面向多層無線網(wǎng)絡的基站協(xié)同節(jié)能*

劉通，田波，袁振宇

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

5G已成為推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎，但5G基站能耗高達4G基站的2～3倍，基站節(jié)能技術(shù)對推進5G節(jié)能降耗、踐行“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。在業(yè)界共同關注下，符號關斷、通道關斷、載頻關斷、深度休眠、智能硬關斷等節(jié)能技術(shù)在5G網(wǎng)絡上應用，取得了一定的效果，如表1所示。符號關斷、通道關斷屬基站軟節(jié)能技術(shù)，節(jié)能期間僅關閉部分資源，對基站性能影響較小，基站仍處于正常服務狀態(tài)，主流廠家基站網(wǎng)管均具備符號關斷、通道關斷的自動觸發(fā)能力，當達到預設條件時，基站將自動觸發(fā)啟動或退出節(jié)能，也可以通過第三方AI平臺進行節(jié)能策略部署，因此應用相對廣泛。載頻關斷、深度休眠、硬關斷屬基站硬節(jié)能技術(shù)，節(jié)能期間將關閉主要射頻器件，不再發(fā)射信號，基站實際上處于退出服務狀態(tài)，因此有限應用于部分可以短時關閉5G的場景。

表1 現(xiàn)網(wǎng)部分型號基站不同節(jié)能方式的節(jié)能效果統(tǒng)計（基于現(xiàn)網(wǎng)負荷）

鑒于4G和5G網(wǎng)絡將在相當長的時間內(nèi)共存、協(xié)同演進，基站節(jié)能技術(shù)也在4G網(wǎng)絡上得到應用，但普遍采用4G或5G獨立節(jié)能模式，不僅4G/5G網(wǎng)絡間沒能有效協(xié)同，同一網(wǎng)絡內(nèi)的不同頻點也未做策略區(qū)分，節(jié)能收益沒有最大化。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)不同節(jié)能方式的收益分析，基站硬節(jié)能技術(shù)在節(jié)能效果上顯著優(yōu)于基站軟節(jié)能技術(shù)，若能通過4G/5G網(wǎng)絡間的有效協(xié)同，以滿足用戶業(yè)務需求為衡量標準，把4G/5G網(wǎng)絡視為一個整體，在保障用戶感知的情況下將部分5G業(yè)務轉(zhuǎn)移到4G網(wǎng)絡承載，硬節(jié)能技術(shù)可在5G網(wǎng)絡得到更大范圍應用，將大幅提升5G基站節(jié)能收益。

1 多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能機制

為滿足網(wǎng)絡覆蓋和業(yè)務發(fā)展需要，充分發(fā)揮各頻點的優(yōu)勢，電信運營商普遍采用了多頻組網(wǎng)模式，比如中國電信4G網(wǎng)絡使用了800 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz等頻點，5G網(wǎng)絡使用了3.5 GHz、2.1 GHz等頻點。通常，將某些覆蓋能力較強的頻點定位為基礎覆蓋頻點，用于提供連續(xù)的信號覆蓋，而將某些用于增加容量、分擔業(yè)務的頻點定位為容量頻點，解決區(qū)域性或局部熱點的容量需求，同一網(wǎng)絡的不同頻點之間、不同網(wǎng)絡的頻點之間通過重選、切換等技術(shù)進行協(xié)作，實現(xiàn)覆蓋互補、業(yè)務分擔的目的。從頻點視角來看，每一個頻點都構(gòu)成了一層邏輯網(wǎng)絡，4G/5G無線網(wǎng)絡本質(zhì)上是由多個頻點疊加構(gòu)成的多層網(wǎng)絡，如圖1所示。

圖1 多層無線網(wǎng)絡示意

1.1 協(xié)同節(jié)能場景

多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能的前提是多個頻點共覆蓋同一區(qū)域，鑒于無線網(wǎng)絡中多頻共站址屬主流場景，因此多層無線網(wǎng)絡的基站協(xié)同節(jié)能主要針對共站址的多個頻點小區(qū)間的協(xié)同節(jié)能，在不降低網(wǎng)絡服務能力、保障客戶感知的前提下，盡可能多的對基站實施硬節(jié)能，以獲取更大的節(jié)能收益。

在目前的網(wǎng)絡架構(gòu)下，多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能的場景包括4G網(wǎng)絡內(nèi)部各頻點間協(xié)同、5G網(wǎng)絡內(nèi)部各頻點間協(xié)同、4G和5G網(wǎng)絡頻點間協(xié)同，其中最具典型性的當屬4G和5G網(wǎng)絡頻點間的協(xié)同節(jié)能，即在滿足用戶業(yè)務需求的前提下，對5G網(wǎng)絡實施硬節(jié)能，將用戶和業(yè)務轉(zhuǎn)移到4G網(wǎng)絡承載，實現(xiàn)節(jié)能收益最大化。

當前5G業(yè)務尚處于發(fā)展初期，2021年5G分流比首超20%，根據(jù)對某地市當前5G網(wǎng)絡負荷的統(tǒng)計，在一天連續(xù)24小時中82.4%的時段基站PRB利用率低于10%，如圖2（a）所示，可見5G網(wǎng)絡處于輕載狀態(tài)，硬節(jié)能技術(shù)具備應用的基礎。為滿足5G業(yè)務快速發(fā)展需要，在考慮基站節(jié)能的同時也要滿足業(yè)務發(fā)展對5G網(wǎng)絡的要求，對于有5G用戶、有5G業(yè)務的基站應主要針對夜間（22時—6時）低零流量時段進行硬節(jié)能，分析硬節(jié)能時段時應在PRB利用率基礎上增加流量因素。以某地市為例，按照PRB利用率＜10%且流量＜500 MB/扇區(qū)/小時進行統(tǒng)計，可硬節(jié)能3小時以上的扇區(qū)占比達60.4%，如圖2（b）所示。由此可見，多層無線網(wǎng)絡4G/5G基站協(xié)同節(jié)能有較大的應用空間。

圖2 某地市5G網(wǎng)絡3.5 GHz基站（64T64R配置）硬節(jié)能時段分析

1.2 節(jié)能優(yōu)先級機制

多層無線網(wǎng)絡的基礎覆蓋頻點、容量頻點在基站協(xié)同節(jié)能時應予以區(qū)別對待，基于此設計了節(jié)能優(yōu)先級（ESP，Energy_Saving_Priority）機制。通過為多層無線網(wǎng)絡的每個頻點賦予唯一的節(jié)能優(yōu)先級，在進行基站協(xié)同節(jié)能判決時，節(jié)能優(yōu)先級高的頻點優(yōu)先進行節(jié)能。為確保網(wǎng)絡基礎服務能力，設置基礎網(wǎng)絡（BNI，Basic_Network_Identify，取值為0、1）、基礎頻點（BFI，Basic_Frequency_Identify，取值為0、1）標識，對標記為基礎網(wǎng)絡的基礎頻點可設置為不允許硬節(jié)能，避免因過度節(jié)能導致網(wǎng)絡出現(xiàn)覆蓋空洞。

例如，在中國電信當前的4G/5G網(wǎng)絡架構(gòu)下，可以配置4G網(wǎng)絡為基礎網(wǎng)絡，4G網(wǎng)絡的800 MHz為基礎頻點，提供網(wǎng)絡基本的覆蓋和VoLTE語音業(yè)務承載。節(jié)能優(yōu)先級按5G 3.5 GHz頻點＞4G 2.1 GHz頻點＞4G 1.8 GHz頻點＞4G 800 MHz頻點設置，即優(yōu)先對5G節(jié)能，最后對4G 800 MHz頻點節(jié)能，且800 MHz頻點不允許硬節(jié)能，如圖3所示。

圖3 節(jié)能優(yōu)先級示意

1.3 負荷轉(zhuǎn)移評估機制

基站硬節(jié)能時，小區(qū)實際上處于退服狀態(tài)，因此需要先對其它頻點能否有效承接硬節(jié)能頻點業(yè)務進行評估，作為多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能的主要判決條件。基站PRB利用率反映了空口時頻資源的占用情況，是基站負荷的最直接反映。基站調(diào)度PRB資源用于傳送系統(tǒng)消息、用戶數(shù)據(jù)等，其中系統(tǒng)消息占用的PRB與基站的配置相關，主要涉及TDD/FDD雙工方式、載波帶寬、時隙配比（僅TDD）、波束配置、SSB周期、SIB1周期、OSI周期、尋呼配置等；用戶數(shù)據(jù)占用的PRB主要與數(shù)據(jù)量大小相關，但也受信號質(zhì)量、MIMO等因素影響。

基站系統(tǒng)消息占用的PRB可以進行理論計算，以當前5G網(wǎng)絡主流配置：TDD雙工，100 MHz帶寬，30 kHz子載波，上下行時隙配比為3:7，SSB波束7個，SSB周期20 ms，SIB1周期20 ms，空口時隙結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)消息發(fā)送位置如圖4所示。

圖4 5G空口時隙結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)消息發(fā)送位置

按20 ms時長為例計算如下：

20 ms可調(diào)度下行RB總數(shù)：10 ms/幀，20 slot/幀，則RB總數(shù)=2×14×273=7644；

SSB占用RB數(shù)：頻域20個RB，時域4個slot，則RB數(shù)=20×4=80；

SIB1占用RB數(shù)：頻域32～48個RB，時域每周期發(fā)送次數(shù)與SSB波束個數(shù)相同，1個slot上發(fā)送1次，則RB數(shù)=48×7=336；

OSI開銷較小，Paging隨業(yè)務量變化且資源占用較少，可暫不考慮；

則系統(tǒng)消息基本開銷=（80+336）/7644=5.44%。

現(xiàn)網(wǎng)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)與上述計算結(jié)果相符，如圖5所示。在流量接近0的情況下，基站PRB利用率約在5.5%左右。

圖5 某分公司5G基站下行PRB利用率與流量關系（3.5G 100MHz帶寬、64T64R配置）

上述理論分析和現(xiàn)網(wǎng)實際話務統(tǒng)計均表明PRB利用率是反映基站負荷的直接指標，但系統(tǒng)開銷占用了一部分PRB，因此在進行負荷轉(zhuǎn)移時應先扣除開銷部分，再按照不同網(wǎng)絡、不同頻點的資源配置進行折算。以4G/5G網(wǎng)絡間的協(xié)同節(jié)能場景為例，因5G頻譜效率較4G高，在相同帶寬下的數(shù)據(jù)傳送能力更強，還需考慮頻譜效率的差異，經(jīng)驗值一般取1.5，負荷轉(zhuǎn)移算法示例如下：

5G轉(zhuǎn)移到4G的折算負荷=（5G小區(qū)PRB利用率-5G小區(qū)系統(tǒng)消息開銷）×（5G小區(qū)載頻帶寬/4G小區(qū)載頻帶寬）×頻譜效率折算系數(shù)。

2 多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能流程

多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能包括負荷協(xié)同、故障協(xié)同。以4G/5G網(wǎng)絡頻點間的協(xié)同節(jié)能場景為例，負荷協(xié)同是指5G網(wǎng)絡進行硬節(jié)能時，4G網(wǎng)絡應能有效承接5G網(wǎng)絡轉(zhuǎn)移負荷；故障協(xié)同是指當4G網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，5G網(wǎng)絡不應執(zhí)行硬節(jié)能，若正在執(zhí)行應立即喚醒5G網(wǎng)絡，以保障不出現(xiàn)覆蓋空洞而影響網(wǎng)絡服務能力和用戶感知。

負荷協(xié)同流程主要包括共覆蓋判斷、負荷轉(zhuǎn)移評估、執(zhí)行硬節(jié)能、負荷監(jiān)控、硬節(jié)能退出等環(huán)節(jié)，故障協(xié)同流程主要包括故障監(jiān)控、節(jié)能狀態(tài)調(diào)整等環(huán)節(jié)。故障協(xié)同流程需嵌入負荷協(xié)同流程，作為負荷協(xié)同流程的異常情況處理流程，以4G/5G網(wǎng)絡頻點間的協(xié)同節(jié)能場景為例，如圖6所示。

圖6 4G/5G網(wǎng)絡頻點間的協(xié)同節(jié)能流程

其中，4G小區(qū)是否可以承載5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負荷、4G小區(qū)是否高負荷，通過4G小區(qū)PRB利用率進行判斷。根據(jù)4G網(wǎng)絡運營的經(jīng)驗，一般取PRB利用率門限為60～70%（可根據(jù)用戶感知速率要求進行優(yōu)化設置），即當4G小區(qū)PRB利用率+5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負荷＜60%時，4G小區(qū)可以承載5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負荷；當4G小區(qū)PRB利用率＞70%時，4G小區(qū)判為高負荷。為避免因瞬時高負荷觸發(fā)協(xié)同節(jié)能異常終止，一般4G小區(qū)PRB利用率大于70%需持續(xù)一定時間才判為高負荷。

在5G小區(qū)執(zhí)行硬節(jié)能過程中，監(jiān)控子流程將持續(xù)運行，一旦出現(xiàn)4G小區(qū)故障、4G小區(qū)高負荷，以及硬節(jié)能時間到，將立即喚醒5G網(wǎng)絡，及時提供服務、分擔業(yè)務。

3 多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能應用

中國電信安徽公司自主研發(fā)了基站智慧節(jié)能系統(tǒng)，綜合運用多種節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)了多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能。其中符號關斷24小時開啟；通道關斷通過AI算法預測時間窗口，在中低流量時段開啟；5G深度休眠、基于智能開關的5G智能關斷等硬節(jié)能在4G/5G共址共覆蓋站點全面應用，負荷、故障協(xié)同嵌入硬關斷流程，在夜間低零流量時段開啟，具體策略如表2所示。

表2 基站智慧節(jié)能系統(tǒng)多層無線網(wǎng)絡基站協(xié)同節(jié)能策略配置

當前，基站軟、硬節(jié)能做到5G基站即開即部署，節(jié)能策略做到“一站一策”。從現(xiàn)網(wǎng)實際統(tǒng)計來看，配置了相應節(jié)能策略的小區(qū)，通道關斷平均節(jié)能0.8小時/小區(qū)，深度休眠平均節(jié)能5.2小時/小區(qū)，智能關斷平均節(jié)能5.1小時/小區(qū)，安徽全省年節(jié)約電費超3千萬元，相關創(chuàng)新成果申報發(fā)明專利2項，榮獲中國電信集團科技創(chuàng)新成果貢獻獎。

4 結(jié)束語

通過對無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析，提出了4G/5G無線網(wǎng)絡實質(zhì)上是由多個頻點疊加構(gòu)成的多層網(wǎng)絡論斷，在進一步分析各種基站節(jié)能技術(shù)利弊和收益的基礎上，建立4G/5G無線網(wǎng)絡基于負荷、故障的協(xié)同節(jié)能流程，在4G/5G獨立節(jié)能基礎上進一步提升基站節(jié)能效益，同時保持網(wǎng)絡服務健壯性。隨著雙碳戰(zhàn)略的深入推進，多層無線網(wǎng)絡的基站協(xié)同節(jié)能將成為下一階段基站節(jié)能的重要模式，在負荷、故障協(xié)同的基礎上，未來還將進一步研究基于感知的協(xié)同，豐富協(xié)同節(jié)能場景、優(yōu)化協(xié)同機制，持續(xù)提升基站節(jié)能效益。