面向“雙碳”的5G網絡節能技術

官磊，丁洋，李銳杰，蘇桐，胡麗潔，王軼，胡南

（1. 華為技術有限公司，廣東 深圳 518129；2. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

從全球范圍來看，碳達峰（peak carbon dioxide emissions）和碳中和（carbon neutrality）（簡稱“雙碳”）已經成為各行各業可持續發展的共同目標。隨著5G部署在全球各區域加速開展，5G正在助力千行百業數字化轉型。通過5G提高生產效率，可間接幫助企業節能減排，實現綠色可持續發展。對于電信行業，ICT基礎設施的綠色節能減排同樣重要。2021年12月，國家發展和改革委員會等部門下達了關于印發《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》的通知。可見，降低網絡能耗一方面有利于環境保護和可持續社會發展、符合“雙碳”目標，另一方面可以降低運營商的網絡運營成本，給運營商帶來直接的經濟收益。

從基站能耗組成來看[1]，無線處理（主要是天線單元）在基站中的能耗占比較大；然后到天線單元內部，功率放大器和傳輸通道是占據較大能耗比例的兩個部分，因此需要尤其關注上述占比較大的部分的能耗降低，以達到節能通信的目標。

5G通過引入大規模多天線技術，與4G相比，數十倍地提升了無線系統的比特能效。同時，5G引入了更多的頻段，單載波下可支持更大的載波帶寬，以達到更高的終端速率；通過靈活可配置的帶寬部分（bandwidth part，BWP）大小，能夠實現根據業務需要降低射頻帶寬的大小，實現網絡和終端雙節能。此外，5G在初始設計時，就考慮無線系統能耗的問題，采用盡可能清潔設計的理念，相較于4G，能夠大幅減少持續發送的公共信號，包括各種參考信號、系統消息等，顯著降低輕載下的系統能耗。從進一步降低系統能耗的角度，例如，天線數的靈活配置、帶寬或者頻段的靈活選擇等，仍存在較大的節能空間。

從運營網絡中的實測數據來看，基站能耗隨著小區負載變化并沒有顯著變化，深夜空載時段的資源占用率（如物理資源塊（physical resource block，PRB））利用率極低（只有系統全部可用資源的5%以下），但是能耗高達滿載情況下的50%以上；類似地，在某些輕載時段（如一些地區的上午），PRB利用率上升，到20%～30%，但是能耗仍然達到滿載的60%以上。因此，可以得出觀察結論：空載和中輕載下，基站功耗并沒有隨著負載線性降低，有較大的改善空間。

除了產品實現考慮降低網絡能耗，在標準化方面，3GPP在5G新空口（new radio，NR）Release18（5G從該版本起被產業界看作5.5G，即5G-Advanced）的立項討論中，網絡節能課題受到眾多數量的運營商和設備商的支持，并且實現研究課題立項[2-26]。聚焦RAN側的網絡節能也是第一次成功在3GPP標準化組織中立項。該標準立項主要包括3個部分：

· 討論和制定網絡能耗模型，該模型需要考慮基本網絡參數配置、功率放大器效率、通道數、業務負載以及休眠狀態等因素；

· 討論和制定評估方法論，在考慮網絡節能的同時，還要保證能夠滿足一定的系統指標，如給定的系統頻譜效率或用戶業務體驗，必要時可以定義與網絡能效直接相關的新指標；

· 基于上述能耗模型以及評估結果，討論并識別得到網絡節能的關鍵技術點，從各個方面（包括時域、空域、頻域和功率域等）使能更動態、更高效、更精準的無線傳輸，并結合用戶反饋和基站間交互信息等方式，尤其需要考慮中輕載下的能效提升。

本文也是重點基于3GPP標準化立項的范圍，介紹與網絡節能相關的內容，包括節能模型、評估方法論以及各個維度的網絡節能關鍵技術等。

1 基站節能模型和評估方法論

1.1 基站節能模型

在討論具體的基站能耗評估以及制定節能關鍵技術之前，需要對基站能耗模型進行建模。

除了需要考慮一些基本系統參數（如系統帶寬、子載波間隔、總發送通道數等）之外，一般來說，基站會存在多檔休眠狀態（sleeping mode state，SM state）。不失一般性，基站休眠模式模型如圖1所示，基站的休眠狀態大致可以分為3種。在休眠態1，基站基礎能耗較高，但可以實現快速激活和休眠，比如可以做到符號級別的關斷休眠和啟動，也即基站的休眠持續時間（duration）通常也較短，因此也可以理解為該狀態基站一直保持在激活態；在休眠態2，基站基礎能耗較休眠態1有所下降，但需要激活和休眠的持續時間也隨之增加，比如百毫秒至秒級休眠；在休眠態3，基站可以進入深度休眠，基礎能耗最低，比如達到分鐘級甚至更長的休眠時間。在不同休眠態之間存在切換過渡期，在該過渡期的時長Mtran,l以及功耗Ptran,l取決于具體的實現情況。考慮上述多檔休眠態的能耗建模如下：進一步地，根據前文所述，將影響基站天線單元的主要能耗因素通道和功放等引入其中來考慮上述激活態下的能耗建模：

圖1 基站休眠模式模型

其中，Pstatic表示靜態電路能耗項，分別為通道和功放的能耗項，β1、β2和β3分別表示通道的激活比例、頻域RB激活比例和功率譜密度，ε為功放效率。可以看到，能耗跟激活通道數成正比，影響功放的因素包括通道激活比例、RB激活比例、功率譜密度以及功放效率。

在上述基站能耗建模的框架基礎上，還可以采用一種考慮不同負載的平均能耗統計方法，也稱為ETSI模型，見表1，將1天24 h分為3個時間段，對應不同的負載情況，然后將各個時段的能耗進行平均得到ETSI能耗模型下的能耗。

表1 ETSI能耗模型

1.2 基站節能評估方法論

第1.1節中定義的基站能耗模型，可以用于評估系統能耗，以及不同技術方案下的能耗對比。但是，在技術方案的評估方法中除了要考慮降低能耗為目標，還需要在考慮降低能耗的同時，兼顧系統性能。系統性能可以包括系統吞吐量、頻譜效率、用戶感知吞吐量（user perceived throughput，UPT）、小區接入性能等。具體，可以從兩個方面考慮。

· 對于無線資源控制RRC空閑態，公共信令發送占比是影響基站能耗的主要矛盾，因此在精簡公共信令的方案設計時，需要考慮用戶的接入性能，包括接入成功率、時延、接入資源的負載平衡等。

· 對于RRC連接態，關注的節能收益需要在相應的系統吞吐量或頻譜效率不下降或下降值在某個門限內這個大前提下，比如最大損失5%或10%；或者對于用戶來說，需要考慮用戶感知吞吐量，即單位時間內傳輸每個數據包的平均可達數據速率。對于特殊業務（如低時延高可靠），還需要考慮時延范圍內且可靠性可達成的限制下的容量或速率。

1.3 3GPP評估基站節能的場景

基站節能的適用場景顯然是越多越好的。然而，當前的實際網絡中，如前文所述，空載和中輕載下的無線資源利用率與對應場景下的基站能耗占比極不成比例，因此具有較大的收益預期空間。3GPP在第一個版本的研究項目中，同意優先考慮這些負載場景，包括多載波負載不同的場景。

另外，在3GPP研究立項的過程中，對具體的評估場景（用于給出評估的系統配置和參考參數等）做了討論。當前的研究范疇還比較寬泛，可以簡單地理解為低頻和高頻、FDD和TDD、多載波聚合和雙鏈接場景都可以考慮，包括在低頻FDD頻段也會考慮small cell、與LTE共站共頻譜的場景以及應用了大規模多天線技術的場景。

2 網絡節能技術

從上述分析可以看出，網絡節能收益的主要空間來自中輕載場景，而重載場景下能效與譜效基本是成正比的，因為此時可以關斷的時頻空資源是很少的。那么對于中輕載場景，一方面是公共信號的時域占比，另一方面是尋求時頻域資源利用上的能耗要盡量與業務負載相匹配，再有就是其他維度的網絡節能。下面從這個邏輯分別介紹網絡節能關鍵技術。

2.1 時域節能技術

對于時域節能方面，就是盡可能在不損失或少損失網絡性能的前提下，關斷信號的發送。一方面，對于RRC空閑態，相當于系統空載，此時能耗瓶頸主要在于公共信號的發送；另一方面，對于中輕載，可以在無業務時進行符號關斷，甚至在業務到達后推遲一段時間，統一發送或推遲到與公共信號一起發送，即匯聚調度。

2.1.1 極簡公共信號發送

5G NR中的公共信號主要是同步信號塊（SSB）、系統消息、尋呼消息及相應的調度信息等，其中SSB包括主輔同步信號和物理廣播信道，系統消息主要包括系統信息塊SIB1。為了保持用戶的初始接入，5G相關協議要求SSB發送周期至少為20 ms。此外，由于5G NR部署的頻點比4G系統高，如在3 GHz以上甚至在毫米波頻段，而非連接態下，基站無法獲取用戶的信道信息，這要求公共信號以波束成形的方式來發送。由于一個波束只能覆蓋較窄的方向，因此基站需要以時分復用的方式輪詢發送多個公共信號波束，以達到全方向的覆蓋要求。5G NR的公共信號的時域占比見表2，在保持20 ms的初始接入能力且7個公共信令波束的情況下，SSB和SIB1的時域占比可達22.7%。

表2 5G新空口系統的公共信號的時域占比

在中輕載場景下，盡管業務數據較少，但由于需要傳輸SSB和SIB1，基站無法有效進行時域關斷，導致無法有效降低功耗。因此，減少SSB和SIB1傳輸，是實現基站節能的一個重要手段。

一種降低公共信號時域占比的多載波方案極簡公共信號發送如圖2所示，基礎成員載波或者基礎載波（basic component carrier，BCC）上提供全套的SSB和SIB消息以及其他容量成員載波或者節能載波（capacity component carrier，CCC）上的SIB消息，這樣可以保證CCC上不需要發送SIB消息。CCC上還可以發送簡化的SSB，這里面稱為發現參考信號（discovery reference signal，DRS），以供用戶對CCC進行同步和測量。如果基站和用戶能力可以保證用戶根據BCC的SSB進行CCC的同步，甚至可以節省CCC上的SSB。通過這種CCC上極簡的公共信號發送方案，可以極大地降低CCC上的公共信號時域占比，尤其適用于空載和輕載場景的情況，以達到CCC上的能耗降低的收益。此外，用戶從BCC上獲取CCC上的系統消息，還可以直接在CCC上發起隨機接入，緩解BCC上初始接入的擁塞問題。

圖2 極簡公共信號發送

2.1.2 符號關斷和匯聚調度

在輕載場景下，由于用戶的業務突發特性，在沒有業務的時間段，基站可以動態進行符號關斷，以達到節能的目的。此外，在業務到達后推遲一段時間，將多次業務到達積攢在一起統一進行發送，或者推遲到與公共信號一起發送，即匯聚調度。符號關斷和匯聚調度如圖3所示。

圖3 符號關斷和匯聚調度

需要指出的是，匯聚調度需要一定程度上預測業務到達時間，且需要根據業務需求，決定最大推遲發送時間，否則會導致用戶的感知數據速率下降。

2.2 空域節能技術

在上述符號關斷的基礎上或者不考慮上述符號關斷的情況，還可以考慮多天線的通道關斷，相比于符號關斷的關斷粒度進一步細化到空域通道的維度，即在業務負載匹配的情況下，即使不關斷符號，仍然可以關斷其中一部分通道，以達到節能目的。與4G基站相比，5G基站通道數目急劇增加，通道關斷不僅可以降低功放功耗還可以降低通道的靜態功耗，已經成為一種主流的節能方案。與符號關斷相比，通道關斷在保證服務連續性上更具優勢。空域通道關斷如圖4所示。

圖4 空域通道關斷

一種解決方案是半靜態通道關斷，即基站會根據一段時間內的業務和負載預測，長時間地關斷一部分通道。但是，由于業務到達的隨機性，即使在中輕載下，不同傳輸時間間隔（transmission time interval，TTI）如時隙上的RB利用率也會有較大波動，半靜態通道關斷雖然可以保證服務連續性，但是在某些RB占用較高的TTI，會造成數據傳輸時延增加，用戶體驗降低。但好處是半靜態關斷的實現較為簡單，且可以匹配不同通道開啟下的信道狀態信息（channel state information，CSI）的測量和上報配置。

另一種解決方案是動態通道關斷，相較于半靜態通道關斷，可以提供更精細粒度的調整，更加匹配業務負載和需求。但是，動態通道關斷的主要挑戰是會打亂系統的連續性，基站的通道配置動態變化會造成很多測量和調整無法及時收斂。例如，可能在CSI測量時刻，用戶的基站狀態是32通道，但是到數據傳輸時刻就變為16通道，則測量上報的CSI不再匹配激活通道數的變化。又例如，對于典型的開環鏈路自適應技術，需要一定時間才能收斂，但是基站通道不斷動態變化，會造成開環技術難以收斂，進而影響系統傳輸效率和用戶業務體驗。因此，需要針對動態通道關斷下的CSI不準確問題，進一步評估和研究相應的解決方案。

通道關斷的節能評估如圖5所示，給出了在不同資源占用率且在不同UPT損失的情況下，半靜態通道關斷和動態通道關斷相比不進行通道關斷的基線能夠帶來的能耗收益。圖5中最左邊顯示為0的為不進行通道關斷的基線能耗，圖5中其他柱狀體為相比于該基線能耗在不同關斷情況下的節省能耗。可以看出，隨著允許UPT損失數值的增加，節能收益逐漸增加；且動態通道關斷可以更加匹配業務特征，因此，相比于半靜態通道關斷可以帶來更大的能耗節省。

圖5 通道關斷的節能評估

2.3 頻域和功率域節能技術

對于中輕載業務場景，通道關斷技術的核心是利用數據傳輸資源在空域的冗余，將傳輸資源在空域進行匯聚，即將數據傳輸匯聚到更少的空域通道上，從而降低基站能耗。類似地，利用數據傳輸在頻域的資源冗余，將數據傳輸進行頻域資源擴展，從而降低基站能耗。頻域擴展和功率回退示意圖如圖6所示。

圖6 頻域擴展和功率回退示意圖

根據香農公式B=Wl b(1 +P)可知，給定傳輸速率Bbit/s，需要的傳輸功耗為：

Pout是隨著傳輸帶寬W/Hz的增大而降低的，其中P是數據傳輸的功率譜密度，單位為W/Hz。因此，在頻域資源冗余的時候，可以通過增大傳輸資源結合降低傳輸功率譜密度的方案，降低整個傳輸的動態功耗。該方案的思想還可以擴展到空域和時域：當空域通道冗余時，可以將數據傳輸擴展到剩余通道上來降低整個傳輸的動態功耗；當時域資源冗余時，可以將數據傳輸擴展到剩余時域符號上來降低整個傳輸的動態功耗。但是無論是占用更多的空域通道還是時域符號，都不利于器件關斷，會帶來一定的靜態功耗提升，同時，占據更多的時域符號還會造成傳輸時延增加，降低用戶體驗。

對于半靜態資源擴展，基站會根據一段時間內的業務量預測或者根據RB占用率預測，確定一個資源擴展因子α（對于SE降低為1/α），然后在每個TTI，基站會根據每個UE的CSI反饋值確定合適的調制編碼方式 MCS1，然后根據擴展因子α確定調整后的 MCS2，最后根據MCS1和 MCS2分別對應的解調信干噪比SINR門限 SINR1和 SINR2來確定發送功率譜回退值：

對于動態資源擴展，基站會在每個TTI上根據當前TTI上的待傳業務量和預測RB占用率，來確定當前TTI的資源擴展因子α，再同樣執行MCS回退和發送功率譜回退。當然，這種方式也有其適用的場景或限制。例如，考慮小區邊緣用戶的接收SINR本來就已經很低，進一步回退發送功率譜密度會急劇惡化信道估計性能和接收性能，因此可以考慮設定MCS門限，只有當MCS大于或等于該門限時，才會進行資源擴展和功率譜回退。

上述解決方案中，發送功率譜回退值默認為是解調SINR回退值，這個在單用戶單流傳輸下是正確的，但是在單用戶多流或多用戶多流傳輸下，不再正確。假設用戶側采樣最小均方誤差（minimize mean square error，MMSE）接收機，則基站發送功率譜回退ρ后，用戶的接收SINR可以表示為：

其中，hl是基站到UE的目標數據流對應的傳輸信道（包含預編碼處理），hj是基站到UE的干擾數據流對應的傳輸信道（包含預編碼處理），Rinter是目標基站外的干擾自相關矩陣，c是用戶對目標數據流的接收向量。從式（6）可見，當時，即當流間干擾是主要干擾時，用戶的接收SINR與基站側發送功率譜回退ρ近似無關；反之，當時，用戶的接收SINR隨著基站側發送功率譜回退ρ線性降低。因此，需要進一步評估和研究上述功率回退值與MCS不匹配的問題。

頻域擴展和功率回退的節能評估如圖7所示，給出了在不同UPT損失的情況下，功率回退與不進行功率回退相比的基線能夠帶來的能耗收益。圖7最左邊顯示為0的為不進行功率回退的基線能耗，圖7中其他柱狀體為相比于該基線能耗在不同UPT損失情況下的節省能耗。可以看出，隨著允許UPT損失數值的增加，節能收益逐漸增加，這是因為將空余頻域資源進行擴展換取了功率譜密度的降低。

圖7 頻域擴展和功率回退的節能評估

2.4 其他節能技術

除了上述時域、空域、頻域和功率域的基礎節能技術之外，還可以考慮其他維度的網絡節能技術。

（1）組網節能

單站節能技術之外，還可以考慮多站組網下的節能技術。具體地，在輕載場景下，可以關斷一些基站，而依靠剩余的少量基站來保證用戶的空閑態駐留以及輕載下的數據傳輸需求。因此，需要進一步研究多站情況下的接入和數據傳輸技術。此外，還可以考慮基站間交互信息，比如交互負載信息以輔助多站聯合的關斷和業務接管等功能。

（2）輔助信息

網絡節能還可以依賴一些輔助信息，比如上述基于用戶的CSI反饋等也可以看作是一種用戶上報的輔助信息。此外，還可以進一步研究其他用戶的輔助信息，比如用戶的業務類型和具體需求、用戶移動信息和歷史接入信息等，這些可以幫助網絡更好地做出調度決策或者關斷決策，應用到前述的匯聚調度、負載預測等中，甚至可以實現網絡和用戶的雙向節能。

（3）功放效率提升

除信號傳輸技術之外，還可以考慮器件效率提升，其中最主要的是功放效率提升。影響功放效率的最直接的因素就是信號的峰均功率比（peak to average power ratio，PAPR）。

隨著移動通信系統的不斷發展，正交頻分復用OFDM技術和多輸入多輸出（MIMO）技術由于在數據吞吐量、鏈路可靠性、抗干擾能力等方面的優異性能，已成為當今移動通信系統的關鍵技術。然而，OFDM技術以及MIMO技術的使用也會帶來一些新的問題，其中一個問題就是發射信號在時域上存在較大的波動，即PAPR較高，具體定義為：

其中，x(n)表示發射天線上長度為N的時間序列。

高PAPR的傳輸信號會嚴重降低通信系統的傳輸效率。當傳輸信號有較高的PAPR時，發射端的高功率放大器需要工作在較低的工作區間，這使得功放效率不高。因此，需要持續研究降低多載波系統的PAPR的一系列技術，甚至考慮新波形技術。

3 結束語

本文從網絡節能的能耗模型入手，從需要同時兼顧網絡能效和系統性能的角度，在滿足系統性能需求的前提下，評估和研究面向“雙碳”的綠色網絡節能技術。具體的網絡節能技術可以包括時域關斷、空域通道關斷、頻域擴展和功率回退。此外，還可以擴展地考慮其他維度的節能技術，比如多站組網節能、輔助信息和功率效率提升等節能手段。這些已經在3GPP的評估考慮范疇之內。最終需要在性能和節能收益之間達到較好的平衡。評估工作將在2022年年底結束，屆時3GPP將會推薦候選技術方案，成立工作項目，在2023年完成核心的工作，標準化其中多項技術，使得基站在不同的場景下按需使用合適的方案或其組合。