基于5G的無線網絡節能降耗技術

劉博文

（吉訊股份有限公司，河北 保定 071000）

1 5G通信內涵及技術架構

現代通信工程中，人們將第五代移動通信技術稱為5G。作為基于第四代移動通信技術發展起來的新通信手段，5G通信在信息內容獲取與傳輸層面取得了極大的突破，同時通信的效率大大提升。為了保證5G通信的整體效果，應在考慮信息傳輸效率的基礎上，實現對通信可靠性的有效控制[1]。

相較于傳統的網絡通信模式，5G通信在網絡技術架構上具有復雜性特征，其不僅包含無線接入云、智能化控制云的應用，而且還涉及高效轉發云的運作。在實際運行中，5G通信以IMT-2020網絡作為網絡基礎，融合使用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）、網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）以及云技術等新型技術，這使得5G通信具備多種無線制式接入的能力，能實現無線接入點的系統性控制。在實際應用中，基于回傳鏈路控制手段的應用，5G網絡結構能更加高效地利用無線資源，不僅提升了數據傳輸的效果，還可以實現對云功能的控制和優化[2]。

2 基于5G的網絡節能技術

5G的各種節能技術會帶來不同程度的節能效果，具體技術方案所帶來的節能效果指相對于未采用該方案所帶來的能耗降低，其實際效果跟技術的運用情況、使用范圍以及持續時間等因素有關。可用于實現5G網絡節能的技術多種多樣，從層次上劃分主要包括基礎級節能技術和人工智能（Artificial Intelligence，AI）級節能技術。其中基礎級節能技術是5G網絡節能的具體實現方式，AI級節能技術則是從5G網絡整體層面對各種基礎級節能技術進行的進一步智能調度。5G網絡節能技術架構如圖1所示。

圖1 5G網絡節能技術架構

基礎級節能技術包括器件工藝級（如芯片技術、器件散熱等）、軟件級（如符號關斷、通道關斷、載波關斷以及深度休眠等）和工程應用級（如極簡建站、基于計算的無線接入網構架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）和室內基帶處理單元（Building Base Band Unit，BBU）整合建站等）。基礎級節能技術是5G網絡節能的基石，可以獨立應用，也可以組合實施。網絡級節能技術主要是基于全網業務及負荷預測數據，通過網絡間協同及負荷調度等手段自動配置合適的站點和時間，制定合適的節能策略，實現全網節能[3]。

器件工藝級節能技術主要通過提升芯片工藝制程來降低基礎能耗，基帶芯片由28 nm演進為10 nm、數字中頻芯片由28 nm演進為7 nm、射頻芯片由28 nm演進為14 nm等，芯片內核以專用集成芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）取代現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA），每一次演進都帶來了芯片功耗的大幅降低。除此之外，新型器件（如新型濾波器、新型功放器件等）、創新散熱技術、新型材料以及優化工藝的應用也會帶來芯片功耗的大幅降低。

工程應用級節能技術包括極簡建站，通過合理取消機房，減少了空調等設備的用電。C-RAN模式和BBU整合建站，通過合并機房和BBU機框，減少了空調和基站設備的使用等，大幅降低能耗。

軟件級節能技術包括符號關斷技術、通道關斷技術、載波關斷技術以及深度休眠技術等。其中，符號關斷技術包括基礎關斷和增強關斷。基礎關斷技術指當基站下行符號無數據發送時，關閉相應功放等器件實現節能。增強關斷技術是在基礎關斷的基礎上，當基站低負荷時采用符號匯聚和集中發送等策略實現節能降耗。通道關斷技術指當基站低負荷時，以不同顆粒度關閉基站相應的上、下行通道實現節能，通道關閉后可對廣播、數據信道補償。載波關斷技術指在基站覆蓋滿足需求的前提下，關閉容量層，一般采用設定時間定時進行載波關斷。深度休眠技術指僅保留基站有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）/射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）的電源模塊和增強型公共無線接口（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）/公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）等接口功能，其他功能模塊均關閉，以大幅降低基站能耗[4]。

在5G網絡基礎級節能技術中，設備級的節能主要體現在新器件、新工藝以及新材料的使用上。新器件和新工藝的更新是持續性的改進，是一個漸進發展的過程。站點級節能主要體現在基站部署方式和無線信號的動態調整上，可以在建網方式調整和優化無線鏈路數據算法的基礎上部署實施。例如，基于C-RAN模式的站點部署對機房的要求較高，需要做好前期的規劃工作，對已建成基站進行C-RAN模式的改造是各大運營商基站建設演進趨勢。對于軟件級的節能，部署難度小，可結合業務及負荷分析通過參數配置制定相應的節能策略。基于全網預測的AI網絡級節能可實現節能效果的最大化，實現最優節能和最佳網絡體驗的平衡，部署難度小，具備較好的實施條件。對于網絡級的節能，需要對全網用戶數據進行智能化計算。

3 基于5G的無線網絡節能降耗技術要點

3.1 時域節能技術

3.1.1 極簡公共信號發送

5G新空口系統中的公共信息主要包括同步信號塊單邊帶（Single SideBand，SSB）消息、系統消息、尋呼信息以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。為了保持用戶的初始接入，5G協議要求SSB發送周期至少為20 ms。此外，5G新空口系統部署的頻點比4G系統高，需要以波束賦形的方式來發送公共信號。由于一個波束覆蓋范圍較小，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，以達到全方位覆蓋的要求[5]。

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來降低功耗，因此減少SSB和SIB1傳輸是實現基站節能的一個重要手段。

在一種降低公共信號時域占比的多載波方案中，基礎成員載波（Basic Component Carrier，BCC）提供全套的SSB消息、SIB消息以及其他容量成員載波（Capacity Component Carrier，CCC）上的SIB消息，這樣可以保證CCC上不需要發送（System Information Block，SIB）消息。CCC上還可以發送簡化的SSB消息，這里稱為發現參考信號（Discovery Reference Signal，DRS），以供用戶對CCC進行同步和測量[6]。通過這種CCC上極簡的公共信號發送方案，可以極大程度地降低CCC上的公共信號時域占比，尤其適用于空載和輕載場景。此外，用戶從BCC上獲取CCC上的系統消息時，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[7]。

3.1.2 符號關斷和匯聚調度

在輕載場景下，對于沒有業務的時間段，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，將多次業務積攢在一起統一發送或者推遲到與公共信號一起發送，即匯聚調度。需要注意的是，匯聚調度需要預測業務到達時間，且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。

3.2 空域節能技術

在符號關斷的基礎上，還可以考慮多天線通道關斷。相比于符號關斷，多天線通道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。與符號關斷相比，通道關斷在保證服務連續性上更具優勢[8]。

（1）半靜態通道關斷?；緯鶕欢螘r間內的業務和負載預測長時間關斷一部分通道，由于業務到達的隨機性，即使在中輕載下，不同發送時間單元（Transmission Time Interval，TTI）上的信息傳輸速率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，但是在某些傳輸速率占用較高的TTI上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，而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[9]。

（2）動態通道關斷。相較于半靜態通道關斷，動態通道關斷可以提供更精細粒度的調整，匹配業務負載和需求，但是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，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。此外，典型的開環鏈路自適應技術需要一定的時間才能收斂，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?；诖?，需要針對動態通道關斷下的CSI不準確問題進行進一步評估并研究相應的解決方案[10]。

4 結 論

當前5G通信網絡的全方位建設應將能耗控制作為重點，通過對設備級節能技術、站點級節能技術以及網絡級節能技術的研究，對無線網絡新技術、新材料與新工藝的應用和推廣進行深入探析，從而為新時期無線通信領域的節能降耗提供助力。