5G基站節(jié)能方法研究

陶濤

(中郵建技術有限公司 江蘇南京 210000)

目前，5G基站單站址能耗高的問題一直是技術需要挖掘和攻關的重要課題。信息時代，5G技術的成熟應用必須走節(jié)能降耗的路徑，必須從原理、方法選擇、處理對策等多方面進行探索與應用研究，以實現(xiàn)5G基站的高質量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

1 5G 基站設備

1.1 5G設備硬件結構

目前，5G基站站型越來越豐富，根據發(fā)射功率、收發(fā)模式和覆蓋能力，可細分為宏站、微站、皮基站（pRRU）和飛站（Femto）等類型。不同站型其覆蓋能力和適用場景都存在一定差異。一般宏站設備主要由室內基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）組成，而微站一般分為室外微站和室內微站，室外微站同樣由BBU和AAU組成，主要覆蓋道路、居民小區(qū)樓間對打、城中村等場景，室內微站BBU+遠端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）+分布系統(tǒng)或BBU+AAU 兩種形式，而皮基站是一種新型室分，主要為BBU、pHUB和pRRU組成適用于高價值室分場景。飛站、滿格寶等則主要是應用于低價值補盲場景，是一種低成本方案，主要應用于4G場景，5G場景應用不多[1]。

1.2 5G設備硬件功能

BBU主要負責基帶數字信號處理，AAU內部結構是將射頻單元與天線單元集成在了一起，構成有源天線陣列，可將基帶數字信號轉換成模擬信號，接著調制成高頻射頻信號，通過功率放大器（PA）放大功率，最后通過天線發(fā)射出去。BBU 的功率比較穩(wěn)定，不受業(yè)務量增大的影響。而AAU就不一樣了，隨著業(yè)務量的增加，功耗也隨之大幅增加。

1.3 C-RAN與D-RAN

為進一步保障5G 的低時延、低能耗目標，演進推出了D-RAN 和C-RAN 兩種組網模式，如圖1 所示。D-RAN為傳統(tǒng)組網模式，因BBU和RRU/AAU共址，需求較多的光纖和光模塊連接。C-RAN 為BBU 集中布放模式，多個基站的BBU通過引入彩光和波分集中放置在同一個C-RAN機房內[2]，RRU/AAU則通過拉遠方式安裝，所需的光纖和光模塊連接大幅減少。

圖1 兩種組網模式

2 5G 基站能耗分析

為了滿足5G 增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網業(yè)務（mMTC）的業(yè)務需求，5G引入了NR新空口技術，該項新技術對5G基站的設備硬件能力要求非常高，直接促使5G設備功耗顯著提升[3]。中國移動通信現(xiàn)有5G 網絡使用的頻段集中在2.6 G和4.9 G頻段，存在頻段高、覆蓋差等問題，700 M頻段作為廣電共享的移動通信黃金頻段，具有傳播損耗小、覆蓋能力強的優(yōu)勢[4]。

根據5G基站的構造，5G基站能耗主要來自BBU、AAU 等設備，具體如圖2 所示。設備功耗與其設備配置規(guī)格密切相關，設備功耗范圍通常在幾百至幾千瓦之間（如表1所示），給機房供電能力帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。通常情況下BBU+AAU 架構的基站，單個5G 站需1 個BBU 和3 個AAU，AAU 的功耗要遠高于BBU 的功耗，單站至少70% 的能耗均來自AAU。顯而易見，降低5G基站能耗最高效的手段就是增強AAU的能效水平。

表1 不同設備的功耗 （單位：W）

圖2 5G站點能耗構成

除BBU和AAU等主設備功耗外，還有一部分額外功耗存在，即從市電引入（交流）開始到直流供電的整個轉換過程中會額外損失掉的能耗，同時也包括機房空調等制冷設備所消耗的電量。目前，各大運營商都已投入了大量資金進行5G網絡建設投資，重點是為搶占5G市場積極布局[5]。傳統(tǒng)基站降耗的主要辦法是減少傳輸功耗，例如：通過在業(yè)務閑時關閉部分射頻載波來實現(xiàn)節(jié)能減排，因為BBU功耗小于功率放大器和射頻部分功耗，對于傳統(tǒng)2G、3G、4G基站，由于基站的計算能力較小，通常傳輸功耗大于計算功耗。

3 5G基站節(jié)能具體實施

5G基站節(jié)能主要分主設備節(jié)電功能、小區(qū)關斷和拉閘下電3種。主設備節(jié)電功能非常依賴廠家設備支持的節(jié)電功能，主要包括符號關斷、定時載波關斷和射頻通道智能休眠。小區(qū)關斷則是通過指令下發(fā)將小區(qū)關閉，可利用在話務閑時開啟小區(qū)深度休眠達到節(jié)能目的。拉閘下電是在話務閑時通過遠程控制RRU/AAU方式直接下電，達成RRU/AAU定時節(jié)電的效果。

表2為小區(qū)關斷及AAU下電的節(jié)點系數。除小區(qū)關斷和拉閘下電外，設備級節(jié)電功能均受到設備廠家功能License及設備版本限制，同時考慮成本因素未全面鋪開試點，待后期條件具備后再評估。

表2 5G-NR的節(jié)電數據 （單位：度/小區(qū)/小時）

節(jié)電功能License需求，需要根據設備級節(jié)電功能的對比后決定，具體如表3所示。

表3 設備級節(jié)電功能的比較

目前，5G 所有設備級節(jié)電功能均需要License 支持，需單獨購買，小區(qū)關斷和拉閘下電均不需要廠家License支持。

以下分別介紹目前幾種主要實施節(jié)能技術。

3.1 符號關斷

5G RRU/AAU 中的射頻器件能耗最多，如功率放大器即使在沒有信號輸出的情況下，同樣會產生大量的靜態(tài)能耗。為降低系統(tǒng)的總能耗，且保持信令數據傳輸的完整性，引入符號關斷功能可有效降低基站能耗。具體如圖3所示。

圖3 符號關斷原理

在符號關斷功能開啟后，當基站側檢測到符號無數據業(yè)務承載時，會即時關閉RRU/AAU 射頻模塊，從而降低系統(tǒng)能耗。而當基站側檢測到符號有數據業(yè)務承載時，則會即時打開RRU/AAU 射頻器件，以保證數據傳送完整性。符號關斷可應用于多數應用場景，對場景無特殊要求，建議全網開啟。符號關斷功能開啟需要設置符號關斷開關參數，該參數可以控制符號關斷功能開啟或關閉，建議打開該開關。如果同一射頻單元（通常包括AAU、RRU和pRRU）下綁定了多個NR小區(qū)，則所有NR小區(qū)均需打開該開關。

3.2 定時載波關斷

定時載波關斷，顧名思義是在指定時間段開啟的一種節(jié)能功能特性。在一些固定時段基站會處于輕載或空載狀態(tài)，但設備依然處于運行狀態(tài)，基站仍在持續(xù)耗電。定時載波關斷功能可實現(xiàn)在設置的時間段內讓射頻模塊處于載波關斷狀態(tài)，達到閉塞載波節(jié)能的目的，如圖4所示。

圖4 定時載波關斷原理

開啟了定時載波關斷功能的小區(qū)將無法繼續(xù)為已駐留用戶提供正常業(yè)務，也無法為覆蓋范圍內新用戶提供接入服務。因此，定時載波關斷功能更適用于多層網覆蓋場景下針對容量層小區(qū)開啟以達到節(jié)能的目的。當前5G主要為單層網覆蓋，建議優(yōu)先考慮在輕載或空載場景，或不需要提供業(yè)務的場景中開啟該功能，如夜間的地鐵、會展中心、場館等。定時載波關斷功能開啟關鍵參數主要包括節(jié)能開關、節(jié)能策略索引、啟動時刻、結束時刻和節(jié)能類型等。節(jié)能開關參數控制定時載波關斷功能開啟或關閉，節(jié)能策略索引唯一確定某時間段的節(jié)能策略映射的功能特性，在啟動時刻和結束時刻共同設定載波關斷功能的生效時間段，節(jié)能類型表示節(jié)能的策略類型，一般建議配置TIMING_CARRIER_SHUTDOWN。

3.3 射頻通道智能休眠

射頻通道智能休眠功能是一種通道級的節(jié)能特性機制。在某些時間段內基站可能處于輕載或空載狀態(tài)，但是射頻模塊的發(fā)射通道仍處于工作狀態(tài)，基站仍在持續(xù)消耗大量電能。射頻通道智能休眠特性可在設定的時間段內，根據小區(qū)所承載的業(yè)務量自動調整通道的收發(fā)功能狀態(tài)，即自動休眠該小區(qū)的部分發(fā)射通道，從而達到節(jié)能的目的，如圖5所示。

圖5 射頻通道智能休眠原理

當射頻通道智能休眠功能生效后，還會自動調整小區(qū)的公共信道發(fā)射功率，目的是盡量保證基站的覆蓋和業(yè)務不受影響。但由于射頻通道智能休眠生效后會導致小區(qū)的部分發(fā)射通道轉為休眠狀態(tài)，這對小區(qū)覆蓋會造成一定影響，用戶的峰值速率也可能隨之會下降，因此建議在站點較為密集的區(qū)域且存在輕載或空載情形的小區(qū)開啟該項功能。

開啟射頻通道智能休眠功能需要在網管上打開節(jié)能開關（Power Saving Switch）的子開關射頻通道功能開關（RF_SHUTDOWN_SW），再通過設置射頻通道智能休眠的開始時間和結束時間來明確生效時間段，時間粒度為天級，即影響每天同時段節(jié)能特性。如果同一小區(qū)需要在多個時段開啟該項休眠功能，則可通過節(jié)能策略索引和節(jié)能類型參數進行唯一確定。

當小區(qū)下行PRB 利用率小于或等于射頻通道智能休眠功能的下行PRB 利用率啟動門限（DlPrbThld）且當前時間進入射頻通道智能休眠功能生效的窗口期，小區(qū)就會自動進入射頻通道智能休眠模式。而處于射頻通道智能休眠狀態(tài)的小區(qū)，若當前時間已超出了設定的生效時間窗，或小區(qū)下行PRB 利用率大于下行PRB利用率門限與下行PRB利用率偏置門限之和，小區(qū)將自動退出射頻通道智能休眠模式。其中，下行PRB利用率偏置門限用于防止射頻通道智能休眠功能出現(xiàn)乒乓切換。

在功能開啟時間窗的設置方面建議選擇話務閑時（如凌晨1∶00—6∶00），并根據小區(qū)及周邊鄰區(qū)的用戶數、業(yè)務量和PRB利用率等指標，按需設置開啟時間、結束時間和下行PRB門限等參數。

3.4 5G小區(qū)關斷

5G小區(qū)關斷功能通過指令下發(fā)方式實現(xiàn)，利用小區(qū)話務閑時休眠達到節(jié)能目的。當5G 小區(qū)內用戶較少時，5G小區(qū)基于一定業(yè)務量判斷原則啟動小區(qū)關斷功能特性操作，該操作并不會區(qū)分容量層和覆蓋層。功能啟動的業(yè)務量判斷條件為基于連續(xù)一周每日凌晨1∶00—6∶00小時級小區(qū)總流量小于100 MB（低零流量小區(qū)判斷門限，參考各省不同運營商自身規(guī)則）或小區(qū)內最大用戶數小于5 個。5G 小區(qū)關斷功能有兩種方式：一種是關斷小區(qū)操作，即在網管上去激活小區(qū)；另一種是開啟小區(qū)節(jié)能開關里的5G小區(qū)關斷功能。

3.5 5G拉閘下電

根據不同覆蓋場景小區(qū)的負荷特征和變化規(guī)律，針對一定連續(xù)時間段內滿足業(yè)務量低且RRU/AAU 射頻單元功耗較高的小區(qū)，通過串聯(lián)安裝智能電表方式來遠程控制RRU/AAU直接下電，可達到立竿見影的節(jié)能效果。根據這一特征，可主要應用于某些具有周期性規(guī)律的場景，如寒暑假期間的高校、無活動安排期間的場館、淡季期間游客量極少或封閉的景區(qū)。

5G 拉閘下電建議選擇連續(xù)一周出現(xiàn)規(guī)律性的零流量時段且每日零流量時段大于3 個的RRU/AAU。需要特別注意的是需清楚5G RRU/AAU是否反向開通LTE，反向開通LTE 的5G 站點需同時評估共模的LTE站點負荷情況。

但智能電表在應用中也存在一些局限性，例如：一般配置的上電和下電時間段比較固定，對網絡突發(fā)的業(yè)務恢復或業(yè)務量劇增情況無法及時恢復正常狀態(tài)，有一定滯后性。此外，智能電表自身也會存在一定的故障率，無法及時或按時上電恢復情況時有發(fā)生，需要例行監(jiān)控拉閘下電小區(qū)的運行狀態(tài)。再者RRU/AAU設備的頻繁上電或下電過程，會嚴重影響設備的硬件性能，長期將縮減設備工作壽命。

3.6 5G能耗監(jiān)控

5G基站能耗監(jiān)控統(tǒng)計機制一般采用累加法機制，如某設備廠商網管性能模塊上就定義了“基站各單板測量累加的基站制式能耗_ VS.EnergyCons.BTS.Adding.NR”的指標項，該指標統(tǒng)計通過累加5G 基站所有模塊消耗的能耗得到該制式消耗的基站能耗值。在5G單模基站中，該指標值統(tǒng)計的就是整站能耗；在4G和5G多?；局?，該指標統(tǒng)計的是整站能耗中的一部分，多模基站能耗統(tǒng)計以整站為觀察點[6]。

4 結語

5G 網絡是基于當前及面向未來通信變革和全球研發(fā)的熱點，在今后的發(fā)展中，應注意頻譜重耕、5G“宏—桿—室”三層立體組網方案的規(guī)劃與設計，從日常維護中，從網絡測試、方案制訂、工程實踐、節(jié)能減排等方面不斷加強實踐應用與研究。總體來說，5G基站節(jié)能可以通過符號關斷、載波關斷、射頻通道智能關斷、小區(qū)關斷等多種軟件節(jié)能技術手段實現(xiàn)，充分降低AAU/RRU的閑時功耗，但目前軟件節(jié)能技術在實際應用中可能會對網絡覆蓋和容量造成一定影響。因此，在方案實施過程中應該仔細評估，并對相關規(guī)則不斷進行修正完善。此外，還需協(xié)同設備廠家對軟件節(jié)能特性做進一步的優(yōu)化與增強，通過智能調度、網間協(xié)作等方式保障用戶的業(yè)務性能，相信未來還將產生更多、更高效的節(jié)能措施和手段。