5G基站節能技術研究

朱朝暉

（中國電信股份有限公司昆明分公司，云南 昆明 650051）

1 研究背景

作為我國新型基礎設施建設的重要組成部分，5G通信網絡近兩年在我國獲得了快速的發展。根據工信部的數據，截至2021年12月底，我國累計建成并開通5G基站總數為142.5萬個，覆蓋全國所有地級以上城市。然而，由于5G基站相比于4G使用了更大的帶寬和更多的通道，隨之帶來的是5G基站的功耗相比4G基站也大幅提高。中國通信標準化協會的數據顯示，目前運營商的5G基站主設備空載功耗約為2.2～2.3 kW，滿載功耗約為3.7～3.9 kW，是4G基站的3～4倍。隨著5G基站數量的大幅增加，電費在運營商的OPEX支出中所占比例不斷增加。在當前運營商營收不斷下滑的大環境下，5G網絡能耗問題已成為運營商不得不面對的棘手問題。

基于以上背景，本文首先討論了5G基站能耗的組成和關鍵因素，然后介紹和對比了目前常見的幾種5G基站節能技術，最后對目前5G基站節能技術的應用現狀、發展前景和面臨的挑戰進行了分析。

2 5G基站能耗關鍵因素

2.1 5G基站能耗組成

5G基站由AAU和BBU組成。AAU從架構上其實是集成了4G基站的RRU和天線兩個部分，主要完成基站的數字中頻處理、信號功率放大和發射。5G基站的BBU則與4G類似，完成信號基帶處理。

某運營商對大量5G基站在不同負荷下的實際功耗進行了測算，5G基站在不同業務負荷情況下的功耗均值如表1所示。

表1 5G基站實測平均功耗

從測試數據可以看到，隨著負荷的增加，BBU功耗變化不大，而AAU功耗則上升較快。AAU功耗在整站功耗中的占比在90%左右，如圖1所示。

圖1 5G基站功耗組成

2.2 AAU能耗分析

在5G中，AAU集成了一個天線陣列，需要支持的通道數從4G的4/8通道大幅增加到了32/64通道，支持的帶寬也由4G的20 Mb/s增加到100 Mb/s，同時AAU還集成了部分基帶處理功能，以上因素共同導致了5G AAU設備功耗大幅增加，達到4G RRU的3～4倍[1]。AAU設備中耗能的功能模塊主要有：功率放大器、數字基帶單元（包括數字中頻、基帶模塊）、小信號模塊、電源管理模塊。AAU的功耗隨著負荷的變化而變化，這幾個主要功能單元的功耗分布和比例也隨負荷發生變化，如圖2所示[7]。可以看到，功放模塊功耗隨著基站負荷增加增長迅速，在AAU功耗中的占比空載狀態從15%增長到滿載狀態的58%，這部分功耗在AAU整體功耗中占比很大，需要重點關注。而數字中頻單元和小信號模塊的功耗值隨著負荷的增加變化不大，功耗比例由于功放功耗的增加相應下降，這部分功耗屬于相對固定的基礎功耗，這部分功耗也需要關注，特別是在低負荷狀態下時，這部分反而是AAU的主要能耗單元。電源管理單元在整體功耗中占比較小，節能的潛力不大。

圖2 AAU主要模塊能耗分布

2.3 BBU能耗分析

從無線網絡功能的角度而言，5G基站系統包括射頻和基帶兩部分功能，而后者又由物理層、第二層（MAC、RLC、PDCP等子層）以及第三層（如RRC）等協議功能層構成。BBU主要完成基帶功能，上行方向接收AAU傳送過來的天線數據，進行天線數據的解調、成幀，然后通過NG接口將業務數據和控制數據傳輸給5GC。對于下行方向，BBU通過NG接口接收來自5GC的業務和控制數據，進行解幀、基帶數據的調制，然后通過eCPRI接口將天線數據傳輸給AAU。

BBU功耗與基站負荷無關，也就是說，當BBU配置的基帶板數量一定時，BBU功耗基本穩定。下面以下掛兩個5G 64TR 100 Mb/s S111基站的BBU為例，此時BBU配置兩塊5G基帶處理板，其他耗電模塊包括主控板、電源/監控板、風扇單元。各部分功耗分布與占比如圖3所示。

圖3 BBU主要模塊能耗分布

可以看到，基帶板是BBU的主要能耗單元，功耗占到BBU功耗的80%以上。

2.4 5G能耗關鍵因素小結

從以上的分析可知，5G基站設備能耗中占比較大的器件主要有功率放大器、數字中頻模塊、小信號模塊和基帶板，在滿載情況下，這部分器件的功耗可以占到基站設備整體功耗的90%左右。基站節能技術的研究主要聚焦于對以上部件的改進，從研究方向上主要分為硬件改進和軟件算法改進。硬件改進主要利用目前最新的硬件制造工藝，如更高制程的芯片工藝，采用高集成度ASIC芯片代替FPGA芯片，用小型化氮化鎵（GaN）功率放大器代替LDMOS功率放大器等[5]。而軟件算法改進則是利用軟件控制使基站射頻、中頻、基帶器件在基站、通道或載波空閑時臨時關閉或休眠，從而實現降低能耗的目的。

3 5G基站節能技術

3.1 硬件節能技術

3.1.1 高制程芯片工藝

越高制程的芯片生產工藝代表在相同的體積的硅片上能集成更多的晶體管，同時也帶來功耗的降低。目前業界主流5G設備廠商均已推出7 nm制程的基站芯片。2019年1月24日，華為公司在北京發布了7 nm制程的5G基站芯片——天罡。該芯片可帶來2.5倍的運算能力提升，實現AAU尺寸縮小超50%，質量減輕23%，功耗節省達21%。2020年6月6日，中興通訊虛擬化產品首席科學家屠嘉順首次對外披露了芯片方面的最新進展，中興通訊已經發布了基于7 nm技術3.0版本的多模基帶芯片和數字中頻芯片，這些產品可以實現相比上一代產品超過4倍的算力提升和超過30%的AAU功耗的降低，同時他還表示，2021年發布的基于5 nm的芯片會帶來更高的性能和更低的能耗。

3.1.2 高集成度ASIC芯片

在5G初期，為了加快研發進度，幾乎所有基站廠商都選用了FPGA芯片。FPGA是一種半定制芯片，它的最大特點是開發周期短、使用靈活、可以隨時更改設計，但為了實現通用性，FPGA芯片需要配置大量冗余單元。隨著5G基站設計逐步穩定和產量提升，采用專用的ASIC芯片替代FPGA將是更為經濟的選擇。相比FPGA，ASIC芯片具有更高的集成度，可以根據特定的功能需求進行設計，因此可以實現更高的工作頻率和更低的功耗，在相同規格下，ASIC芯片功耗可以比FPGA芯片降低30%以上。前面提到的華為的天罡芯片和中興的基帶及數字中頻芯片都是專用的ASIC芯片。諾基亞也在2020年6月宣布與博通公司合作進行5G芯片的研發工作，為其5G產品打造包括處理器在內的定制芯片組。可見，隨著企業朝綠色低碳高質量發展轉變和“碳達峰、碳中和”目標不斷推進，相信5G基站中會有越來越多的FPGA芯片被替換為更加節能的ASIC芯片。

3.1.3 氮化鎵功放GaN

在基站中用于放大射頻信號的功率放大器有兩種技術路線，一種是基于硅工藝的LDMOS技術，另一種是基于III-V族化合物半導體工藝的GaN技術。LDMOS是早期功放最常用的技術，工藝成熟、價格低廉，在3G、4G時代得到了廣泛的應用。但LDMOS技術工作頻率存在極限，最高有效頻率在3 GHz以下，而GaN技術則是一種更為先進的射頻功放技術，它在高頻段具有良好的性能，并且具有大帶寬、高線性度、高功率密度、低功耗等特點。GaN功放在4G時代開始嶄露頭角，在5G時代，5G網絡的高頻段和大帶寬特點推動了GaN功放的普及，但由于GaN功放造價較高，技術難度大，供貨受到國外供應商的制約，目前在3 GHz以下頻段的部分共模5G設備上，LDMOS功放仍在使用。

3.2 軟件節能技術

無線業務存在明顯的潮汐效應[2]，在凌晨等空閑時段，基站的實際負荷很低。根據這一特點，我們可以通過定制軟件算法，使5G基站在空閑時可以自動關閉部分硬件資源實現降低功耗的目的。根據關閉的資源種類不同，可以分為符號關斷、通道關斷、載波關斷和深度休眠等多種軟件節能技術[2]。

3.2.1 符號關斷

符號關斷的原理是當AAU檢測到下行符號無任何數據承載（包括業務數據和公共信令）時，實時將射頻模塊中的PA等射頻器件關斷以降低射頻模塊功耗，當AAU檢測到下行符號有承載數據時，可快速將對應的射頻器件重新開啟以滿足數據傳輸的需求。5G技術可以實現從時域和頻域兩個維度進行資源調度，因此，在開啟符號關斷時，可以調整調度算法使數據先進行時域集中，即采用“擴頻域，壓時域”的思路使數據集中在少量的符號內發送完成，這樣有更多的空閑符號可以進行關斷。符號關斷的原理如圖4所示。

圖4 符號關斷原理

符號關斷有基本和增強兩種模式。在增強模式下，AAU將沒有用戶數據發送的子幀配置成MBSFN子幀，減少專用參考信號的發送次數以實現關閉更多的符號，原理如圖5所示。

圖5 增強模式符號關斷原理

由于符號級關斷并不影響數據的實時發送，因此對網絡性能無影響。

3.2.2 通道關斷

MassiveMIMO技術可以顯著提升5G小區容量。在64通道AAU中，最多可以支持16個下行數據流。通道關斷技術的思路是在基站負荷較低的情況下，主動關閉部分下行發射通道，從而達到降低功耗的目的，如圖6所示。

圖6 通道關斷原理

關斷控制邏輯的選擇可以是固定的時間段或設定流量門限值。在關斷通道的同時基站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。根據實驗室測試結果，通道關斷技術可以實現約15%的功耗降低。

3.2.3 載波關斷

對于多載波基站，一般可以將載波分為基礎覆蓋層載波和容量層載波，基礎覆蓋層載波一般選擇頻率較低，覆蓋效果較好的頻段。比如，目前電信5G網絡中，在雙頻覆蓋區域，2.1 GHz頻段作為基礎覆蓋層載波，3.5 GHz頻段為容量層載波。移動5G網絡在引入700 MHz頻段后，大概率會將700 MHz頻段作為基礎覆蓋層載波，2.6 GHz頻段為容量層載波。針對雙載波5G基站，載波關斷的思路是：當基站整體負荷低于某一門限時，基站將容量層載波承載的用戶遷移到基礎覆蓋層載波，并關閉容量層載波，從而達到節能的目的[3]，如圖7所示。

圖7 載波關斷原理

載波關斷的前提是兩個載波間有基本相同的覆蓋區域。載波關斷后，由于基礎覆蓋層載波所能提供的帶寬有限，因此對高速業務有一定的影響。

對于4G/5G共模的基站，如果4G/5G小區覆蓋區域大致相同，還可以利用4G小區作為基礎覆蓋層，當5G小區負荷很低時，將5G用戶遷移到4G小區并關斷5G小區。當業務量增加到某一門限時，再次打開5G小區并將5G用戶遷回。這種4G/5G協同的載波關斷方法可以進一步降低5G基站功耗，但對用戶體驗有較大影響，應慎重使用。

3.2.4 深度休眠

在地鐵、商場、寫字樓、體育館、展覽館等特殊區域，夜間往往處于零業務狀態，此時可以關斷5G AAU的大部分有源器件的供電，基站進入休眠狀態，從而實現降低AAU空載功耗的目的。進入休眠的AAU并非完全關閉，仍會定期與核心網進行信令交互，維持最低的功耗值，但是不提供業務。當后臺網管系統檢測到周邊用戶開始增多時，可以隨時喚醒AAU，恢復正常工作。

實測結果顯示，5G二期主力AAU的深度休眠降耗高達80%以上，符號關斷疊加深度休眠后全天可實現降耗30%以上，且在節能期間網絡各項性能保持穩定[4]。

4 基于AI的5G基站節能技術

5G基站軟件節能的本質是在低業務時段釋放出部分空閑資源，從而降低基站能耗。但是，節能往往伴隨著網絡性能的下降，比如通道關閉、載波關閉、深度休眠等節能技術可能會造成用戶峰值速率的下降，用戶接入時延變長、通信質量變差等不良影響。基站節能比越高，網絡性能下降越大，因此，我們需要找到基站節能效果和網絡性能的平衡點，在可接受的網絡性能下降程度范圍內獲取最佳的節能性能。

節能的開啟一般參照簡單的模型或人工預先設定好的門限，模型或門限往往根據經驗值設置，僅劃分少量場景類型，參數偏保守，節能效果有限，并不能很好地適應如今復雜多變的環境，無法解決不同環境下各基站節能策略的獨立選擇性問題，難以在用戶體驗和節能效果間達到平衡。利用AI技術，通過歷史數據學習構建模型，同時引入實時數據不斷訓練修正模型，進而能夠在當前環境下進行節能場景的識別、負荷的智能預測、節能策略的智能推薦，在保證用戶體驗的條件下，基站能達到智慧節能的效果[3]。

5 5G基站節能技術應用現狀和未來展望

早在2018年，華為公司就發布了PowerStar節能解決方案，靈活使用符號關斷、通道關斷和載波關斷技術，利用AI構建節能和性能的關聯模型，動態調節節能參數，在保證網絡性能的同時，充分挖掘網絡節能潛力，實現基站節能10%以上。

在2021年10月14日結束的2021全球移動寬帶論壇上，華為公司又發布了GreenSite和PowerStar2.0兩大創新解決方案，提升網絡能效，降低網絡能耗，助力運營商打造綠色低碳5G網絡。GreenSite解決方案通過引入高集成化射頻硬件、站點室外化去空調和整站協同軟硬件融合創新，實現能效20倍提升。PowerStar2.0智能節能解決方案在1.0的基礎上，實現毫秒級的節能關斷控制顆粒度，并引入基站和網絡雙智能化，通過多維協同，在典型網絡配置下，進一步降低網絡能耗25%以上[6]。

中興通訊公司在2020年發布了《Powe rPilot 4G/5G網絡節能降耗技術白皮書》[7]，在原有負荷預測AI節能的基礎上提出業務導航AI節能，在保障用戶體驗的前提下，實時識別業務、分析業務能效，主動將業務導航到最合適的網絡層進行承載，保證每比特數據能耗最低，整網能效比最佳，節能效率翻倍。目前，中興通訊的PowerPilot技術已在天津、徐州等全國多個城市使用，并取得良好的效果。

在運營商方面，中國聯通在2019年世界移動通信大會上發布了《中國聯通5G 基站智能節能技術白皮書》[8]，提出了5G基站設備能耗演進目標和節能技術方案規劃和演進路標。中國移動也在2020年i-Green智能無線節能技術研討會上發布了《5G基站節能技術白皮書》，從5G基站節能的需求、目標出發，聚焦于設備級、站點級、網絡級節能三大技術領域，提出相應的技術需求和應用場景建議，以及中國移動5G基站節能技術的總體路標要求。

隨著“碳達峰，碳中和”目標的確立，未來通信行業將更加專注于綠色、低碳發展路線。如何在保證5G網絡高質量建設的同時，達到有效的節能提效、降低成本，即完成碳中和的“軟著陸”，已然成為國內信息通信行業和5G產業鏈的共同訴求。可以預見，隨著運營商和廠家對5G基站節能技術的研究不斷深入，將會有越來越多的節能創新技術得到發展和應用。

6 結束語

AAU功耗占5G基站功耗的90%，在AAU功耗中，功放、數字中頻和小信號模塊又占了絕大部分。目前主要研究和應用的5G基站節能技術包括硬件和軟件兩個方向，其中，硬件節能需要進行設備更換，高制程芯片方面又受到當前國際環境的制約，在整體進展上相對緩慢。軟件節能技術由于投入小、見效快，當前推進速度較快，特別是和AI技術融合后，可以大幅減少網絡運維人員在歷史數據分析、參數設置等方面的工作量，有利于技術的快速推廣。■

附錄

AI：Artificial Intelligence，人工智能

OPEX：OPerating EXpense，運營成本：指的是企業的管理支出、辦公室支出、員工工資支出和廣告支出等日常開支。

AAU：Active Antenna Unit，有源天線單元

BBU：Building Base band Unite，室內基帶處理單元

RRU：Remote Radio Unit，遠端射頻單元

MAC：Media Access Control，媒體介入控制層

RLC：Radio Link Control，無線鏈路層控制協議

PDCP：Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議

5GC：5G Core Network，5G核心網

eCPR I：enhanced Common Public Radio Interface，增強型通用公共無線電接口

ASIC：Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路

LDMOS：Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴散金屬氧化物半導體

PA：Power Amplifier，功率放大器

MBSFN：Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播/組播單頻網絡

MassiveMIMO：Massive Multiple Input Multiple Output，大規模天線技術