5G基站技術(shù)節(jié)能策略分析與研究

周普成，蔡文科

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，移動網(wǎng)覆蓋范圍不斷擴大，容量持續(xù)增加，基站設(shè)備數(shù)量越來越多，消耗的電能也越來越多。電信運營商5G網(wǎng)絡(luò)已開始規(guī)模商用部署，熱點、終端以及業(yè)務(wù)的快速增長將會導(dǎo)致更高的能耗，移動網(wǎng)電費成本將會進一步提升。

傳統(tǒng)基站節(jié)能主要采用現(xiàn)場關(guān)電、時控開關(guān)以及小區(qū)閉塞等手段，但這些手段比較粗放，無法兼顧用戶感知。進入5G時代，由于5G基站采用了64T64R大規(guī)模陣列天線，支持更大的帶寬等因素導(dǎo)致其能耗較4G基站更高，其次5G頻段高，單站覆蓋范圍小，要達到4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果，5G基站部署規(guī)模將是4G基站的2～3倍。設(shè)備功耗更大，站點數(shù)量更多，電量消耗必將更大，5G功耗過高已成為目前網(wǎng)絡(luò)運營的痛點，研究5G基站技術(shù)節(jié)能勢在必行。

1 基站節(jié)能基本原理

基站節(jié)能根據(jù)實現(xiàn)原理可分為符號關(guān)斷、載波關(guān)斷、通道關(guān)斷以及深度休眠技術(shù)，不同節(jié)能技術(shù)節(jié)能原理如下。

1.1 符號關(guān)斷原理

5G NR低頻系統(tǒng)中，一個無線幀10 ms，每個無線幀由10個無線子幀構(gòu)成，每個無線子幀1 ms，每個無線子幀由2個時隙構(gòu)成，每個時隙0.5 ms。每個時隙在Normal CP情況下由14個符號構(gòu)成。NR系統(tǒng)在實際通信過程中，基站不是任何時候都處于最大流量的狀態(tài)，所以對于子幀中的符號，不是任何時刻都填滿了有效信息。基站在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的符號周期時刻關(guān)閉PA電源開關(guān)，在有數(shù)據(jù)發(fā)送的符號周期時刻打開PA電源開關(guān)，可以在保證業(yè)務(wù)不受影響的情況下降低系統(tǒng)功耗，這種節(jié)能方式稱之為符號關(guān)斷節(jié)能，另外由于符號關(guān)斷節(jié)能利用了DTX技術(shù)，這種節(jié)能方式也被稱為DTX節(jié)能。

1.2 載波關(guān)斷原理

在5G NR多制式多層覆蓋的場景下，容量層小區(qū)提供熱點覆蓋，基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)提供連續(xù)覆蓋。當容量層小區(qū)負荷較低時，將UE遷移至基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)和關(guān)斷容量層小區(qū)以達到節(jié)能的效果，當基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)負荷升高時，喚醒容量層小區(qū)。這種根據(jù)容量層小區(qū)和基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)負荷變化觸發(fā)的節(jié)能方式稱之為載波關(guān)斷節(jié)能，其原理如圖1所示。

圖1 載波關(guān)斷節(jié)能原理

載波關(guān)斷節(jié)能按覆蓋關(guān)系可以分為NR小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景和LTE小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景兩種。

1.2.1 NR小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景

NR小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景如圖2所示。圖中，NR Cell A為容量層小區(qū)，NR Cell B為基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)，當Cell A負荷較低時，將UE遷移至Cell B，關(guān)斷Cell A，Cell A節(jié)能，當Cell B負荷升高時，喚醒Cell A。

圖2 NR小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景

1.2.2 LTE小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景

LTE小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景如圖3所示。圖中，NR Cell B為容量層小區(qū)，LTE Cell C為基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)，當Cell B負荷較低時，將UE遷移至Cell C、關(guān)斷Cell B，Cell B節(jié)能，當Cell C負荷升高時，喚醒Cell B。

圖3 LTE小區(qū)覆蓋NR小區(qū)場景

1.3 深度休眠原理

為了達到極致的節(jié)能效果，考慮在話務(wù)閑時，關(guān)閉盡量多的AAU硬件以降低能耗。配置基站深度休眠的定時策略，當休眠時間點到達時指示AAU進入深度休眠，節(jié)能時間結(jié)束時退出基站休眠模式。無用戶期間，AAU只保留基本的eCPRI鏈路，其他所有器件全部進入節(jié)能狀態(tài)，實現(xiàn)最大程度節(jié)能。

1.4 通道關(guān)斷原理

NR系統(tǒng)中，當小區(qū)負荷較低時，根據(jù)小區(qū)的負荷水平，采取不同顆粒度關(guān)閉發(fā)射通道，接收通道也可同時關(guān)閉，實現(xiàn)節(jié)能。通道關(guān)斷后，可對廣播和數(shù)據(jù)信道做功率補償，以保障網(wǎng)絡(luò)的覆蓋及性能。通道關(guān)斷節(jié)能原理如圖4所示。

圖4 通道關(guān)斷節(jié)能原理

記NR低頻小區(qū)天線數(shù)為AnrNum，當滿足設(shè)定的通道關(guān)斷條件時，可關(guān)閉ChoffNum個通道，對應(yīng)的關(guān)閉通道數(shù)量占總天線數(shù)量的比例為ChoffProp。小區(qū)的上行和下行通道關(guān)斷是獨立配置的，由通道關(guān)斷模式來控制，支持只關(guān)閉下行發(fā)射通道和上下行通道同時關(guān)閉兩種關(guān)斷模式。針對AnrNum=64的機型，通道關(guān)斷的粒度設(shè)置為16，即支持關(guān)閉16、32以及48個發(fā)射或接收通道。對于AnrNum=64的NR小區(qū)，目前系統(tǒng)中硬件和天線的映射關(guān)系如下。

（1）TRX SOC與天線映射關(guān)系，4個天線映射到1個芯片，如圖5所示。

圖5 TRX SOC與天線映射關(guān)系

（2）中頻FPGA與天線映射關(guān)系，8個天線映射到1個中頻FPGA，如圖6所示。

圖6 中頻FPGA與天線映射關(guān)系

（3）PA模塊與天線映射關(guān)系，每個天線映射到1個PA模塊，如圖7所示。

圖7 PA模塊與天線映射關(guān)系

關(guān)閉通道的選擇需要結(jié)合硬件與天線的映射情況來選擇，相同硬件資源的通道關(guān)閉才能達成節(jié)能的效果。

2 節(jié)能策略和試點區(qū)域選擇

2020年，某市電信運營商的5G網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)密集城區(qū)和普通城區(qū)的室外連續(xù)覆蓋，5G選用的主設(shè)備廠家為中興通訊。綜合考慮當前已建成的5G站點分布、廠家技術(shù)實現(xiàn)能力以及5G業(yè)務(wù)時段性規(guī)律，在2020年6月至7月之間就該市浦北、浦南、開發(fā)3個市轄區(qū)分別開展符號關(guān)斷、深度休眠及符號關(guān)斷配合深度休眠的節(jié)能策略試點。

統(tǒng)計全網(wǎng)5G話務(wù)量指標如圖8所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)0：00-6：00話務(wù)量較低，為低業(yè)務(wù)時段。

圖8 全網(wǎng)5G小時級話務(wù)統(tǒng)計

剔除目標區(qū)域內(nèi)醫(yī)院、交通樞紐以及重點園區(qū)等5G業(yè)務(wù)重點保障場景關(guān)聯(lián)5G站點，確定本次實施節(jié)能試點小區(qū)數(shù)和策略如表1所示。

表1 本次實施節(jié)能試點區(qū)域、小區(qū)數(shù)及策略

3 節(jié)能效果評估

能耗統(tǒng)計方法中，5G網(wǎng)管可統(tǒng)計平均功率值，根據(jù)時間可計算統(tǒng)計周期消耗電量，該值與實際測量值基本相當，故直接使用該值計算5G基站設(shè)備能耗情況。主要根據(jù)各節(jié)能策略開啟的時間節(jié)點，統(tǒng)計開啟前后的電源平均功率并作對比，并以此計算節(jié)能效果。

3.1 符號關(guān)斷節(jié)能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數(shù)據(jù)，符號關(guān)斷節(jié)能策略全天開啟，對比開啟前后區(qū)域全部節(jié)能實施站點平均功耗下降了17.17%，如圖9所示。

圖9 5G符號關(guān)斷節(jié)能效果統(tǒng)計

3.2 深度休眠節(jié)能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數(shù)據(jù)，深度休眠策略開啟時間段為0：00-6：00，對比策略開啟前后0：00-6：00同時段區(qū)域全部節(jié)能站點平均功耗下降了53.69%，對比0：00-24：00全天區(qū)域全部節(jié)能站點平均功耗下降了12.7%。0：00-6：00同時段節(jié)能對比如圖10所示。

圖10 5G深度休眠同時段節(jié)能效果統(tǒng)計

0：00-24：00，全天節(jié)能對比如圖11所示。

圖11 5G深度休眠全天節(jié)能效果統(tǒng)計

3.3 符號關(guān)斷+深度休眠節(jié)能效果

取7月20日-7月30日期間的試驗數(shù)據(jù)，符號關(guān)斷及深度休眠混合策略，對比開啟前后區(qū)域全部實施節(jié)能站點功耗下降了21.16%，如圖12所示。

圖12 5G符號關(guān)斷+深度休眠混合策略節(jié)能效果統(tǒng)計

4 結(jié) 論

經(jīng)過6月-7月期間多次試驗表明，對比3種節(jié)能策略，符號關(guān)斷生效時段可節(jié)能17.17%，深度休眠生效時段可節(jié)能53.69%，0：00-6：00折算到全天可節(jié)能12.70%，符號關(guān)斷+深度休眠混合策略可節(jié)能21.16%。

在保障5G感知不下降的前提下，為了實現(xiàn)更好的節(jié)能效果，建議全網(wǎng)實施5G符號節(jié)能，在夜間低流量非重點保障站點可差異化疊加時段性深度休眠，為電信運營商大面積推進綠色無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。