5G基站智能節能方案研究

錢忠

浙江省通信產業服務有限公司杭州市分公司 浙江 杭州 310002

引言

現今，5G技術發展普及，為部分行業發展提供新的機遇。為更好保證5G技術應用有效性、穩定性，做好5G基站兩大場景節能方案應用，有助于更好降低5G基站運營、維護成本，對于提高5G技術應用水平及加速技術普及具有一定幫助。

1 5G基站總成

5G基站是基于功能劃分，將核心網、UE之間進行有效鏈接，保證協議處理是按照固有的基帶邏輯框架而執行的。通過高層與底層的基帶協議處理機構、射頻機構向基站內的各個處理單元傳達指令，保證基站內AAU、BBU、DU、CU等結構，可實現功能化運轉，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議處理機構在具體作用到協議棧時，可由不同種的組合形式，保證各項功能的落實可精準地作用到系統運行中，但目前應用于協議棧驅動最主要的組成方式為PDCP-RLC結構，通過高層、底層的獨立處理模式，分別完成RRC與MAC的功能驅動，且兩者均可與射頻單元的前端對接口相連接。考慮到5G組網多元化的特性，其在建設過程中是建立在原有的4G網絡結構之上實現運作的，這就要求整個基站同時滿足5G、4G網絡的信息傳輸需求，在設備選取方面，則應保證組網形態的獨立化。首先，CU網絡結構中，其需要以硬件平臺為載體，保證平臺可將運算模塊、交換模塊等功能進行集成，進而為人工智能技術的實現提供技術支撐。其次，BBU網絡，其可與CU支持下的DU結構共用一個平臺，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行整合，以此提高功能實現的穩定性與拓展性。最后，AAU網絡結構中，其作為5G網絡運行的核心，通過與射頻模塊、天線模塊等進行整合，可進一步實現數據信息的高效率傳輸，但其功能組成具有一定的復雜性，需要密集節點進行支持，以滿足不同數據傳輸場景的需求。

2 5G基站能耗分析

為了滿足超高速率、超低時延、超高連接數密度的業務需求，5G引入了NR新空口技術，對基站設備的硬件能力提出了更高的要求，也促使5G基站設備的功耗顯著提升。從能耗構成角度分析，5G基站的能耗主要來自CU、DU/BBU、AAU各類設備的功耗。對于CU設備，由于采用通用硬件平臺，硬件資源基于容量需求靈活配置，設備功耗與硬件配置規格相關，功耗范圍在幾百瓦到幾千瓦之間，給站點機房供電能力帶來了挑戰。對于BBU-AAU架構的基站，AAU設備的功耗遠高于BBU，單站超過80%的能耗來自AAU，因此，提高AAU的能效水平可有效降低基站總能耗。5GBBU的功耗主要來自基帶板、主控板等板卡內部的處理器、ASIC、FPGA等芯片的功耗，以及電源、風扇模塊的熱耗。與4G相比，由于NR協議實現更復雜，要求支持更高速率、更低時延，驅使板卡內部采用更高運算及存儲規格、更大數量的芯片，BBU整機功耗也相應增加。5GAAU的功耗主要來自功放、數字基帶、收發信板等關鍵器件，這幾部分功耗占AAU總功耗的70%以上，是影響AAU能耗水平的主要因素，此外，也包含時鐘、電源、濾波器等其他模塊的熱耗。5GAAU在硬件架構方面與4GRRU有很大差別，AAU內部集成了天線陣列，支持更大帶寬、更多通道以及部分基帶處理功能，架構與功能更加復雜，使得AAU的功耗較4G大幅上升。①5GAAU在sub6GHz頻段支持100MHz載波帶寬，毫米波頻段支持400~800MHz帶寬，載波帶寬越大，對基帶及數字中頻芯片的性能要求就越高，功耗也隨之增加。②為了支持MassiveMIMO技術，5GAAU的通道數成倍增加，而業界目前支持多通道的數字中頻器件還不成熟，單芯片支持的通道數有限，使得AAU集成度不足、功耗較高。③在支持多通道的情況下，5GAAU設備單通道發射功率較小。以64T64RAAU設備為例，在200W總發射功率下，AAU單通道功率為3.125W。由于小功率功放的效率較低，導致AAU整體能效水平并不高。由于設備高性能要求以及芯片技術的成熟度等因素，導致目前5GAAU的能耗依然很高，成為單站能耗的重頭。未來隨著芯片產業鏈的發展，AAU設備的能耗存在一定的下降空間。從功耗特征角度分析，在不同的業務場景下，5GBBU與AAU的功耗呈現不同的特征。其中，BBU的功耗與業務負荷關系不大，只與硬件板卡的配置相關，無論是空載還是滿載，BBU的功耗均相差不大。AAU的功耗包含靜態功耗與動態功耗2個部分，其中，靜態功耗取決于設備的硬件性能，與業務負荷無關，動態功耗則隨業務負荷波動而變化，業務負荷越高，功耗越大。

3 基站智能節能方案

3.1 數據采集與分析

數據采集需要按照基站業務過程、信令交換原則等，通過對接不同的數據來源庫，以一定粒度獲取需要的數據源，包括PM、MR、工參、基站配置等數據[1]。然后，對獲取的數據進行提取解析、關聯匯聚，將原始數據存儲到節能方案所需的數據庫表格中。另外，需要對數據的規模進行探索分析，對不同規模的數據采取不同的存儲方式和處理工具。為了方便后續為基站節能提供深層次支撐服務，需要通過各種技術手段對數據進行組織或分析，包括缺失數值的處理、數據編碼、數據標準化、數據降維等。在數據采集和分析的過程中需要建立數據質量評估和監控體系。在數據采集之后，需對數據質量進行評估，確定數據的可用性，以免因數據質量問題影響后續節能策略的分析。在數據處理的過程中需要監控數據處理的步驟、時間、有效性等，避免因數據處理過程的中斷或錯誤導致后續節能分析的錯誤。

3.2 多張網絡覆蓋下的節能措施

對于多套網絡設備并存的站點，根據話務流量業務走勢，進行設備運行控制，如用戶少時定時關停其中的一套系統進行節能，做到用戶多時容量大，用戶少時容量小。以5G/4G同時覆蓋的節電措施以及使用場景為例：①由于4G網絡具備很好的數據下載速率，因此在業務量超低的時間段，可通過安裝定時開關關閉4G或5G基站，從而實現節能效果。②由于5G建設初期終端覆蓋率不足和特殊業務場景等原因，部分場景部分時段的5G網絡無業務或業務量極低的情況下，在4G/5G重疊覆蓋場景的關閉5G基站節能。關閉5G實施條件（關閉5G僅考慮2C場景）：該4G/5G共覆蓋區域的站址在該時間段內，5G小區數據流量=0；5G用戶數=0；4G/5G網絡完全重疊覆蓋。

3.3 強化5G基站硬件設備技術優化

在芯片制造方面進行節能優化，將是未來階段5G基站節能的重要構成。現階段，我國在微電子領域芯片制造技術水平總體相對良好，但對微電子尖端技術掌握，仍然需要從技術研發上做好進一步突破。未來5G基站制造與應用，需要力求提高5G基站電子芯片制程工藝，降低5G基站電子芯片及電路設備基本能耗，控制5G基站能源應用，提高5G基站總體能耗比，為未來階段5G時代基站兩大場景節能方案的完善充分助力[2]。

3.4 軟件節能

第一，符號關斷模塊。5G基站內AAU結構運行過程中，可通過斷續結構的射頻形式，增強信號系統的容錯性。即為AAU結構在運行過程中，其所產生的信號傳輸具有一定的周期性，當下行符號沒有進行信號發送時，則將自動關閉即時傳送功能，如果系統呈現出信息傳輸屬性時，則AAU結構立即運行，兩者之間所形成的時間差不會對網絡造成接收功能的影響。為此，可對原有的算法進行更新，將用戶符號集中在某一個信息節點上進行定位，便可真正實現智能斷接處理，以減輕系統運行中的能源消耗。第二，通道關斷模塊。此類模塊的設定主要是針對AAU設備來講的，受到不同業務的處理訴求，在對其進行業務處理時，為達到相應的節能效果，則需在多業務處理時，保證系統處于多節點頻發狀態。但考慮到通斷關閉時，系統所呈現出的約束性問題，則需適當增加信道控制基數，通過提升信道功放值，保證信號上行與下行傳輸處于一個均衡狀態，以增強實際輸入效率。第三，小區關斷模塊。其主要是針對當前區域內5G信號的覆蓋程度，對區域內的容量屬性與數據傳輸屬性進行關聯分析，確保在整個覆蓋體系下，由具體容量決定著小區關斷狀態，這樣便可進一步強化業務容量高與業務容量低之間的權重性，以增強實際節能效果。但在此過程中，應注意的是在針對業務小區進行關斷處理時，必須保證業務可全面遷移到覆蓋區域內，以滿足用戶的業務訴求，以真正實現業務域級的處理能力。

3.5 基站關斷

基站智能關斷是指當本基站上的用戶數較少時，將用戶遷移到負荷允許的目標基站上，然后關掉本基站，以節約能耗。節電技術能產生可觀的節電效益，但也存在一定風險，例如節電技術MAC（媒體接入層）檢測周期最小僅能設置為100ms，周期過長，在負荷偏高的區域容易造成資源浪費，影響用戶感知。因此，制定合理的應用策略至關重要，這樣才能在保障用戶感知的前提下起到節能降耗的作用。節電技術的應用主要考慮以下因素：是否安裝智能電表或獨立電表、話務負荷、話務模型，并基于用戶行為特征預測節電區域，用戶忍耐度是否強（申告意愿是否強）等。大數據方法為精準測算話務模型、預估話務負荷、預測用戶申告行為提供了有力幫助[3]。

3.6 評估體系

智能節能方案需要建立全面的、一體化的評估體系，以保證網絡在實施節能策略時不降低網絡的運行質量，保證用戶的良好體驗。智能節能方案的評估體系主要包括指標評估、感知評估、節能評估、操作評估四個方面。指標評估主要是指針對執行節能小區及補償小區構建實時指標分析機制，確保重要KPI指標滿足要求，如指標惡化效果不佳及時進行回退處理。感知評估是指對節能方案實施后對用戶感知的分析，構建用戶感知指標分析機制，確保不生成犧牲用戶感知得來的節能方案。節能評估指對生成的節能方案產生的節能效果進行計算，評估節能效果，并根據評估的節能效果不斷優化節能策略。操作評估主要是指對下發OMC的節能指令執行日志進行實時解析、分析，及時發現執行失敗的指令，根據關鍵字段獲取小區的實時狀態。

4 結束語

綜上所述，5G時代基站兩大場景技能方案應用，有助于更好地提高5G技術應用普及發展水平，對控制5G基站運營、維護成本具有重要意義，可以從根本上解決5G基站建設維護部分問題，為5G技術多元化發展夯實基礎。