基于AI算法的5G無(wú)線網(wǎng)基站智慧節(jié)能分析與研究

周普成，張毅陽(yáng)

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)容量持續(xù)增加，5G基站設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增加帶來(lái)了更多的電能消耗。而目前5G行業(yè)應(yīng)用還處在部署初期，ToB用戶規(guī)模占比較少，網(wǎng)絡(luò)投資效益相對(duì)比較低。各大運(yùn)營(yíng)商目前關(guān)注的一方面是要提供優(yōu)質(zhì)的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，建設(shè)節(jié)奏與行業(yè)基本同步，確保網(wǎng)絡(luò)口碑和競(jìng)爭(zhēng)力；而另一方面則是需要節(jié)約網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本，達(dá)到TCO最優(yōu)。

基站的電費(fèi)支出占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本的比重較大，5G功耗過(guò)高已成為目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的痛點(diǎn)。在5G網(wǎng)絡(luò)部署初期整體輕載的情況下，如何節(jié)約設(shè)備能耗，成為設(shè)備廠家和運(yùn)營(yíng)商亟需解決的問(wèn)題。現(xiàn)有的節(jié)能方案，大多數(shù)是采用在固定的低流量時(shí)段，關(guān)閉設(shè)備功放或關(guān)閉整套基站設(shè)備，達(dá)到節(jié)能的目的。本文研究了AI智能節(jié)能算法，通過(guò)基于AI算法的大數(shù)據(jù)分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整基站工作狀態(tài)，在不影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的情況下，達(dá)到最大化節(jié)約能耗的目標(biāo)[1]。

1 5G基站能耗剖析

5G基站設(shè)備的功放模塊是基站發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。移動(dòng)通信射頻信號(hào)功率很小，但所有基站硬件中，功放模塊卻是最耗電、效率最低的模塊，基站用能中約一半的能耗用于功放模塊。基站功放的職責(zé)是線性地放大信號(hào)，但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，功放模塊不可能做到絕對(duì)的線性放大，隨著射頻輸出功率越來(lái)越接近最大輸出功率（飽和輸出功率），非線性失真將越來(lái)越大，導(dǎo)致嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。圖1為5G基站功放設(shè)備功率線性圖。

圖1 5G基站功放設(shè)備功率線性圖

為了減少非線性失真，功放會(huì)采用回退（Backoff）的方式將放大器的工作點(diǎn)調(diào)低，以確保輸出功率操作在線性區(qū)域范圍，維持線性度。但回退操作會(huì)降低功放模塊的工作效率，使得功放模塊整體功耗升高。由于功耗效率和線性度是相互矛盾的，為了兼顧兩者，業(yè)界采用了數(shù)字預(yù)糾偏算法等技術(shù)，即通過(guò)在功放模塊的輸入側(cè)添加功放非線性失真的逆特性來(lái)進(jìn)行預(yù)先失真處理。圖2為基站功放與功耗效率圖。

圖2 基站功放功耗效率圖

5G基站3.5 GHz頻段高、覆蓋小，為了增加覆蓋，采用了增加天線口功率的方法（5G主流射頻功率200 W/64TR 4G基站是20 W，4TR）。而功率一旦超過(guò)60 W，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重線性失真，從而造成信號(hào)的失真。為了解決該問(wèn)題，可采用預(yù)失真功放技術(shù)，即無(wú)用戶時(shí)段反方向彎曲，有用戶時(shí)段功率增加，正負(fù)彎曲抵消，避免了線性失真。

但是，該解決方案無(wú)用戶時(shí)的最低額定運(yùn)行功耗為400 W，加上基礎(chǔ)功耗的200 W，5G基站扇區(qū)無(wú)用戶時(shí)功耗達(dá)到了600 W，而4G基站扇區(qū)無(wú)用戶功耗僅為200 W。5G初期，預(yù)失真功放帶來(lái)的最低額定運(yùn)行功率太大，導(dǎo)致通信運(yùn)營(yíng)商面臨電費(fèi)增長(zhǎng)的壓力。

2 基于AI算法的無(wú)線基站智慧節(jié)能平臺(tái)

對(duì)于基站節(jié)能，目前通信運(yùn)營(yíng)商主要的做法是在夜間的時(shí)段，將5G功放的基本功能關(guān)閉，做到深度休眠。這種方案也存在一定的弊端，即因?yàn)橛脩舴植己褪褂昧?xí)慣的問(wèn)題，并不是所有5G基站均為夜間時(shí)段空閑而白天時(shí)段繁忙，所以這類“一刀切”的做法是影響用戶感知的。

采用AI智能算法動(dòng)態(tài)調(diào)整扇區(qū)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，代替了傳統(tǒng)節(jié)能措施中固定時(shí)段休眠的做法。當(dāng)該算法偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，基站將自動(dòng)開(kāi)啟深度休眠；而當(dāng)用戶流量上升之后，基站自動(dòng)關(guān)閉深度休眠，同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)。這樣，可以在獲得較大的能耗節(jié)約情況下，對(duì)用戶感知的影響最小[2]。

同時(shí)，基站通過(guò)與專業(yè)網(wǎng)管的接口打通，由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備深度休眠的打開(kāi)和關(guān)閉，期間無(wú)需人工操作，減少操作維護(hù)人員工作量的同時(shí)，也避免了因人為操作失誤對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成影響。

2.1 硬件構(gòu)成

AI算法的無(wú)線基站智慧節(jié)能系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 5G基站智慧節(jié)能系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要由基站、網(wǎng)管系統(tǒng)、節(jié)能服務(wù)器、操作終端4個(gè)部分組成。

基站網(wǎng)管系統(tǒng)包含基站和無(wú)線網(wǎng)管服務(wù)器，主要功能是完成基站流量和用戶數(shù)據(jù)的前端采集、節(jié)能控制指令的上傳和下發(fā)等；

節(jié)能控制系統(tǒng)包含節(jié)能服務(wù)器和操作終端，主要完成流量和用戶數(shù)據(jù)的匯總和實(shí)時(shí)分析、節(jié)能算法的實(shí)現(xiàn)、節(jié)能控制指令的生成、相關(guān)參數(shù)配置和性能報(bào)表生成等功能。

2.2 軟件流程

圖4為5G基站節(jié)能流程圖。

圖4 5G基站節(jié)能流程

AI智慧節(jié)能軟件流程實(shí)現(xiàn)思路：初始5G基站處于休眠狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)共站的4G基站的RRC連接數(shù)大于M，PRB利用率超過(guò)N%，則利用南向接口將5G基站從休眠態(tài)喚醒，如果30 min后的話統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示5G基站連接數(shù)小于W，則5G基站繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)（此時(shí)也證明沒(méi)有多少5G終端接入），否則5G基站將繼續(xù)工作。經(jīng)過(guò)一段時(shí)長(zhǎng)后，4G基站用戶連接數(shù)小于M，PRB利用率小于N%，則利用南向接口5G基站主動(dòng)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)[3]。

2.3 功能模塊

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)的跟蹤和分析，以及與專業(yè)網(wǎng)管的指令操作接口。系統(tǒng)主要有以下5個(gè)功能模塊：節(jié)能功能主模塊、統(tǒng)計(jì)模塊、告警模塊、參數(shù)配置模塊以及日志模塊。

2.4 實(shí)施步驟

系統(tǒng)搭建：在現(xiàn)有的環(huán)境下，完成節(jié)能服務(wù)器硬件安裝，節(jié)能服務(wù)器下掛在5G基站傳輸A設(shè)備下，通過(guò)現(xiàn)有的IPRAN或SDN傳輸網(wǎng)絡(luò)與基站及專業(yè)網(wǎng)管連接。

算法研究：在前文算法思路的基礎(chǔ)上，采用AI算法，進(jìn)一步細(xì)化取值參數(shù)和算法步驟，并在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中驗(yàn)證算法結(jié)果是否可靠。

試點(diǎn)運(yùn)行：選取負(fù)荷較低，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的移動(dòng)網(wǎng)區(qū)域，進(jìn)行系統(tǒng)主要功能的驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)及一系列的參數(shù)修正，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 論

目前5G基站功耗比較大，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)段的單站功耗超過(guò)2 000 W，試點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果表明：采用基于AI算法的無(wú)線基站智慧節(jié)能技術(shù)后，平均每基站每日深度休眠時(shí)間3.5 h，每小時(shí)節(jié)約用電1.5 kW·h，預(yù)計(jì)單站年節(jié)約用電1 916.25 kW·h（365天）。按照全網(wǎng)3 535個(gè)5G基站且其中40%的基站具備實(shí)施該節(jié)能技術(shù)的條件（即1 414個(gè)基站）計(jì)算，每年節(jié)約用電約270.96萬(wàn) kW·h，節(jié)約電費(fèi)135.48萬(wàn)元，如表1所示。

表1 試運(yùn)行節(jié)能成效統(tǒng)計(jì)表

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，5G基站規(guī)模不斷的增加，那么使用基于AI算法的無(wú)線基站智慧節(jié)能技術(shù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)更為顯著。