TD-LTE主設備節(jié)能新技術簡介

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

TD-LTE主設備節(jié)能新技術簡介

胡楠

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

如何在節(jié)能減排的大背景下，不斷開拓新思路、運用新技術，在不影響網(wǎng)絡質量的情況下盡可能的提升設備能效是網(wǎng)絡發(fā)展的必由之路，本文重點介紹了應用于TD-LTE主設備的幾種節(jié)能新技術，通過對4G系統(tǒng)架構的分析，從硬件和軟件2個方面著重闡述了新技術的原理及節(jié)能效果。

節(jié)能減排； eNode B； PicoCell； 智能關斷； ICT

1 節(jié)能背景

伴隨著我國經濟結構的轉型，移動通信領域也面臨著空前的發(fā)展機遇。目前，4G網(wǎng)絡已經進入大規(guī)模部署及商用階段，隨著設備基本功能的逐漸完善，提高設備和網(wǎng)絡運行效率，逐漸成為業(yè)內研究的焦點。

一方面，4G主設備單位載頻耗電增長迅速，相比2G/3G設備節(jié)能空間大（如圖1所示），但目前還沒有較成熟的節(jié)電技術，急需成熟的節(jié)電技術以應對能耗的迅速增長。

圖1 4G(LTE)設備節(jié)能空間巨大

另一方面，根據(jù)測算到2015年，2G基站耗電量占比將為61.1%，3G基站耗電量占比為13.9%，而4G基站耗電量占比已增至22.4%，如圖2所示，可見4G設備的能耗占比將會急劇增加。

圖2 不同制式網(wǎng)絡耗電占比

據(jù)悉，3GPP早已開始4G設備節(jié)能相關的工作，并參與和推進4G設備節(jié)能相關技術的研究，這對于4G網(wǎng)絡的低成本部署和運營很關鍵。

2 節(jié)能思路

2.1 4G系統(tǒng)構架

在LTE系統(tǒng)架構中，RAN演進成為E-UTRAN，且只有一個節(jié)點：eNode B（如圖3所示）。

圖3 LTE系統(tǒng)架構

3GPP要求LTE支持的主要特性和性能指標包括支持不同帶寬、增強小區(qū)覆蓋、增強頻率效率等等，而由于eNode B是LTE網(wǎng)絡的核心組成部分，且其運行時的整體功耗指標將根據(jù)用戶業(yè)務量隨時間呈現(xiàn)明顯的波動。

2.2 eNode B組成及能耗分布

在LTE網(wǎng)絡中，eNode B既是基本的組成單元也是重要的網(wǎng)絡節(jié)點，既承載語音及數(shù)據(jù)業(yè)務也同時集成了RNC的部分功能，它主要包括2大部分：BBU硬件架構和RRU硬件架構。

BBU關鍵組件包含基帶處理板、主控傳輸、電源模塊等，目前主流廠商的產品大多支持背板設計，DSP及FPGA基本采用主流廠家的成熟產品，功耗較小，每載頻耗電量20～40 W

（企標為75 W/載頻），所以BBU能效提升空間有限。

RRU關鍵組件包含PA（功放）、濾波器、數(shù)字中頻及電源模塊等，這其中功放為最大的耗能器件，占基站總體能耗的一半左右，故PA系統(tǒng)的能耗下降潛力較大。

那么，eNode B中的能量是如何消耗掉的呢？根據(jù)典型的能量分配比例，則能耗分布如圖4所示。

由于RRU整機能效=空口發(fā)射功率÷RRU輸入功率，那么對于同一硬件平臺而言，在線性工作區(qū)間內，空口發(fā)射功率越大則整機能效越高，相應的輸入功率也就增加，因此，降低空口發(fā)射功率是有效降低功耗的途徑。

此外，隨芯片集成度的提升，DPD/CFR等技術逐漸得到大規(guī)模應用，eNode B的硬件平臺功耗也在不斷降低，后續(xù)ET及GaN等新材料和技術有望進一步得到應用，有望使設備能效進一步提升。

2.3 硬件節(jié)能

之前已經闡述過，eNode B基站耗電的元器件主要包括PA、RF（射頻單元）、數(shù)字中頻及電源模塊等，而通過對不同場景下不同站型的測試結果分析來看，其功耗分布如圖5所示。

對于一般宏基站來說，PA的能耗占整機功耗的比例大約在40%～70%之間且與基站發(fā)射功率和工作狀態(tài)密切相關，其余模塊的功耗占比均較小且相對固定。而對于小型基站或微站而言，BB的能耗所占比例則明顯上升，PA所占功耗比例下降且數(shù)值相對固定，幾乎不隨業(yè)務量變化?？梢?，硬件平臺的性能提升是重點考慮方向。

圖4 射頻系統(tǒng)能耗分布圖

圖5 元器件能耗分布曲線

2.4 軟件節(jié)能

LTE空口能效提升：

（1）目前的下行功率控制未考慮UE地理位置及業(yè)務需要而對功率進行合理限制，存在提升空間；

（2）上行功率控制未考慮網(wǎng)絡資源及干擾的時間和空間的動態(tài)性而進行的靜態(tài)的上行發(fā)射功率補償。

LTE組網(wǎng)能效提升：據(jù)預測未來10年內小基站數(shù)量將為宏基站數(shù)量的5～10倍，宏基站和小微基站合理組網(wǎng)可以更好的吸收話務，但由于小基站的能耗在業(yè)務低谷期占比較大，所以適時的選擇合適的小基站開啟和關閉至關重要。

總之，LTE的節(jié)能思路應側重于在時域、頻域和空域上減少不必要的發(fā)射功率，從而整體上降低設備能耗。

3 TD-LTE節(jié)能新技術

目前已經有一些較為成熟且逐步被推廣并在現(xiàn)網(wǎng)使用的節(jié)能技術，比如智能載頻關斷、MCPA載頻、無機房基站等等，但對于LTE設備而言，由于其網(wǎng)絡正處于高速發(fā)展階段，未來對網(wǎng)絡整體能耗影響會迅速加大，需采取多種綜合措施并加大新設備新技術的引入力度，從而有效控制網(wǎng)絡整體能耗激增的趨勢。

3.1 Picocell（微微小區(qū)）關斷

3．1．1 背景及技術原理

為吸收熱點地區(qū)話務，LTE的網(wǎng)絡部署將會以HetNet形式進行布網(wǎng)，系統(tǒng)內將會存在大量的微微小區(qū)（Picocell），如果這些Picocell一直處于打開狀態(tài)，將會增加大量能耗。因此，選擇合適的Picocell進行打開和關閉，及時響應業(yè)務的需求的變化十分重要。

Macrocell（宏小區(qū)）監(jiān)控其負荷變化，當負荷降低至一定閾值時，Picocell自主關閉或進入休眠態(tài)；當Macrocell負荷升高至一定閾值時，通知Picocell進入探測態(tài)。Picocell在探測態(tài)時可以發(fā)送導頻信號，同時Macrocell通知UE探測Picocell并將探測結果回傳，Macrocell據(jù)此決策將最合適的Picocell打開，無需打開的Picocell則進入休眠態(tài)。

3．1．2 節(jié)能效果分析

在一些話務量有明顯周期波動的區(qū)域開啟此項功能，將會大大減少Picocell無效工作時間，理論測算Picocell功耗可以降低30%以上。而且此方式不會改變現(xiàn)有網(wǎng)絡結構，只根據(jù)網(wǎng)絡負載情況靈活進行調整，所以對網(wǎng)絡影響很小，另外由于此技術只需在軟件側開啟相應功能即可，因此實現(xiàn)成本也較低。

3．1．3 技術成熟度

目前3GPP已經完成Inter-RAT場景下的Picocell熱點關斷測試。

廠商支持程度：目前為R11版本功能（規(guī)模實驗功能版本為R9），預期該功能1～2年左右可以試商用。

3.2 Symbol（符號）關斷

3．2．1 應用場景

TD-LTE單模網(wǎng)絡場景下，在業(yè)務負載不高的情況下，基站在部分符號沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，在不影響控制類符號傳輸和終端接收的情況下，將這些“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”的符號周期關閉功放，從而降低系統(tǒng)功耗，以達到節(jié)約能耗的目的。

3．2．2 方案流程

小區(qū)在一個子幀中，eNode B會動態(tài)檢測哪些Symbol沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，RRU在這些“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”的Symbol周期內將射頻通道和功放關閉，從而達到減少功耗和降低鄰區(qū)干擾的目的，如圖6所示。

圖6 符號關斷示意圖

當然，不是所有符號都可以進行上面的關斷操作，比如子幀0的主輔同步信號、PBCH所在的Symbol不能關斷（共4個），每個子幀的第1個Symbol包含PCFICH信息，同樣不能關閉，另外，每個子幀內的小區(qū)參考信號所在的Symbol也不能關閉，其余業(yè)務信道占用的Symbol則可根據(jù)業(yè)務負荷情況開關。

3．2．3 節(jié)能效果分析

節(jié)能效果：按平均每時隙可關斷5個Symbol計算，下行可節(jié)約31%×5÷7=22%的發(fā)射功率。單純從發(fā)射時間角度來看，由于CRS不能關，節(jié)能效果差于子幀級關斷；但從全天話務變化來看，該方案可關斷的概率高于子幀級關斷，因此總體節(jié)能效果應更好。

對網(wǎng)絡質量影響：干擾降低，無負面影響 。

技術應用成本：較高，需要調度算法和硬件平臺改造或升級 。

3．2．4 技術成熟度

技術研究階段：可行性評估/方案制定已基本完成，待仿真評估。

廠商支持程度：國內一線主流廠家的設備基本具備支持條件，只需在軟件側開啟相應功能即可實現(xiàn)。

3.3 通道智能關斷

3．3．1 背景及技術原理

與載頻智能關斷類似，通道智能關斷是指當某小區(qū)沒有UE或是負載很輕時，允許關閉本小區(qū)的部分發(fā)射通道，以節(jié)省能耗。由于該功能是在用戶數(shù)較少的情況下關閉部分通道，為了保證控制信道覆蓋和業(yè)務不受影響，系統(tǒng)會自動調整小區(qū)用戶的傳輸模式并提升控制信道的發(fā)射功率。當檢查到業(yè)務負載增加后，退出智能關斷模式，恢復原有的通道發(fā)射狀態(tài)。

由于通道智能關斷是關閉小區(qū)的部分發(fā)射通道，因此只有在小區(qū)配置為多通道發(fā)射的場景下（發(fā)射天線數(shù)為2和8），本特性才起作用。原理示意圖如圖7所示。

圖7 通道智能關斷示意圖

3．3．2 運行過程分析

對于通道智能關斷功能來說，就是當小區(qū)沒有用戶或者業(yè)務量比較低時，關閉某些發(fā)射通道，同時，為了保證控制信道覆蓋和業(yè)務不受影響，需要調整小區(qū)用戶的傳輸模式并提升控制信道的發(fā)射功率3 dB。

為了防止用戶頻繁接入、退出小區(qū)導致小區(qū)頻繁進出通道智能關斷，小區(qū)在智能關斷特性生效時間段之內退出后，會延遲半小時再檢查是否具備再次進入通道智能關斷的條件，判決是否進入通道智能關斷，方案流程如下：

（1） 識別通道關斷時間段；

（2） BBU進行通道關斷決策；

（3） 如BBU的決策結果為準備進行通道關斷，則給RRU發(fā)送通道關斷激活指示，用來通知RRU進行通道關斷；

（4） RRU發(fā)送通斷關斷激活響應消息；

（5） 設定時間點到，結束通道智能關斷。

3．3．3 節(jié)能效果分析

假設：典型的忙時負荷8 h，中等負荷10 h，閑時負荷6 h。若忙時RRU功耗為250 W（不采用通道關斷），采用通道關斷時RRU功耗150 W，則對8通道RRU，關閉4個通道，關斷時可以節(jié)約40%（100/250）的能耗，全天可以節(jié)約7.5%左右的RRU能耗。

3．3．4 技術成熟度

技術研究階段：待進一步仿真進行效果評估。

廠商支持程度：華為、中興、大唐等國內主流廠商已支持或近期支持。

4 結束語

在運營商網(wǎng)絡整體能耗的不斷攀升的背景下，應大力推動4G主設備廠商提升設備自身的節(jié)能效率，并積極在全國范圍內進行推廣，通過精細化及系統(tǒng)化的分級節(jié)能管理措施，運用智能云計算等多種方式，進一步推動現(xiàn)有網(wǎng)絡的縱深融合，完成從“Always on”到“Always available”的轉型。

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SpeedyCloud迅達云成與GitCafe結成長期戰(zhàn)略合作伙伴關系

SpeedyCloud迅達云成創(chuàng)始人兼COO于浩說：“迅達云成自創(chuàng)立之初，就以支持國內開源項目和開源社區(qū)為己任，現(xiàn)在的云平臺，也借助了很多開源項目，我們也是開源的受益者。因此，我們積極贊助、參與了PyCon China、Perl China、RubyConf China等開源社區(qū)的大會，51CTO的云計算架構師峰會、InfoQ的QCon全球技術大會，我們也是主要贊助商，也有同事作為講師參與演講。這次能夠與GitCafe合作，我們感到非常高興。不僅能更多地為國內開源技術貢獻力量，同時，與GitCafe一起，我們還將推進國內的IT教育，讓更多在校學生了解開源項目，了解云計算，為他們的未來發(fā)展開拓更廣闊的天地。”

GitCafe 創(chuàng)始人兼CEO姚欣宇說：“GitCafe是一個社會化的代碼托管、技術寫作和分享服務平臺，它更是一個由眾多想要協(xié)作創(chuàng)造些很酷的項目的黑客與創(chuàng)客們組成的社區(qū)。我們的最終目標，是致力于利用前沿技術與思想改善教育環(huán)境的企業(yè)，所有產品最終的目的都是為了教育。同迅達云成的合作，將讓我們?yōu)榇髮W生們提供國際頂尖的學習環(huán)境、培育大學生從校園銜接到IT行業(yè)的就業(yè)能力，與世界最領先的技術接軌?！?/p>

接下來，SpeedyCloud迅達云成將會合作參與GitCafe在教育領域展開的各項活動，提供云主機、云平臺方面的產品和技術支持。未來，迅達云成和GitCafe還將公布更多合作機會和可能。

Introduction on new energy saving technology Of TD-LTE main equipment

HU Nan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In the context of energy-saving emission reduction, and constantly open up new ideas, the use of new technology, improve equipment energy eff ciency without affecting the quality of network conditions, is the route one must take the network development. This paper introduces several new energy saving technology is applied to the TD-LTE main equipment, through the analysis of 4G system architecture, emphatically expounds the technology principle and energy-saving effect from two aspects of hardware and software.

energy saving and emission reduction; eNode B; pico; intelligent shutdown; ICT

TN915

A

1008-5599（2014）07-0086－05

2014-04-19