5G 通信基站網絡設備的能耗分析及節能策略探討

丁 鋒，韓正印，徐 磊

（1.中通服網盈科技有限公司，江蘇 南京 226000；2.中郵通建設咨詢有限公司，江蘇 南京 210003；3.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

2018 年，5G 獨立組網技術標準發布，移動通信邁入5G 時代，全球的網絡運營商都開始大規模建設5G 網絡基站[1]。然而，相對于4G 通信技術，5G 基站的能耗較大，使得運營商的成本大幅增加，這種“高能耗、低收益”的情況，給5G 網絡初期的商業化應用帶來巨大挑戰。其中，5G 通信基站內部主要的耗能設施包括了電源系統、網絡系統、環境系統以及輔助系統[2]。這些系統的主要設備和能耗占比如表1 所示。

表1 5G 基站耗能系統的主要設備和能耗占比

從表1 可知，5G 基站電源系統和輔助系統的設備能耗占整個通信基站的能耗比例較小，整個基站90%的能耗集中于網絡系統和環境系統的設備。在5G 基站的能耗建模中，基站的空調制冷系統的功耗和網絡系統的功耗表現為明顯的正相關線性關系，也就是說維持基站內部環境溫度穩定的制冷系統，其耗電量隨著網絡系統設備用電的增加而增加，可見網絡系統的能耗影響著整個基站的能耗情況[3-5]。而5G 網絡系統設備的能耗在4G 基礎上提高的主要原因是高頻段和大規模多進多出（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）這2 項關鍵技術的應用。為降低5G 基站耗能水平，應該從網絡系統的高頻段和Massive MIMO這2項關鍵技術的功耗降低入手，從而對電源系統和環境系統的功耗產生聯動效應，降低基站的總體能耗。

1 5G 通信基站的能耗分析與節能方案設計

1.1 高頻段大帶寬對5G 基站網絡設備能耗的影響

根據香農定理，為高效利用基站收發信號功率，在信噪比優化受限的情況下提高信息傳輸速率，最直接的方法是增加通信系統的帶寬。因此，許多研究將5G 通信設計集中在采用超大帶寬進行信號傳輸上，國內移動通信運營商的頻譜分布如圖1 所示。由于低頻段的頻譜資源非常少，5G 通信只得采用高頻段技術通信。

圖1 國內移動通信頻譜分布圖

4G 通信系統單載波帶寬最大為20 MHz，而5G通信系統的帶寬在Sub-6 GHz 頻段最大可以達到100 MHz，在毫米波頻段最大可達到400 MHz，增長了5 ～20 倍。根據計算無線通信系統覆蓋能力的無線鏈路預算方法，最大允許路徑損耗為

式中：Ptx為基站發射功率；Lf為饋線損耗；Gtx為基站天線增益；Mf為陰影衰落和快衰落余量；Ml為干擾余量；Grx為手機天線增益Lp為建筑物穿透損耗Lb為人體損耗；Srx為手機接收機靈敏度。

根據式（1），在上行速率為1 Mb/s，覆蓋率達到95%的條件下，對1.8 GHz 頻段的4G 通信與3.5 GHz 頻段的5G 通信進行無線鏈路預算，5G 通信的覆蓋半徑大約只有4G 通信的1/2，因此需要建設2～3倍的5G基站，才能與4G基站達到相同的覆蓋率。而5G 網絡基站建成后的總功耗必然隨著5G 基站數量的增加而增加，因此需要對5G 網絡建設和運維中的節能策略進行探究。

1.2 Massive MIMO 技術對5G 基站網絡設備能耗的影響

隨著在物理層面上無線通信技術快速進步，長期演進技術（Long Term Evolution，LTE）系統不斷接近香農極限，Massive MIMO 的概念應運而生[6]。2010 年，貝爾實驗室提出，通過增加基站設備的天線陣子數量，在基站布置大規模陣列天線使得波束賦型在多個方向上，在空間中相對獨立，當天線數遠遠大于用戶數量時，頻譜利用率和用戶吞吐量都將得到明顯提升。

4G 通信系統中的多天線通常采用無源天線架構，天線的每個端口對應一套中頻、射頻、基帶通道，而用射頻電纜連接垂直方向的各個端口的陣子，終端信號在水平維空間可以通過調整端口間的相對幅度和相位來進行優化，垂直維只能采用統一扇區級預編碼，其空間分辨率受到嚴重限制，不適合即將發展的大規模天線系統。5G 通信的天線系統采用的是有源天線架構，使基站獲得更多的自由度，并對每個天線通道賦予權值，實現信道優化，同時配備了模擬數字轉換器以及相應的基帶處理單元和射頻單元，架構示意如圖2 所示。但是，模擬數字轉換器的大量使用使得5G 通信有源天線設備的能耗顯著增加，計算單個天線設備功耗，模擬數字轉換器模塊的能耗占比超過總體能耗的60%，雖然可以引入更先進芯片可以降低設備的能耗占比，但是隨著中國5G 產業的快速布局，初期建設的設備功耗依然處于較高的水平。

圖2 5G 通信有源天線架構示意圖

1.3 基于ARIMA 預測模型的5G 基站節能方案設計

差分整合移動平均自回歸（Autoregressive Integrated Moving Average model，ARIMA）模型是一種常見的基于時間序列的預測模型[7,8]。該模型根據建模時產生的歷史數據就可以預測未來的數據，模型簡單、操作方便、準確度高，被廣泛應用于民航、電力、水利以及建筑等多種行業[9,10]。為優化已投入使用的5G 基站的節能策略，解決這些基站的經濟性和自我調節能力較低的問題，基于通用的5G 基站無線網絡設備管理流程，結合ARIMA 預測模型預測評估無線網絡資源的使用率，期望在最大限度下達到系統性能和節能效果之間的平衡，獲得最優的節電效果。工作流程如圖3 所示。

圖3 5G 基站節能策略設計工作流程

工作流程如下：一是利用無線網絡管理系統收集5G 站點的各項數據，包括站點名稱、地理位置、網絡資源使用率等，對于需要進一步分析的5G 站點，可根據實際情況獲取這些指標；二是對數據進行處理，通常采用時間窗理論；三是根據已收集到的數據訓練ARIMA 模型，然后對下一段時間的網絡資源使用率進行預測；四是結合無線網絡設備的節能功能設定性能指標；五是通過預測無線網絡設備的負載和性能指標設計節能策略，同時生成并配置相關的節能參數，這些參數主要為節能功能中通道關斷和用戶關斷的時間參數；六是節能策略執行；七是收集節能效果及評估優化。

具體實施過程中，在5G 基站覆蓋下的每個用戶單元，每天都通過這個流程生成該用戶單元下一段時間的節能策略并下發執行，從而實現5G 網絡通信基站的節能策略部署。通過這個自反饋節能策略工作流程不斷更新修正基站節能功能的配置參數，新生成的配置參數與當前網絡的實際情況將會越來越匹配，具備高度的自適應性。收集每一個應用該方案基站的實時數據進行建模優化，可以實現該節能策略優化參數的“個性化”配置。

2 結 論

文章分析了高頻段和Massive MIMO 技術導致5G 基站中的網絡設備能耗顯著增加的原因，闡述了5G 基站的網絡管理系統架構，個性化設計了基于ARIMA 模型預測絡資源使用率，對5G 基站能耗進行預測并提出節能策略，以期望對5G 用戶影響最小的情況下，提高5G 基站節能特性，從而達到減少5G基站能耗的目的，同時通過回歸算法中ARIMA 預測模型節能策略的個性化配置，實現基站節能策略的自適應性。