5G基站節能方案

祝海云，沈佳成，居新星

（中國電信股份有限公司 金華分公司，浙江 金華 315000）

0 引 言

網絡規模越建越大，運營商能耗持續增長，以中國工信部發布的數據為例，2015年相比2011年運營商能耗增長近40%，而2020年相比2015年，能耗增長將達到60%左右。隨著5G的建設以及5G有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）的大規模商用，相比于3G、4G主用的遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU），由于AAU的功耗較大，其能耗也將成倍的增長。5G定義了增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規模物聯網（massive Machine Type of Communication，mMTC）、超可靠低延遲通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）3大業務類型，使得5G小包突發性的業務不斷增多，基站24 h不間斷地工作，5G站點的日均能耗也將是4G的兩倍多[1]。

3GPP在5G時代引入了大規模天線（Massive MIMO）和更大射頻帶寬等關鍵技術，5G支持更高的數據速率、更大的數據流量，因此需要更多的傳輸帶寬，高頻段的部署將是5G未來擴展的主要頻段[2]。而高頻段傳輸特性限制了站點的覆蓋范圍，從而使5G站點部署較為密集，而且增加站點所帶來的能耗將會給運營商帶來巨大的運營成本壓力[3]。

1 如何節能

5G基站主要由基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、AAU、饋線、散熱系統等組成。BBU和AAU是5G基站的主要部分，AAU就是RRU+天線的組合。BBU由電源板、風扇、基帶板以及主控板組成[4]。AAU主要由數模轉換（Digital to Analog Conversion，DAC）、 射頻單元（Radio Frequency，RF）、功率放大器（Power Amplifier，PA）以及天線等部分組成，主要負責將基帶數字信號轉為模擬信號，再調制成高頻射頻信號，然后通過PA放大至足夠功率后，由天線發射出去。

在整個基站系統中，負責處理信號編解碼的BBU的功耗相對較小，而RRU/AAU和散熱系統是功耗的主要來源。從射頻模塊的能耗分布來看，大部分能耗集中在PA上，占比約80%，同時也有20%的其他能耗。傳統符號關斷、載波關斷以及通道關斷就主要是針對PA做的節能方案，本文主要介紹在傳統節能的基礎上采用節能調度+深度符號新技術來降低基站的能耗。

2 基站節能方案

2.1 現網基站節能方案

現網基站節能技術主要根據網絡負荷情況，將暫時空閑的射頻資源進行關閉，從而進行基站節能[5]。根據用戶業務是否受影響可以分為符號關斷、射頻通道智能關斷以及射頻深度休眠。

2.1.1 符號關斷

符號是時頻域資源的一個概念，其在時域上占有一定長度，頻域上占據整個載波的帶寬。14個符號組合為1個時隙，時隙構成子幀，10個子幀構成1個無線幀，從而形成基帶信號，再經過調制可形成射頻信號。符號可以用來承載數據、傳輸信息，其在時域上處于連續不斷的傳送狀態，當符號沒有承載數據時，如果基站繼續發送無數據的符號，就會產生無效能耗。而射頻模塊的PA用于放大射頻信號的功率，以增大射頻信號的覆蓋范圍。符號關斷示意如圖1所示，當符號沒有承載數據時，可通過符號關斷功能實時快速關閉PA，以減少能耗；當符號有承載數據時，可通過符號關斷功能實時快速打開PA，以保證數據傳送的完整性[6]。

圖1 符號關斷示意

2.1.2 射頻通道智能關斷

基站在某些時間段處于輕載或空載，但射頻模塊的發射通道仍處于工作狀態，造成了基站能耗的浪費。如圖2所示，射頻通道智能關斷可在設定的時間段內，當小區處于輕載或空載時，基站自動關斷本小區的部分發射通道，從而達到節能的目的[7]。同時基站會自動調整小區公共信道的發射功率，以盡量保證基站的覆蓋和業務不受影響。由于陣列增益和功率增益損失，信道質量指示（Channel Quality Indication，CQI）會下降，若秩不變，則調制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）會下降；若秩下降，則MCS可能會抬升，也可能會下降，導致下行頻譜效率降低，傳輸相同數據量所需的下行資源塊（Resource Block，RB）會增加，所以下行利用率會抬升。

圖2 射頻通道智能關斷示意

2.1.3 射頻深度休眠

射頻模塊是基站必不可少的一部分，其主要完成射頻信號的接收和發送、基帶信號的調制解調、數據處理、功率放大等。當射頻模塊下存在用戶時，保持工作可以為用戶提供網絡服務；但若射頻模塊下不存在用戶時，繼續保持工作就會產生無效能耗。射頻深度休眠示意如圖3所示，固定時段無業務場景時，基站可使射頻模塊處于休眠狀態，當到達配置的休眠時間時，基站會先禁止新用戶接入，切換在線用戶。若射頻模塊上小區切換在線用戶后仍有用戶在線，基站會在等待時長超時后強制休眠小區，射頻模塊進入深度休眠。射頻模塊深度休眠與射頻模塊側其他節能功能（如符號關斷、通道關斷等）同時開啟時，會優先進入射頻模塊深度休眠節能功能。射頻模塊進入深度休眠后不再發射信號，會導致覆蓋區域內無線信號變差，出現用戶體驗（User Experience，UE）掉話、無法接入等現象[8]。

圖3 射頻深度休眠示意

2.2 深度符號+節能調度

2.2.1 深度符號

基站設備中，除PA外，射頻模塊的無線射頻芯片的能耗也較多，在沒有信號輸出時，無線射頻芯片也會產生靜態能耗。為進一步降低基站能耗，同時又能保證數據傳送的完整性，開啟深度符號關斷后，基站能夠實時檢測下行符號周期內是否有承載數據，在沒有承載數據的下行符號周期內關閉無線射頻芯片。深度符號示意如圖4所示。

圖4 深度符號示意

2.2.2 節能調度

在現網中，對于小包業務占比較高的場景，有較多下行子幀只調度了少量RB，而這些子幀由于有數據發送，無法進行符號關斷。對于多載波共射頻通道場景，由于各載波業務分布的隨機性，各載波公共可關斷的空閑子幀較少。調度節能功能通過降低系統消息和尋呼的發送頻度換取更多的無數據發送時間窗，并在該時間窗內進行符號關斷，進一步提升符號關斷的節能效果[9]。

節能調度功能可通過如下4種方式獲取更多無數據發送的符號，并進行符號關斷，從而達到節能的目的。

（1）剩余最小系統信息廣播周期動態調整。當基站檢測到網絡處于輕載或空載時，延長剩余最小系統信息（Remaining Minimum System Information，RMSI）廣播周期，以獲取無數據發送的符號[10]。當基站檢測到網絡處于常規負載時，恢復RMSI廣播周期。RMSI廣播周期動態調整示意如圖5所示。

圖5 RMSI廣播周期動態調整示意

（2）尋呼幀數量動態調整。當基站檢測到網絡處于輕載或空載時，減少尋呼周期（T）內的尋呼幀（Paging Frame，PF）數量，以獲取無數據發送的符號。當基站檢測到網絡處于常規負載時，恢復尋呼周期內的尋呼幀數量。PF數量動態調整示意如圖6所示，在進入節能調度狀態下默認生效。

圖6 PF數量動態調整

（3）符號匯聚。基于物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）數據的大小，對一個時隙內有PDSCH數據的符號按照“擴頻域，壓時域”的原則調度匯聚，即在一個時隙內支持將時域上的部分PDSCH數據調度匯聚到最少7個有PDSCH數據的符號所在的頻域上，以最大限度獲取無數據發送的符號。符號匯聚示意如圖7所示。

圖7 符號匯聚示意

（4）時隙匯聚。以增加一定的調度時延為代價，把PDSCH數據調度匯聚到主信息塊（Master Information Block，MIB）、系統信息塊（System Information Block，SIB）、其他系統信息（Other System Information，OSI）或Paging對應的時隙上發送，使PDSCH數據的調度在時域上更集中，以獲取無數據發送的符號。如圖8所示，時隙匯聚在進入節能調度狀態下默認生效。

圖8 時隙匯聚示意

3 節能效果

3.1 當前節能效果

3.1.1 符號關斷

選取現網64T的30個小區做節能效果試點，其中開啟符號關斷單小區的平均能耗約為11.25 kW·h，未開啟符號關斷的能耗約為12.5 kW·h，節能效果約為10%，如圖9所示。

圖9 開啟符號關斷能耗統計

3.1.2 射頻通道智能關斷

選取26個小區進行RF通道效果評估，其中在射頻通道智能關斷生效時間段內，開啟時間段內單小區節約能耗為0.3 kW·h，現網開啟通道關斷的同時開啟符號關斷，整體大約節能度數為1.5 kW·h，節能效果約為12.1%。試點區域射頻通道智能關斷節能效果如圖10所示。

圖10 開啟射頻通道智能關斷能耗統計

3.1.3 射頻深度休眠

選取26個小區進行AAU深度休眠效果評估，其中在AAU深度休眠生效時間段內，開啟時間段內單小區節約能耗為0.9 kW·h，現網開啟通道關斷的同時開啟符號關斷，整體大約節能度數為1.9 kW·h，節能效果約為15.2%。試點區域AAU深度休眠節能效果如圖11所示。

圖11 開啟射頻深度休眠能耗統計

3.2 節能調度+深度符號的創新方案節能效果

將義烏精品網內已開通符號關斷的296個AAU進行節能新特性下發，將生效時間設置為07：00-23：00點。結合3天的AAU的能耗來看，整體節電度數為311 kW·h，節能效果較開啟符號關斷再提升14.45%，節能效果如圖12所示，生效時間內無線接通率、掉話率、CQI優良率、用戶數以及流量無明顯波動。

圖12 開啟節能調度+深度符號能耗統計

4 結 論

5G站點的能耗一直是運行設計、逐步降低基站設備的基礎功耗。節能調度+深度符號能夠在不影響網絡性能指標的前提下，在已有的符號關斷基礎上再節省14.65%的AAU能耗，大幅度降低運營商的OPEX成本，提升產品的競爭力。