基于智能節電技術實現5G基站節能減排的研究

謝海智，王華榮

（1.中移鐵通有限公司 廣東分公司，廣東 廣州 510088；2.廣東科技學院 機電工程學院，廣東 東莞 523083）

0 引 言

近年來，移動通信技術的不斷發展已改變了人們的生產生活方式，從目前產業發展趨勢看，物聯網將成為移動通信產業新的增長點和業務爆發點。業務流量的爆炸式增長、海量的連接需求及不斷涌現的新業務、新場景、新應用等都驅動著新一代5G移動通信技術的應用[1]。隨著5G網絡的大面積覆蓋，4G網絡和5G網絡共存時代的用戶基礎不變，話務量沒有較大的增長，運營商的成本在逐漸增加，而利潤在逐步減少。基站電費是其中最主要的成本支出之一，占總體成本的35%，5G基站設備耗電量較大，是4G設備的2～3倍，電費成本急劇增加。

目前，基站內開關需要進行手動操作，操作步驟緩慢，不具備遠程控制、智能分析以及制定節電策略的功能，達不到高效運作，難以達到節能減排的目的[2,3]。怎樣才能實現國家的節能減排，降低運營商的成本，增加利潤，是本文的主要研究目的。對每個基站進行場景歸類，不同場景的人員習慣相對固定，通過分析設備的流量和基站耗電量，判斷具體時間段流量需求情況和基站的耗電情況，制定場景化的智能節電方案。

1 5G基站的能耗分析

1.1 5G基站的分類和構成

根據分布式演進與整體式演進，形成了包括非獨立組網和獨立組網兩類共計8種部署方式，供各運營商在5G網絡部署時選擇[4]。非獨立組網中，手機雙連接到4G基站和5G基站。所謂的雙連接是LTE中的一個概念，UE同時連接兩個不同的基站，使用兩個基站的無線鏈路資源，兩個基站有主站和從站之分，這樣用戶終端既可接入4G基站也可接入5G基站。兩者組網的主要區別為是否需要建立5G核心網，詳細如圖1所示。

圖1 非獨立組網和獨立組網的區別

5G基站最直接的劃分為宏基站和微基站，宏基站是5G基站最主要的部分，規模投入都比較大，微基站相對來說成本低，也比較簡單。5G宏基站一般來說是由BBU、AAU以及傳輸設備構成，動力配套設備設施包括電源、電池、空調、監控設備。基站內部結構包含基帶處理單元、射頻單元、功率放大器、主電源、天線接口、散熱系統等[5]。5G無線電接入網絡架構更兼容，包括RRU基站級聯、中繼通信和其他鏈連接，基站設備與其他網狀連接，單個BBU和多個RRU之間的傘形連接等[6]。5G基站不僅要支持多種制式還要兼顧多個頻段，典型配置是1個BBU和3個AAU，如圖2所示。

1.2 設備耗電分析

對5G基站的能耗進行分段統計，基本判斷出基站能耗主要有基站主設備、空調等環境設備、開關電源以及傳輸照明設備4個方面。機房電費構成如圖3所示，其中基站主設備耗電約占49%。通信機房基站主設備功耗主要由機柜功耗和載頻功耗兩部分組成，基站功耗可以分為AAU和BBU兩大部分，AAU的功耗約占整機功耗的90%，是基站功耗的主要組成部分[7]。機柜功耗主要包括控制板、風扇以及合路器幾部分，能耗值在基站功耗中所占比例較少，載頻功耗則是基站功耗的主要部分。從載頻功率消耗的角度來講，單個載頻功耗主要包括基帶模塊功耗和功放模塊功耗兩大部分[8]。

圖3 機房電費構成圖

2 5G設備的節電技術

目前，5G設備的節電技術主要包括以下幾類。

2.1 亞幀靜默

亞幀靜默是指下行亞幀（符號）無數據發送時，在此周期內關閉部分射頻硬件，降低靜態功耗。主要在低負荷狀態下生效，實驗室測試功能開啟后，顯示整機功耗可降低10%左右。針對4G、5G共模場景，建議支持4G、5G聯合調度[9]。

2.2 通道靜默

通道靜默是指關閉部分發射射頻通道，以達到降低功耗的目的。主要用于部署宏基站的區域，實驗室測試功能開啟后，可以節省約15%的能耗。

2.3 淺層休眠

淺層休眠是基站關閉5G AAU的功放等模擬器件，AAU進入淺層休眠狀態從而降低功耗。AAU進入淺層休眠狀態之前，要將在線用戶遷移到相鄰AAU，確保用戶持續得到服務。AAU從淺層休眠狀態恢復至正常狀態所需時長在30 s以內[10]。

2.4 深層休眠

基站射頻單元設備空載狀態的深度休眠是指當基站業務處于長時間的閑時狀態下，由于無5G用戶接入，基站射頻單元可以關斷大部分有源設備的供電，從而實現節省射頻單元空載功耗的目的。

2.5 AAU/RRU硬關斷

在BBU上利用48 V RRU控制器直接對沒有流量的RRU進行設備硬關斷，設備也可以進行硬啟動。RRU硬關斷原理如圖4所示。

圖4 RRU硬關斷原理圖

3 節能實施方案

3.1 5G智能節電系統簡介

開發5G智能節電系統，通過北向接口對接網管服務器，采集BBU和RRU的相關數據，制定智能節電策略，通過網管服務器控制RRU和BBU的節電。5G智能節電系統拓撲如圖5所示。

圖5 5G智能節電系統拓撲圖

5G智能節電系統是在保證用戶性能感知情況下，自動對現有無線設備（5G）進行適當關停以達到節能目標，該系統主要包含節電審核流程、節電看板、節電量統計、節電過程管理、節電任務匯總、節電任務詳情、節電任務分析以及節電參數查詢8大基礎功能，結構如圖6所示。

圖6 智能節電系統結構圖

3.2 節電的策略實施

從用戶行為和流量分析進行智能節電策略分析。亞幀靜默可以全天候開啟，對用戶沒有影響。通道靜默、淺層休眠以及深層休眠則是根據不同情況下PRB利用率和RRU最大連接數來智能實施節電策略。AAU/RRU硬關斷根據歷史前一個星期的RRU最大連接數來實施下一個星期的節電策略，夜間進行實施，白天不進行實施。智能節電策略詳細方案實施如表1所示。

表1 智能節電策略詳細方案實施表

續表1

4 節電結果校驗

本次選取具有一定業務量的基站進行測試，在某地市選取15個基站站點進行測試，配置智能節電管理技術，全天開啟5種智能節電方案，并實時監控能耗，節電效果具體如表2所示。

表2 開啟智能節電后前后的基站的平均功率對比

通過對比15個基站的前后電源輸出功率數據發現，開啟智能節電后，可以節約62%的電量。監控無線指標，確保開啟5G智能節電后對網絡質量的影響情況，統計網管數據如表3所示。

表3 5G智能節電前后網絡質量數據表

在開啟節能策略前后實驗站點的性能指標平穩，無異常情況發生，用戶感知不受影響。

5 結 論

本文主要研究利用系統自動控制RRU的節電方案，系統自動采集分析無線話務量和連接用戶量，通過規則制定智能節電中5種方案的開啟和關閉，全天候對5G基站進行管理，可以有效實現60%以上的節電。本次節電的模型也可以適用于現有4G模型或未來的6G網絡，同時適合其他相關行業的節能，具有一定的擴展性和推廣性。智能節電技術方便操作性強，節能效果顯著，同時節省人工參與，具有推廣的意義。