5G基站節能方案探析

曾孜旻

（中國電信股份有限公司廣州越秀區分公司，廣東 廣州 510030）

0 引 言

5G發展速度不斷增快，在發展過程中需要消耗大量的能源資源。想要實現對5G基站的節能，運營商就要提高對于該項工作的重視，充分結合現在的節能方案，對5G節能應用的具體措施進行全面的考察，從5G節能基站的現狀出發，對節能區域、層級、時間以及方式進行合理選擇，制定出最佳的節能方案。

1 5G時代基站功耗

5G商業化呈現出迅猛發展的趨勢，越來越多的5G基站被建立。5G網絡使人們能夠更加快速并且及時地獲取信息，但是在此過程中5G對于能量的損耗越來越多，運營商因此面臨著十分巨大的經濟壓力。通過研究調查可知，信息技術行業的發展過程之中，5G網絡耗能量是4G網絡的兩倍多。相比4G基站，5G單個基站的耗能增加了65%。到2021年5月，我國5G基站的總數多達96.1萬個，占據全球的70%以上[1]。與此同時，5G基站的運營電費讓運營商面臨不小的經濟負擔。因此。5G基站節能方案已經成為運營商關注的重點問題。

2 現有的5G節能方案

目前5G節能技術方案可以按照設備級、站點級以及網絡級進行劃分。設備級節能技術方案主要從基站應用的設備、硬件、芯片材料以及新型能源等角度進行節能；站點級節能方案主要從基站的特性功能（如功率、射頻等）方面進行節能；網絡級節能方案主要是借助多個網絡來實現共同節能。

2.1 5G設備級節能技術

設備級節能技術是對整個通信系統供電鏈中芯片、器件材料進行優化升級，采取更加科學的手段實現有效節能。設備級節能技術應用后，可保證節能效果更優。單位面積下晶管密度與芯片的核心數以及頻率存在正相關關系，隨以上指標增加，基站的性能也更優。由于氮化鎵的寬禁帶較高，并且其電子遷移率較大、電子速度也比較快，因此這種新一代的半導體材料也被應用到5G設備中。這種材料在大功率、高效率的微波功率放大器中，能夠得到有效的利用[2]。而且液冷散熱時，其液態冷卻介質的比熱容較大，可以迅速帶走設備的熱量，實現快速降溫的目的。

2.2 5G站點級節能技術

站點級節能方案的推行要在不影響網絡質量與用戶體驗的情況下，合理控制基站射頻，例如關斷符號、通道、小區以及AAU深度休眠，以此實現對5G基站的合理控制，實現減排的目的。其中，符號關斷就是基站對目前仍在使用5G網絡的用戶進行觀察，并對其用網情況進行合理評測，短暫控制未能實現信息傳輸的符號，對功率放大器等射頻硬件進行合理關閉，減少5G基站的靜態耗能。通道關閉是指小區呈現出低負荷狀態時，基站工作人員將AAU使用通道數目從原來的68調控成48或16，借助這種方式進行節能[3]。深度休眠是指在小區用戶不使用5G網絡時，將AAU中的數字中頻、功放等所有可以關閉的器件予以關閉，只將具有喚醒職能的數字電路接口保留下來，以此減少5G基站的耗能。2021年，包括中興和華為在內的設備商開展了多項5G節能試點測試驗證，節能效果提升明顯。2021年7月，遼寧聯通同中興通訊在大連成功試點5G節能技術，其中具體驗證的技術包括DTX關斷(時隙關斷、符號關斷)、通道關斷、深度休眠3大技術，同時根據不同網絡場景測試了多項節能組合策略。測試結果顯示，D關斷節能技術可實現降耗10%至20%，通道關斷技術可實現降耗15%至25%，深度休眠使能期間可實現平均降耗60%至80%。華為則聯合上海移動驗證采用了其節能方案(PowerStar)后的5G單模與4G/5G雙模站點節能效果，現網實測5G單模站點日均節能比例24.83%，4G/5G雙模站點日均節能比例12.26%。通道關閉時節能信息見表1，時隙關斷時節能信息見表2。

表1 通道關閉

表2 時隙關斷

2.3 5G網絡級節能技術

5G網絡級節能技術融合了多項網絡，并且對其進行合理的控制。按照網絡無線環境的區別，在網管側進行數據采集、數據處理等方式，并且對小區關斷以及喚醒的狀態進行科學合理的調控。在網絡節能協作系統中，主要包括數據采集、策略制定以及命令執行3個模塊[4]。其中，數據采集模塊主要是對網絡基礎數據進行采集并清洗存儲；策略模塊的主要作用是對數據系統進行分析和統計，按照具體的算法對小區的節能場景和節能時間進行識別，幫助工作人員制定合理的節能方案；命令執行模塊則是發送具體指令以及執行休眠或喚醒命令。

3 5G基站節能現狀

目前5G網絡建設已經收獲了十分良好的效果，利用新材料、新散熱工具、新工藝制程開展設備級節能面臨著許多的困難，不僅新材料的工藝不夠成熟，而且散熱和封裝工作也面臨著嚴峻的考驗，運營商頻繁更換基站設備的欲望也比較低，因此在5G基站節能中應用設備級節能方案是不現實的，其只能被應用在網絡增補或新的網絡中。現階段，我國站點級5G基站的節能技術發揮了重要的作用，實現了對能源的高效利用。站點級節能技術已經實現了對基站側的控制參與，并且可以智能化地在節能狀態與一般狀態中轉換，降低用戶不良體驗感。在設備級節能技術與站點節能技術都無法真正意義上實現對5G基站節能的背景下，運營商將網絡級節能技術作為節能工作的中心[5]。在信息技術快速發展的背景下，人工智能技術也在不斷發展，網絡級節能技術可結合人工智能節能平臺進行多制式、多頻段協作的動態節能。

4 5G基站智能節能解決方法

4.1 智能節能思路

近年來，人們更加注重智能節能。結合人工智能技術進行網絡級多網協作節能，需要對小區中需要節能的地方進行合理評測，同時還要對能夠節能的層級網絡進行評測。除此之外，節能的時間段以及具體的節能方式也要被充分的考慮在其中。

4.2 節能區域識別

一般來說，潮汐效應會對節能區域識別產生重要的影響。當基站附近的場景變化時，就可以對其所處的場景進行智能化判斷。借助網絡爬蟲，能夠了解POI物業點的邊界緯度、高度、面積以及場景分類等，并且與網絡MDT采樣點數據進行有機結合，這樣就可以充分掌握小區中POI物業點覆蓋的數量，還可以充分了解其中采樣點的占比情況，然后借助POI物業點的分類信息以及小區在每個采樣點的占比情況進行分析，了解小區覆蓋場景情況[6]。具體操作方式如圖1所示。

圖1 節能區域識別流程

4.3 節能層級劃分

以電信運營商為例，隨著多年的不斷發展，電信運營商已經獲得了許多可以補充容量的頻段。4G網絡FDD的頻段為1.8G的上行1765～1785MHz、下行1860～1880 MHz以 及 2.1G 的 上 行 1920～1940 MHz、下行2110～2130 MHz；5G網絡TDD 的頻段為3400～3500 MHz[7-10]。對于高階制式來說，可以用作容量層。小區業務負荷不高時，制定小區關閉的順序，先將容量層關閉，然后再將基礎覆蓋層關閉。服務小區的關閉順序如圖2所示。

圖2 服務小區的關閉順序

4.4 節能時間識別

自回歸模型也被稱之為AR模型，具有比較常見并且應用廣泛的特點，是一種平穩時間序列模式，可以實現對時間序列的統計和處理。自回歸模型主要是根據一些隨機變量的線性組合，對隨機變量的線性回歸模型進行預測。也就是說，已知有N個數據，就能夠利用模型對第N點后面的數據進行推算。但是自回歸模型是通過N點逐漸推算，差值則是根據幾個點或兩點實現對多點的推算。由此可見，自回歸模型的時間識別方法要比插值方式取得的效果更好。使用AR模型對小區業務負荷情況進行預測，可以有效得出小區的節能時間。

4.5 節能方式選擇

由于小區的負荷狀態存在一定的差異，因此小區的節能方式也存在著不同之處。針對沒有用戶使用5G網絡的情況，可以進入深度休眠之中；極低負荷的情況下，可以利用小區關斷的方式進行節能；輕度負荷狀態下，使用通道關斷的方式進行節能；中度負荷下，則利用符號關斷進行節能。在此背景下，運營商可以利用數量較少的站點級節能特性，采取智能調控的方式實現節能工作，然后精準識別小區的場景并且進行層級劃分與節能時間識別，利用智能開關模型和場景策略模型獲得最優的節能方案，并在5G基站中科學使用。

5 結 論

綜上所述，本文對傳統基站節能技術進行深入分析，指出目前運營商實施的節能策略及措施中存在的問題，具體闡述5G基站智能節能的具體方案。結合POI物業點與MDT數據，對節能小區的場景進行識別，合理劃分目標網絡的層級，并運用回歸算法對節能時間進行預測，借助智能化技術完成對5G基站節能的控制及智能化調控。