5G-NR基站軟節(jié)能技術(shù)

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳518057）

據(jù)測(cè)算，5G新空口（NR）技術(shù)基站的功耗是4G長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）基站的2倍甚至更多，這使得NR的運(yùn)營(yíng)成本大幅提升。從中國(guó)電信2018年年報(bào)可知，2018年中國(guó)電信的盈利為212億元，但電費(fèi)開支高達(dá)120億元，電費(fèi)消耗了很大一部分利潤(rùn)。所以，NR基站的節(jié)能是運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)重要考量?jī)?nèi)容。

NR基站功耗高主要是由于其采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO，簡(jiǎn)稱為MM）架構(gòu)。NR每個(gè)天線通道的組成和傳統(tǒng)的LTE通道類似，都含有功放（PA）、收發(fā)信機(jī)（TRX）、數(shù)字預(yù)失真（DPD）、數(shù)字基帶處理。但是，相比傳統(tǒng)的LTE 架構(gòu)，NR MM架構(gòu)每個(gè)通道的PA功率是LTE單通道的10%～15%。PA功耗在每個(gè)通道里的占比相對(duì)較低，但TRX、DPD和數(shù)字處理部分功耗比重急劇提升。業(yè)界主要通過硬節(jié)能和軟節(jié)能達(dá)到降低功耗的目的。

硬節(jié)能是指通過采用更高級(jí)的芯片工藝、更高集成度的功能芯片或更高功放效率以降低功耗。例如，中興通訊具有硬節(jié)能技術(shù)的基帶處理芯片：它采用了Intel 最新的加工工藝；DPD功能由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）改為高集成度芯片來實(shí)現(xiàn)；功放采用最新的氮化鎵（GaN）Doherty結(jié)構(gòu)。這些措施都極大地降低了5G-NR基站功耗，簡(jiǎn)化了硬件架構(gòu)。

軟節(jié)能模式指軟件在滿足一定的無線性能基礎(chǔ)上，根據(jù)小區(qū)負(fù)荷靈活關(guān)斷部分器件或載波以便節(jié)能?，F(xiàn)在采用的技術(shù)通常有針對(duì)單小區(qū)操作的符號(hào)關(guān)斷、時(shí)隙關(guān)斷、通道關(guān)斷、PA調(diào)壓和針對(duì)多小區(qū)操作的載波關(guān)斷、人工智能（AI）節(jié)能技術(shù)。

1 單小區(qū)節(jié)能技術(shù)

1.1 符號(hào)關(guān)斷

NR基站屬于二維度調(diào)度，相對(duì)LTE基站，它更加靈活。調(diào)度信息包含時(shí)域和頻域（如資源塊（RB）、帶寬部分（BWP）、服務(wù)小區(qū)）[1-5]， 即包含調(diào)度符號(hào)數(shù)和RB數(shù)目。傳統(tǒng)的LTE調(diào)度是一維調(diào)度，調(diào)度信息只包含頻域。在該調(diào)度模式下，調(diào)度器可以采用調(diào)度一個(gè)時(shí)隙的部分符號(hào)但是滿帶寬的，這可以替代原來的調(diào)度一個(gè)時(shí)隙的所有符號(hào)但只分配部分RB的策略。在這種策略下，由于剩下符號(hào)沒有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可發(fā)，所以可以被關(guān)斷。

PA功耗分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗在PA開啟后就一直存在，不隨負(fù)荷而變化；動(dòng)態(tài)功耗隨著負(fù)荷增加而增加。符號(hào)關(guān)斷節(jié)能的本質(zhì)是降低PA靜態(tài)功耗。符號(hào)節(jié)能的方法是在集中的符號(hào)上快速傳完數(shù)據(jù)，然后關(guān)斷剩下符號(hào)，這樣節(jié)省了關(guān)斷符號(hào)上的PA靜態(tài)功耗及TRX的靜態(tài)功耗。假設(shè)關(guān)斷了X個(gè)符號(hào)，那么PA和TRX的靜態(tài)功耗可減少X/14。

符號(hào)關(guān)斷的恢復(fù)時(shí)間在微秒級(jí)，關(guān)閉的器件為PA和部分TRX。該功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）沒影響，在任何時(shí)候都可以開啟。

1.2 時(shí)隙關(guān)斷

NR時(shí)隙關(guān)斷主要指業(yè)務(wù)匯聚到某些時(shí)隙，剩下的時(shí)隙不調(diào)度以達(dá)到關(guān)閉器件節(jié)能目的。這些調(diào)度的時(shí)隙上的RB需要超過一定門限。如果沒達(dá)到門限且沒有廣播信道需要調(diào)度，那么調(diào)度器會(huì)暫停下行調(diào)度直到業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）時(shí)延接近事先規(guī)定的最大值，或調(diào)度RB累積需求超過門限，才會(huì)開始調(diào)度。

相對(duì)1.1節(jié)描述的符號(hào)關(guān)斷，時(shí)隙關(guān)斷會(huì)增加業(yè)務(wù)時(shí)延，但是開銷相比符號(hào)關(guān)斷更少。這里的開銷指在基于時(shí)隙的調(diào)度下，一個(gè)slot里面有一個(gè)符號(hào)用于物理下行控制信道（PDCCH），一個(gè)符號(hào)用于解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）。這樣一來，總共有12個(gè)符號(hào)用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。那么，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)占比為12/14，開銷為2/14。在符號(hào)關(guān)斷技術(shù)下，一個(gè)slot里面有一個(gè)符號(hào)用于PDCCH，一個(gè)符號(hào)用于DMRS，N個(gè)符號(hào)用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。那么，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)占比為N/(N+2)，開銷為 2/(N+2)。由于N＜12，所以在傳輸同樣比特?cái)?shù)時(shí)，符號(hào)關(guān)斷技術(shù)帶來的開銷相對(duì)較大。

這里的開銷也指不用于用戶的物理下行共享信道（PDSCH）數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β书_銷。從直觀上來說，這種開銷應(yīng)越少越好。

時(shí)隙關(guān)斷恢復(fù)時(shí)間在微秒級(jí)，關(guān)閉的器件為PA和部分TRX。雖然該功能對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延有一定影響，但調(diào)度器可靈活控制時(shí)隙關(guān)斷時(shí)間，所以對(duì)QoS影響可控。

1.3 通道關(guān)斷

通道關(guān)斷是指小區(qū)在一定負(fù)荷下關(guān)閉部分通道以達(dá)到節(jié)能目的。這里的通道指PA以及與PA對(duì)應(yīng)的TRX和DPD。通道關(guān)斷要求恢復(fù)時(shí)間在秒級(jí)，因此能夠關(guān)閉較多器件，以節(jié)省電能。

通道關(guān)斷可以上下行分別關(guān)斷：下行通道關(guān)斷，5G-NR基站需要考慮廣播、信道狀態(tài)信息（CSI）等的權(quán)值及覆蓋變化；上行關(guān)斷則需要考慮上行業(yè)務(wù)覆蓋變化。運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)要求關(guān)斷前后的覆蓋接近相同，那么則有：

● 5G-NR基站需要在剩余天線上提高SSB/CSI-RS/PDCCH的發(fā)送功率，以保持與關(guān)斷前小區(qū)公共信道的覆蓋相同的覆蓋。

● 由于剩余天線單位RB發(fā)射功率增加，造成可以支持的RB數(shù)目減少，這會(huì)限制RB最大個(gè)數(shù)。

● 從通道關(guān)斷到通道恢復(fù)，已校準(zhǔn)的相位和幅度均有變化，這時(shí)需要觸發(fā)相位校正和幅度校正。

● 如果上行覆蓋有冗余，則上行部分通道可以關(guān)閉。

由于通道關(guān)斷會(huì)影響調(diào)度RB數(shù)目及覆蓋，需要較頻繁觸發(fā)校正，而且以前優(yōu)化的切換參數(shù)可能也會(huì)隨之改變，所以一般用于業(yè)務(wù)比較少的時(shí)段。

1.4 PA調(diào)壓

PA調(diào)壓指調(diào)整PA的偏置電壓。在不同偏置電壓下，功放的靜態(tài)功耗不同。減少靜態(tài)功耗可降低能耗。在保證一定功放線性度及相同輸出功率下，一般功放偏置電壓越低，靜態(tài)功耗越小。當(dāng)PA的偏置電壓設(shè)置成低電壓時(shí)，其最大輸出功率會(huì)變低。這需要5G-NR基站調(diào)度器限制調(diào)度RB個(gè)數(shù)或控制總的基帶輸出功率，以避免功放進(jìn)入飽和區(qū)。PA調(diào)壓適用于小區(qū)負(fù)荷較低場(chǎng)景。圖1是一張典型的功放輸入基帶功率、輸出功率、功放偏置電壓關(guān)系示意圖。功放在低負(fù)荷時(shí)會(huì)使用低偏置電壓的工作區(qū)間，即圖1中的V2曲線。

調(diào)整電源偏置電壓的穩(wěn)定時(shí)間一般為1～400 ms，對(duì)于不同電壓穩(wěn)定時(shí)間，適用場(chǎng)景也不同。如果穩(wěn)定時(shí)間為1 ms， 那么PA調(diào)壓可以實(shí)時(shí)跟蹤業(yè)務(wù)包絡(luò)，節(jié)能效果好，且能滿足QoS，但是電源價(jià)格昂貴；如果穩(wěn)定時(shí)間為400 ms，PA不能夠?qū)崟r(shí)跟蹤業(yè)務(wù)包絡(luò)，雖然達(dá)到節(jié)能效果，但是有時(shí)可能不滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)，比如高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)。

2 多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能技術(shù)

2.1 載波關(guān)斷

移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)過不斷發(fā)展，已擁有多個(gè)頻段的頻譜。中國(guó)移動(dòng)至少擁有1.8 GHz頻段的頻分雙工（FDD）制式的LTE、1.9 G/2.6 GHz頻段的時(shí)分雙工（TDD）制式的LTE、2.6 G/4.9 GHz頻段的NR和900 MHz頻段的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）。由于制式和頻段眾多，網(wǎng)絡(luò)整體功耗很大。為了節(jié)能方便，可以按照下面規(guī)則來標(biāo)定載波（即服務(wù)小區(qū)）的關(guān)閉優(yōu)先級(jí)：

● 每個(gè)制式，具體包括GSM、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）、LTE、NR，可以在制式里分容量層和基礎(chǔ)覆蓋層。在容量層負(fù)荷低時(shí)，可以把業(yè)務(wù)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)覆蓋層。

● 對(duì)于上述4個(gè)制式，又可以分為容量制式和基礎(chǔ)覆蓋制式。例如，NR屬于容量制式，GSM屬于基礎(chǔ)覆蓋制式。

● 在業(yè)務(wù)負(fù)荷較低時(shí)，關(guān)閉順序?yàn)椋合汝P(guān)閉容量制式的容量層，再關(guān)閉基礎(chǔ)覆蓋制式的基礎(chǔ)覆蓋層，圖2描述了載波的關(guān)閉順序。

以NR的NSA方式組網(wǎng)時(shí)，可認(rèn)為其中的NR是容量制式，LTE是基礎(chǔ)覆蓋制式。如果NR業(yè)務(wù)量比較低，則可以智能地關(guān)斷NR，同時(shí)把流量轉(zhuǎn)移到LTE上。一旦LTE業(yè)務(wù)超過門限，再喚醒NR小區(qū)。這樣一來，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗隨著業(yè)務(wù)量變化而變化。載波關(guān)斷恢復(fù)時(shí)間在分鐘級(jí)，關(guān)閉的器件為PA、TRX、DPD芯片（DPDIC）和部分?jǐn)?shù)字基帶。載波關(guān)斷適合跟蹤網(wǎng)絡(luò)流量的慢速變化包絡(luò)。

圖1 不同偏置電壓下功放的輸出功率示意圖

圖2 載波（服務(wù)小區(qū)）的關(guān)閉優(yōu)先級(jí)

2.2 人工智能節(jié)能

人工智能（AI）[6-11]技術(shù)也可以應(yīng)用到基站節(jié)能上。AI可以預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景變化，提前關(guān)斷部分通道或者載波。例如，高鐵通過單個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）時(shí)間只需要1 s，高鐵來車間隔約為3 min。所以，RRU實(shí)際工作時(shí)間占比只有1/(3x60)=0.56%。通過AI可以獲知高鐵到達(dá)時(shí)間，智能關(guān)斷高鐵場(chǎng)景的RRU，在列車到達(dá)前開啟RRU，從而可以降低功耗。

圖3是長(zhǎng)沙大學(xué)校園2個(gè)站點(diǎn)的LTE用戶數(shù)隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)圖。圖3中逸夫樓在23點(diǎn)到凌晨6點(diǎn)間幾乎沒有用戶。類似潮汐現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)里隨處可見。AI可以學(xué)習(xí)每個(gè)小區(qū)業(yè)務(wù)模型，定時(shí)開啟和關(guān)閉對(duì)應(yīng)的NR小區(qū)。關(guān)閉后該場(chǎng)景下用戶可以遷移至LTE或3G網(wǎng)絡(luò)。

AI還可以學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況，偵測(cè)并關(guān)閉冗余覆蓋小區(qū)，或根據(jù)通道關(guān)斷情況優(yōu)化天線權(quán)值以保證覆蓋[12]。圖4是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诎滋旌屯砩系淖兓疽鈭D。晚上中間的小區(qū)由于業(yè)務(wù)少（黑圈標(biāo)注）而被關(guān)閉，其原有的覆蓋由鄰區(qū)改變權(quán)值后提供。圖4的中間小區(qū)可以在適當(dāng)時(shí)候關(guān)閉以節(jié)能。

綜上所述，AI 節(jié)能可以在低負(fù)荷時(shí)調(diào)整權(quán)值，增加重疊覆蓋，關(guān)閉冗余小區(qū)。AI 節(jié)能可以智能地打開或關(guān)閉潮汐小區(qū)，也可以在宏微組網(wǎng)中關(guān)閉特定的小區(qū)。由于無線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，需要考慮的因素很多，人工優(yōu)化特別困難；AI則可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)各時(shí)段特點(diǎn)及對(duì)QoS業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)能相關(guān)參數(shù)，提高節(jié)能效率并滿足一定的無線KPI，大大降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的難度。

3 不同節(jié)能技術(shù)應(yīng)用區(qū)別

在單小區(qū)節(jié)能技術(shù)中，除了符號(hào)關(guān)斷外，其他節(jié)能技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)無線關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）都有一定的影響。符號(hào)關(guān)斷和時(shí)隙關(guān)斷對(duì)業(yè)務(wù)影響忽略不計(jì)，可以常開。如果PA調(diào)壓穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，需要在業(yè)務(wù)負(fù)荷低于一定門限，且不包含時(shí)延敏感業(yè)務(wù)時(shí)才能開啟；如果PA調(diào)壓穩(wěn)定時(shí)間短，跟蹤業(yè)務(wù)包絡(luò)不影響業(yè)務(wù)體驗(yàn)，則可以常開。通道關(guān)斷會(huì)影響小區(qū)覆蓋及切換參數(shù)，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。通道關(guān)斷后，要求小區(qū)用戶較少，業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求較低。

多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能技術(shù)里的載波關(guān)斷由于恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，適用于小區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)荷或用戶數(shù)很低的場(chǎng)景。這時(shí)業(yè)務(wù)和用戶可以負(fù)荷均衡到其他小區(qū)或其他無線制式；而高級(jí)節(jié)能功能里的AI 也是根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)，利用小區(qū)某段時(shí)間負(fù)荷較低或網(wǎng)絡(luò)重疊度高等特性關(guān)閉特定部分小區(qū)。圖5是各個(gè)子節(jié)能功能在不同負(fù)荷開啟時(shí)刻的示意圖。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，單小區(qū)節(jié)能技術(shù)一般用于小區(qū)負(fù)荷低/中/高場(chǎng)景， 而多小區(qū)聯(lián)合節(jié)能一般用于更低負(fù)荷或重疊覆蓋區(qū)比較嚴(yán)重的場(chǎng)景。例如，NR網(wǎng)絡(luò)初期用戶少，大部分小區(qū)可以載波關(guān)斷，其業(yè)務(wù)回落到LTE，當(dāng)LTE業(yè)務(wù)繁忙時(shí)才喚醒NR。

圖3 商用場(chǎng)景潮汐現(xiàn)象

4 結(jié)束語

優(yōu)化5G-NR基站節(jié)能性能時(shí)，軟節(jié)能和硬節(jié)能都需要考慮。將來系統(tǒng)硬件和芯片架構(gòu)可能會(huì)逐漸使用手機(jī)芯片的、以節(jié)能為主要考量點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，并會(huì)考慮軟件節(jié)能和軟硬件的協(xié)同優(yōu)化。在運(yùn)營(yíng)商的推動(dòng)下，基站設(shè)計(jì)理念及架構(gòu)將會(huì)有較大改變。

由于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的制式眾多，節(jié)能參數(shù)變量有時(shí)域、通道域、載波域、無線制式、功放電壓等，每項(xiàng)調(diào)整都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)無線KPI有影響。此時(shí)，人工調(diào)優(yōu)幾乎不可能。這使得將來的軟件會(huì)逐漸采用AI技術(shù)來優(yōu)化這些參數(shù)組合，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)商需求在無線性能和節(jié)能KPI間達(dá)到平衡。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诠?jié)能后的可能變化

圖5 各種軟節(jié)能的應(yīng)用場(chǎng)景

從標(biāo)準(zhǔn)化角度來看，5G-NR基站節(jié)能有望在3GPP的協(xié)議中設(shè)立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[13]。類似于LTE的微站打開/關(guān)閉功能有可能在5G-NR中得到增強(qiáng)。當(dāng)然，協(xié)議規(guī)定的方法和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方法是相輔相成的，它們共同使得5G-NR基站能耗降低[14]。

相信在不遠(yuǎn)的將來，綠色能源也將可以應(yīng)用到基站中，例如，利用太陽能、風(fēng)能就可正常工作，基站將更加“綠色”。