5G 通信基站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗分析及節(jié)能策略探討

丁 鋒，韓正印，徐 磊

（1.中通服網(wǎng)盈科技有限公司，江蘇 南京 226000；2.中郵通建設(shè)咨詢有限公司，江蘇 南京 210003；3.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

2018 年，5G 獨(dú)立組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，移動通信邁入5G 時(shí)代，全球的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都開始大規(guī)模建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)基站[1]。然而，相對于4G 通信技術(shù)，5G 基站的能耗較大，使得運(yùn)營商的成本大幅增加，這種“高能耗、低收益”的情況，給5G 網(wǎng)絡(luò)初期的商業(yè)化應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)。其中，5G 通信基站內(nèi)部主要的耗能設(shè)施包括了電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)[2]。這些系統(tǒng)的主要設(shè)備和能耗占比如表1 所示。

表1 5G 基站耗能系統(tǒng)的主要設(shè)備和能耗占比

從表1 可知，5G 基站電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的設(shè)備能耗占整個(gè)通信基站的能耗比例較小，整個(gè)基站90%的能耗集中于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)備。在5G 基站的能耗建模中，基站的空調(diào)制冷系統(tǒng)的功耗和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功耗表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，也就是說維持基站內(nèi)部環(huán)境溫度穩(wěn)定的制冷系統(tǒng)，其耗電量隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備用電的增加而增加，可見網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗影響著整個(gè)基站的能耗情況[3-5]。而5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的能耗在4G 基礎(chǔ)上提高的主要原因是高頻段和大規(guī)模多進(jìn)多出（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）這2 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。為降低5G 基站耗能水平，應(yīng)該從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高頻段和Massive MIMO這2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的功耗降低入手，從而對電源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的功耗產(chǎn)生聯(lián)動效應(yīng)，降低基站的總體能耗。

1 5G 通信基站的能耗分析與節(jié)能方案設(shè)計(jì)

1.1 高頻段大帶寬對5G 基站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗的影響

根據(jù)香農(nóng)定理，為高效利用基站收發(fā)信號功率，在信噪比優(yōu)化受限的情況下提高信息傳輸速率，最直接的方法是增加通信系統(tǒng)的帶寬。因此，許多研究將5G 通信設(shè)計(jì)集中在采用超大帶寬進(jìn)行信號傳輸上，國內(nèi)移動通信運(yùn)營商的頻譜分布如圖1 所示。由于低頻段的頻譜資源非常少，5G 通信只得采用高頻段技術(shù)通信。

圖1 國內(nèi)移動通信頻譜分布圖

4G 通信系統(tǒng)單載波帶寬最大為20 MHz，而5G通信系統(tǒng)的帶寬在Sub-6 GHz 頻段最大可以達(dá)到100 MHz，在毫米波頻段最大可達(dá)到400 MHz，增長了5 ～20 倍。根據(jù)計(jì)算無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的無線鏈路預(yù)算方法，最大允許路徑損耗為

式中：Ptx為基站發(fā)射功率；Lf為饋線損耗；Gtx為基站天線增益；Mf為陰影衰落和快衰落余量；Ml為干擾余量；Grx為手機(jī)天線增益Lp為建筑物穿透損耗Lb為人體損耗；Srx為手機(jī)接收機(jī)靈敏度。

根據(jù)式（1），在上行速率為1 Mb/s，覆蓋率達(dá)到95%的條件下，對1.8 GHz 頻段的4G 通信與3.5 GHz 頻段的5G 通信進(jìn)行無線鏈路預(yù)算，5G 通信的覆蓋半徑大約只有4G 通信的1/2，因此需要建設(shè)2～3倍的5G基站，才能與4G基站達(dá)到相同的覆蓋率。而5G 網(wǎng)絡(luò)基站建成后的總功耗必然隨著5G 基站數(shù)量的增加而增加，因此需要對5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維中的節(jié)能策略進(jìn)行探究。

1.2 Massive MIMO 技術(shù)對5G 基站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗的影響

隨著在物理層面上無線通信技術(shù)快速進(jìn)步，長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)不斷接近香農(nóng)極限，Massive MIMO 的概念應(yīng)運(yùn)而生[6]。2010 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，通過增加基站設(shè)備的天線陣子數(shù)量，在基站布置大規(guī)模陣列天線使得波束賦型在多個(gè)方向上，在空間中相對獨(dú)立，當(dāng)天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶數(shù)量時(shí)，頻譜利用率和用戶吞吐量都將得到明顯提升。

4G 通信系統(tǒng)中的多天線通常采用無源天線架構(gòu)，天線的每個(gè)端口對應(yīng)一套中頻、射頻、基帶通道，而用射頻電纜連接垂直方向的各個(gè)端口的陣子，終端信號在水平維空間可以通過調(diào)整端口間的相對幅度和相位來進(jìn)行優(yōu)化，垂直維只能采用統(tǒng)一扇區(qū)級預(yù)編碼，其空間分辨率受到嚴(yán)重限制，不適合即將發(fā)展的大規(guī)模天線系統(tǒng)。5G 通信的天線系統(tǒng)采用的是有源天線架構(gòu)，使基站獲得更多的自由度，并對每個(gè)天線通道賦予權(quán)值，實(shí)現(xiàn)信道優(yōu)化，同時(shí)配備了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及相應(yīng)的基帶處理單元和射頻單元，架構(gòu)示意如圖2 所示。但是，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的大量使用使得5G 通信有源天線設(shè)備的能耗顯著增加，計(jì)算單個(gè)天線設(shè)備功耗，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊的能耗占比超過總體能耗的60%，雖然可以引入更先進(jìn)芯片可以降低設(shè)備的能耗占比，但是隨著中國5G 產(chǎn)業(yè)的快速布局，初期建設(shè)的設(shè)備功耗依然處于較高的水平。

圖2 5G 通信有源天線架構(gòu)示意圖

1.3 基于ARIMA 預(yù)測模型的5G 基站節(jié)能方案設(shè)計(jì)

差分整合移動平均自回歸（Autoregressive Integrated Moving Average model，ARIMA）模型是一種常見的基于時(shí)間序列的預(yù)測模型[7,8]。該模型根據(jù)建模時(shí)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)就可以預(yù)測未來的數(shù)據(jù)，模型簡單、操作方便、準(zhǔn)確度高，被廣泛應(yīng)用于民航、電力、水利以及建筑等多種行業(yè)[9,10]。為優(yōu)化已投入使用的5G 基站的節(jié)能策略，解決這些基站的經(jīng)濟(jì)性和自我調(diào)節(jié)能力較低的問題，基于通用的5G 基站無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理流程，結(jié)合ARIMA 預(yù)測模型預(yù)測評估無線網(wǎng)絡(luò)資源的使用率，期望在最大限度下達(dá)到系統(tǒng)性能和節(jié)能效果之間的平衡，獲得最優(yōu)的節(jié)電效果。工作流程如圖3 所示。

圖3 5G 基站節(jié)能策略設(shè)計(jì)工作流程

工作流程如下：一是利用無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)收集5G 站點(diǎn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括站點(diǎn)名稱、地理位置、網(wǎng)絡(luò)資源使用率等，對于需要進(jìn)一步分析的5G 站點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況獲取這些指標(biāo)；二是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常采用時(shí)間窗理論；三是根據(jù)已收集到的數(shù)據(jù)訓(xùn)練ARIMA 模型，然后對下一段時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)資源使用率進(jìn)行預(yù)測；四是結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的節(jié)能功能設(shè)定性能指標(biāo)；五是通過預(yù)測無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的負(fù)載和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)節(jié)能策略，同時(shí)生成并配置相關(guān)的節(jié)能參數(shù)，這些參數(shù)主要為節(jié)能功能中通道關(guān)斷和用戶關(guān)斷的時(shí)間參數(shù)；六是節(jié)能策略執(zhí)行；七是收集節(jié)能效果及評估優(yōu)化。

具體實(shí)施過程中，在5G 基站覆蓋下的每個(gè)用戶單元，每天都通過這個(gè)流程生成該用戶單元下一段時(shí)間的節(jié)能策略并下發(fā)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)通信基站的節(jié)能策略部署。通過這個(gè)自反饋節(jié)能策略工作流程不斷更新修正基站節(jié)能功能的配置參數(shù)，新生成的配置參數(shù)與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況將會越來越匹配，具備高度的自適應(yīng)性。收集每一個(gè)應(yīng)用該方案基站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)該節(jié)能策略優(yōu)化參數(shù)的“個(gè)性化”配置。

2 結(jié) 論

文章分析了高頻段和Massive MIMO 技術(shù)導(dǎo)致5G 基站中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗顯著增加的原因，闡述了5G 基站的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)架構(gòu)，個(gè)性化設(shè)計(jì)了基于ARIMA 模型預(yù)測絡(luò)資源使用率，對5G 基站能耗進(jìn)行預(yù)測并提出節(jié)能策略，以期望對5G 用戶影響最小的情況下，提高5G 基站節(jié)能特性，從而達(dá)到減少5G基站能耗的目的，同時(shí)通過回歸算法中ARIMA 預(yù)測模型節(jié)能策略的個(gè)性化配置，實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能策略的自適應(yīng)性。