基站的特征確定可選用的節(jié)能策略。第一，基站配置：組網(wǎng)類型配置（SA、NSA）、AAU配置、基礎(chǔ)覆蓋層配置等；第二，基站用戶特征：低時延、高可靠性要求；第三，基站負(fù)荷特征：負(fù)荷的趨勢穩(wěn)定性、周期性、負(fù)荷等級、類高鐵負(fù)荷特征等；第四，基站覆蓋特征：上行、下行覆蓋是否存在弱覆蓋等。（2）對于采集到的基站特征數(shù)據(jù)確定初始節(jié)能配置。第一，基于區(qū)域/小區(qū)歷史數(shù)據(jù)確定統(tǒng)一閑時，針對不同節(jié)能策略的應(yīng)用場景分別確定；第二，基于區(qū)域/小區(qū)統(tǒng)一閑時內(nèi)的總體負(fù)荷水平確定門限；第三，確定門限兼顧不同節(jié)能策略應(yīng)用的負(fù)荷場景，比如符號關(guān)斷→通道關(guān)斷→載波關(guān)斷應(yīng)用場景對應(yīng)的負(fù)荷水平由高到低；第四，根據(jù)統(tǒng)一門限確定每個小區(qū)的節(jié)能時間段。（3）預(yù)期有節(jié)能效果小區(qū)開啟節(jié)能策略，并提供相對合適的初始門限和節(jié)能時間段。當(dāng)站點觸發(fā)節(jié)能門限時，站點節(jié)能策略開始執(zhí)行。（4）根據(jù)KPI指標(biāo)、站點能耗和節(jié)能效果進行分析，通過歷史數(shù)據(jù)，區(qū)分出正效應(yīng)、負(fù)效應(yīng)以及無效應(yīng)的3類小區(qū)，采用周內(nèi)同天的子序列拆分預(yù)測法，同時結(jié)合節(jié)假日因子對預(yù)測指標(biāo)的影響，利用二階指數(shù)平滑預(yù)測的算法，得到計算性能最優(yōu)、優(yōu)化效果最好的預(yù)測模型，提出節(jié)能策略優(yōu)化建議。

節(jié)能參數(shù)自優(yōu)化包括節(jié)能時間窗、參數(shù)門限以及多層網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。具體方案如下：（1）按照小區(qū)動態(tài)學(xué)習(xí)最佳節(jié)能觸發(fā)門限，如上下行PRB利用率、RRC連接用戶數(shù)等KPI指標(biāo)。基于智能自學(xué)習(xí)可進行網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和用戶預(yù)測，單個基站節(jié)能關(guān)斷時間窗更為智能合理。（2）節(jié)能門限參數(shù)包括節(jié)能開啟門限、節(jié)能關(guān)閉門限、節(jié)能檢測周期、節(jié)能保護周期。節(jié)能開啟和節(jié)能關(guān)閉的門限可根據(jù)事實調(diào)整及回退。基于站型配置及話務(wù)統(tǒng)計，預(yù)先定義KPI基準(zhǔn)線，每15分鐘粒度讀取KPI，判斷是否超過基線，如超過，則進行節(jié)能參數(shù)回退。（3）通過場景分析進行GSM/UMTS/LTE/5G多頻工覆蓋小區(qū)和節(jié)能小區(qū)自動識別，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同節(jié)能。

智能監(jiān)控與優(yōu)化包括MR數(shù)據(jù)、KPI實時監(jiān)控、實時能耗監(jiān)控以及用戶體驗感知檢測，以節(jié)能目標(biāo)或者KPI允許的波動范圍位導(dǎo)向，智能迭代調(diào)優(yōu)節(jié)能參數(shù)。

業(yè)務(wù)導(dǎo)航是先選擇頻層，再選擇業(yè)務(wù)。（1）頻層選擇：選擇能效比更佳的網(wǎng)絡(luò)層作為業(yè)務(wù)承載層，再通過負(fù)荷信息進行匹配。（2）業(yè)務(wù)選擇：根據(jù)不同用戶、使用的業(yè)務(wù)以及速率需求進行選擇。

一般高負(fù)荷需求不進行業(yè)務(wù)導(dǎo)航，中等負(fù)荷需求進行小包業(yè)務(wù)導(dǎo)航，低負(fù)荷需求采用更多eMBB業(yè)務(wù)導(dǎo)航。

經(jīng)過驗證，AI節(jié)能參數(shù)自優(yōu)化至少提升了80%以上節(jié)能實際激活時間，提升50%以上節(jié)能效果，增加了30%以上的站點可有效執(zhí)行節(jié)能策略。基站節(jié)能初始策略自配置，參數(shù)門限在線自優(yōu)化，在用戶話務(wù)需求持續(xù)上揚的情況下，有效平衡網(wǎng)絡(luò)性能及用戶感知，實現(xiàn)了節(jié)能效果的大幅增長。AI節(jié)能方案與基礎(chǔ)節(jié)能的比較情況。

從表6可以看到，AI節(jié)能方案相比基礎(chǔ)節(jié)能，智能節(jié)能載波關(guān)斷時長提升163%，通道關(guān)斷時長提升35%。數(shù)據(jù)流量、用戶數(shù)保持平穩(wěn)，PRB利用率和接通、掉話、切換等性能指標(biāo)保持平穩(wěn)。

表6 AI節(jié)能方案與基礎(chǔ)節(jié)能的比較

經(jīng)過實際測試，開啟16 335個小區(qū)，AI節(jié)能較常規(guī)基礎(chǔ)節(jié)能，整體日均節(jié)點6 451 kw/h，節(jié)電比例為7.85%，合計全年節(jié)省電量約為235萬kw·h。

4 結(jié)束語

在世界范圍內(nèi)綠色低碳發(fā)展的大背景下，節(jié)能降耗、提升網(wǎng)絡(luò)能效是未來移動通信行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。 5G基站節(jié)能從硬、軟兩方面進行降功耗技術(shù)研究：一方面推動基站采用新材料新架構(gòu)，降低基礎(chǔ)功耗；另一方面開發(fā)自適應(yīng)業(yè)務(wù)的關(guān)斷、休眠等軟功能降低運行功耗，不斷創(chuàng)新并優(yōu)化5G基站節(jié)能降耗技術(shù)，可使用戶獲得最優(yōu)質(zhì)的體驗，降低運營商的成本。