5G基站節能意義及方案研究

聶鴻飛，劉曉純，程 博

（中國聯合網絡通信有限公司 廣州市分公司，廣東 廣州 510335）

1 5G基站節能的意義

數據顯示，5G基站的單站功耗是4G單站的2.5～3.5倍，高功耗是運營商大規模部署5G的棘手問題［1］。從網絡規模上講，由于5G頻率高且損耗大，因此未來5G站點規模也將遠大于4G，總耗電量也遠超4G［2］。根據三家運營商公布的數據，2018年三家運營商基站用電支出約2.4×1010元，按照同樣的覆蓋部署，5G網絡的能耗將達到2.43×1011kW·h，用電支出將達到2.16×1011元。若5G基站能耗降低10%，那么每年可以減少耗電2.43×1010kW·h，相當于節省9.7×107t標準煤，減少碳排放2.4×108t，同時運營商可以節省支出2.16×1010元，節省的費用可建設40 000座5G基站［3］。5G基站節能不僅可以節省能源消耗，減少碳排放量，還可以促進5G網絡建設，提高運營商的收益，對運營商乃至整個社會的發展都具有重要意義。

2 5G基站節能的方案

5G基站建設涉及站點（基站、機房）的選址、基站設備和配套設備的部署、基站供電方式、設備維護以及優化等多個方面，每個方面都可能影響到基站的用電成本，因此5G節能不能只從基站設備優化方面考慮，而需要從網絡規劃、網絡建設、網絡維護以及優化等多方面分析討論。

2.1 共建共享

鑒于5G建設的巨大投入和運營支出，共建共享是運營商降低成本、加快推進5G網絡建設、實現5G網絡深度覆蓋以及提升網絡效益的重要舉措。以廣州市為例，自2019年以來，廣州聯通和廣州電信積極推動落實合作協議，實現了5G建設規模突破，取得了顯著成效，雙方累計建設了5G基站約7 700座，其中聯通建設約3 700座，電信建設約4 000座，累計節約投資約1.0×109元。在電費方面，按照共享一個5G站點平均節省電費40 000元/年計算，一年可以節省電費3.08×108元。截至到2020年10月底，中國聯通和中國電信已在全國共建5G基站3.8×105座，CAPEX節省約40%，OPEX每年省約35%，符合“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展新理念［4］。

2.2 直供電改造

5G產業作為新基建之首，是推動各行各業數字化和智能化發展的關鍵基礎設施。目前各運營商新建5G站點大部分都要求直供電，但現有的存量站點大部分是轉供電，實際的用電成本比較高。經統計廣州市某區域內342個基站，平均用電單價為1.02元/（kW·h），部分站點超過1.2元/（kW·h），遠超商業直供用電0.7元/（kW·h）標準，平均每度電成本還可以下降0.32元，另外存量站點中完成直供電改造的還不到30%，因此直供電改造的潛力還非常大。經測算若將基站電價降低到0.8元/（kW·h）（考慮到線損），單站每年可以節省電費8 800元。目前廣州市已建成5G基站約36 000座，按此計算每年可節省3×108元以上。由于直供電改造投資少且見效快，不僅可以降低5G基站用電成本，還可以降低存量3/4G基站的用電成本，因此推動直供電改造將是運營商降本增效最直接最有效的途徑之一。

2.3 BBU集中放置

5G無線網絡采用BBU集中和AAU拉遠的建設模式。BBU集中部署有利于節省資源，降低建設成本和運營成本［5］。在規劃方面，優先將BBU集中放置到現有局房（匯聚機房、綜合接入點），充分利用原有機房配套設備資源，不僅可以減少網絡節點站數量，還可以減少傳輸、電源以及空調等硬件設備的數量，實現節省投資和能耗的目的。新建BBU機房時，要結合區域業務量、管道資源以及下掛AAU情況進行分析，既要考慮無線基站業務又要考慮綜合業務的需求，實現配套資源的共享。經統計廣州某區域34個機房，BBU集中放置在現有機房可以節省投資1.2×107元，每年可節約用電支出3.4×105元。合理規劃BBU集中放置點，充分利用現有機房內的電源和空調等資源，不僅可以大大節省機房和配套設施，降低建設周期，還可以加快推動5G部署，降低5G運營成本。

2.4 基站設備節能

從5G設備架構角度劃分，當前5G無線接入基站NR功能模塊分為基帶處理單元和射頻處理單元［6］。室外站點組網采用BBU-AAU架構中，基帶處理單元映射為單獨的一個物理設備BBU，射頻處理單元AAU集成了射頻單元與天線單元，與BBU采用eCPRI接口，內部還包含部分物理層底層處理功能。BBU主要作用是負責基帶數字信號處理，AAU的主要作用是將基帶數字信號轉換成模擬信號，然后調制成高頻射頻信號，再通過功放單元放大功率由天線發射出去。測試表明，BBU的功率比較穩定不受業務負荷增大的影響，而AAU功耗則隨著負荷的增加大幅增加。5G主設備不同業務負荷下功耗統計如表1所示。

表1 5G主設備不同業務負荷下功耗統計

測試數據表明，在中低負荷情況下，5G BBU能耗約占20%、AAU能耗約占80%，其中AAU設備能耗一般由功放（占50%）、收發信機、射頻前模塊、數模轉換以及其他熱耗組成，射頻模塊中的功放PA占了能耗的主要部分，因此當前5G室外站點設備節能特性都是圍繞如何關斷PA來設計。從理論上講，5G基站設備射頻單元AAU的節能，可以通過調整AAU設備參數或使用時間，在業務空閑時段關閉站點內的部分器件來實現。目前主要的節能技術方案包括符號關斷、射頻通道智能關斷、載波關斷、LNR智能載波關斷以及AAU深度休眠等。

2.4.1 符號關斷

符號關斷旨在網絡低負荷時不連續發射信號，以降低功放模塊消耗的功率。當基站檢測到下行符號沒有承載數據時，基站會實時關閉射頻模塊的PA，當基站檢測到下行符號有承載數據時，基站會實時打開射頻模塊的PA［7］。

2.4.2 射頻通道智能關斷

在網絡業務比較低時，能夠通過關閉冗余通道降低能耗，可以用于話務潮汐效應較明顯的區域，如學校、寫字樓以及商場等。

2.4.3 載波關斷

NR小區可在預設的時間段內關斷載波，將NR小區用戶遷移到共覆蓋的LTE小區，再關斷NR小區，從而達到節約整網能耗的效果，主要用于話務潮汐效應明顯且時間相對固定的場景，如地鐵、機關單位以及體育館等［8］。

2.4.4 LNR智能載波關斷

先根據5G話務情況進行統計分析，然后設置關斷策略（門限和時間）。當5G負載低于特定門限時，關斷5G載波，如果發現LTE負載高于特定門限時，打開5G載波，主要用于業務量相對較低的區域，如郊區和農村。

2.4.5 AAU深度休眠

AAU深度休眠是指當基站業務處于閑時狀態或無5G用戶接入時，AAU設備可以關斷大部分有源設備的供電，從而實現節省能耗的目的［9］。AAU設備進入深度休眠模式之后，并不是直接關閉基站，而是保留了電源模塊和eCPRI接口單元。AAU深度休眠技術使得AAU進入極低功耗休眠模式，最大化節能，適用于5G負荷不高的場景，基本不影響用戶體驗。

廣州聯通聯合華為對上述技術方案分別進行了測試，通過網管和現場測試評估，結果如表2所示。符號關斷全天進行，其他關斷在凌晨2:00-6:00進行，平均節能20%，其中AAU深度休眠效果最好，達到45.76%，射頻通道智能關斷效果較差，可節省7.83%。

表2 5G基站設備節能方案效果評估

由于目前5G基站總體的負荷比較低，AAU功耗在不同場景下的功耗相差不大，因此在不同場景下應用上述節能方案省電效果差異不大，其中AAU深度休眠在各場景中效果最好。

5G設備節能方案還可以組合使用，根據不同的場景和話務模型，利用大數據技術輔助，選擇合適的綜合節能方式，可以達到最優的節能效果［9］。AI智能節能技術根據節能場景識別模型，基站可以依據業務使用量的潮汐情況，針對場景特點采取深度休眠甚至基站關閉的節能策略［10］。由于符號關斷基本不影響業務，因此對其他方案（站點數和RRU數量與表2一致）疊加了符號關斷，經現場測試結果如表3所示。同樣符號關斷全天進行，其他關斷在凌晨2:00-6:00進行，5G基站綜合節能效果平均超過17%，符號關斷+AAU深度休眠節能效果最好，可以節省21.30%。

表3 5G基站綜合節能效果評估

從節能前后業務情況分析來看，符號關斷對業務基本無影響，通道關斷對業務影響不大，載波關斷和深度休眠生效后，對應的小區將停止服務，業務方面會受到影響，因此建議符號關斷可全天開啟，其他特性根據現場業務情況選擇開通。

3 結 論

5G共建共享既可以節省投資又可以節省能源，是一舉雙得的重要舉措。直供電改造是加快降低存量站點用電成本最直接、最有效的方案。BBU集中放置有利于節約機房建設成本，提高能源利用效率，但過度集中又可能給網絡安全帶來隱患，因此需要合理規劃。在基站設備節能方面，符號關斷、射頻通道智能關斷、載波關斷、LNR智能載波關斷以及AAU深度休眠技術各有特點，其中AAU深度休眠在各場景中效果最好，可以結合大數據和AI智能節能技術一并使用。