5G基站節(jié)能技術(shù)研究

呂 婷，張 猛，曹 亙，張 濤，李福昌（.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 00048；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

1 概述

5G時(shí)代，不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)以及海量的設(shè)備連接將推動(dòng)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長，預(yù)計(jì)到2020年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將增長至2010 年的200 倍，中國的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增速高于全球平均水平，預(yù)計(jì)將增長300倍以上。為了應(yīng)對(duì)未來業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流量的迅猛增長，5G 網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入快速發(fā)展階段，而海量數(shù)據(jù)引發(fā)的能耗也必將成倍增長，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題將進(jìn)一步加劇，通信行業(yè)將成為一個(gè)高能耗行業(yè)。預(yù)計(jì)到2025 年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力，電費(fèi)將成為運(yùn)營商最高的OPEX 支出，至少占總運(yùn)營成本的15%。在世界范圍內(nèi)綠色低碳發(fā)展的大背景下，節(jié)能降耗、提升網(wǎng)絡(luò)能效是未來移動(dòng)通信行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

在無線網(wǎng)絡(luò)的能耗構(gòu)成中，基站設(shè)備的能耗占比最高，基站節(jié)能是無線網(wǎng)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)。從4G發(fā)展到5G，移動(dòng)通信技術(shù)與產(chǎn)品都發(fā)生了變革，5G 無線網(wǎng)絡(luò)支持更高速率、更低時(shí)延、更大連接密度，以應(yīng)對(duì)5G數(shù)字化生態(tài)給網(wǎng)絡(luò)帶來的新挑戰(zhàn)。與4G 相比，5G 基站支持更大帶寬、更多通道數(shù)、更復(fù)雜的空口協(xié)議，硬件處理能力相應(yīng)提高，設(shè)備架構(gòu)及功能更為復(fù)雜，功耗也大幅增加，5G基站節(jié)能面臨更大的挑戰(zhàn)。

2 5G基站形態(tài)及能耗

2.1 5G基站設(shè)備形態(tài)

5G 基站負(fù)責(zé)提供與UE、核心網(wǎng)之間的通信，按功能可分為高層基帶協(xié)議處理單元、底層基帶協(xié)議處理單元及射頻單元這3 個(gè)功能模塊。如圖1 所示，高層基帶協(xié)議處理單元與底層協(xié)議處理單元共同完成NR協(xié)議棧功能，二者之間的功能切分存在多種可選方案，目前主要采用切分點(diǎn)位于PDCP-RLC 之間的方案，即高層基帶協(xié)議處理單元負(fù)責(zé)RRC/SDAP/PDCP層協(xié)議處理，并提供與核心網(wǎng)之間的回傳接口；底層基帶協(xié)議處理單元完成RLC/MAC/PHY 協(xié)議功能，并提供與射頻單元之間的前傳接口。5G 射頻單元主要完成基帶信號(hào)與射頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換等射頻處理功能，在支持eCPRI接口的情況下，還需要完成部分基帶物理層功能。

圖1 5G基站設(shè)備形態(tài)

為了支持靈活組網(wǎng)，適配不同的部署場(chǎng)景，5G 基站存在多種物理形態(tài)，包括CU、DU、BBU、AAU、RRU或一體化基站等。其中，CU 實(shí)現(xiàn)高層基帶協(xié)議功能，DU 實(shí)現(xiàn)底層基帶協(xié)議功能，BBU 完成全部基帶協(xié)議功能，AAU/RRU 負(fù)責(zé)射頻處理等功能，一體化基站則集成了全部基帶及射頻處理功能。

在設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)，CU 設(shè)備基于通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，集成了運(yùn)算單元、交換單元及硬件加速卡，可支持軟、硬件解耦及虛擬化技術(shù)。CU 設(shè)備的容量可基于部署需求靈活配置，不同規(guī)格的CU 在重量、體積、功耗等方面均有差異。一般一個(gè)CU 設(shè)備可管理幾十到幾百個(gè)DU，設(shè)備體積、功耗遠(yuǎn)高于基于專用硬件的BBU 設(shè)備。

DU 與BBU 可共硬件平臺(tái)，也可以是同一個(gè)物理設(shè)備，但二者支持的軟件功能存在差別，通過修改軟件的方式可將DU 轉(zhuǎn)化為BBU 或?qū)BU 轉(zhuǎn)化為DU。在物理形態(tài)上，DU/BBU 存在一體化板卡、插槽式機(jī)框這2 種典型的架構(gòu)，前者將所有的基帶處理功能及接口都集成在單個(gè)板卡上，硬件集成度及可靠性較高、功耗較低；后者支持插入基帶板、主控板、接口板等不同類型的板卡，支持板卡間自由組合、便于靈活擴(kuò)容。

AAU 設(shè)備內(nèi)部將射頻單元與天線單元集成在一起，構(gòu)成有源天線陣列，支持Massive MIMO 技術(shù)。為了降低前傳帶寬需求，AAU 支持eCPRI 接口，將FFT/IFFT、信道均衡等部分底層基帶功能上移到AAU，使AAU 的功能更為復(fù)雜。AAU 設(shè)備存在多種不同規(guī)格，支持64T64R、32T32R、16T16R 等不同通道數(shù)。64T64R AAU 設(shè)備容量最高，可部署在密集城區(qū)的數(shù)據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域，32T32R、16T16R AAU 設(shè)備可基于實(shí)際業(yè)務(wù)容量需求部署在密集城區(qū)、一般城區(qū)等典型覆蓋場(chǎng)景。此外，在地鐵、隧道、高鐵等特殊覆蓋場(chǎng)景，還需要采用8T8R、4T4R 等較少通道數(shù)的RRU 設(shè)備，RRU設(shè)備無內(nèi)置天線單元，不支持Massive MIMO 技術(shù)，覆蓋能力有限，但可以通過外接天線擴(kuò)大覆蓋范圍，適用于容量需求不高的場(chǎng)景。

一體化基站集成度最高，但設(shè)備容量、覆蓋范圍有限，主要為微基站形態(tài)，用于局部區(qū)域補(bǔ)盲、補(bǔ)熱等特殊場(chǎng)景。

2.2 5G基站能耗分析

為了滿足超高速率、超低時(shí)延、超高連接數(shù)密度的業(yè)務(wù)需求，5G引入了NR新空口技術(shù)，對(duì)基站設(shè)備的硬件能力提出了更高的要求，也促使5G基站設(shè)備的功耗顯著提升。

從能耗構(gòu)成角度分析，5G 基站的能耗主要來自CU、DU/ BBU、AAU 各類設(shè)備的功耗。對(duì)于CU 設(shè)備，由于采用通用硬件平臺(tái)，硬件資源基于容量需求靈活配置，設(shè)備功耗與硬件配置規(guī)格相關(guān)，功耗范圍在幾百瓦到幾千瓦之間，給站點(diǎn)機(jī)房供電能力帶來了挑戰(zhàn)。對(duì)于BBU-AAU 架構(gòu)的基站，AAU 設(shè)備的功耗遠(yuǎn)高于BBU，單站超過80%的能耗來自AAU，因此，提高AAU的能效水平可有效降低基站總能耗。

5G BBU的功耗主要來自基帶板、主控板等板卡內(nèi)部的處理器、ASIC、FPGA 等芯片的功耗，以及電源、風(fēng)扇模塊的熱耗。與4G 相比，由于NR 協(xié)議實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜，要求支持更高速率、更低時(shí)延，驅(qū)使板卡內(nèi)部采用更高運(yùn)算及存儲(chǔ)規(guī)格、更大數(shù)量的芯片，BBU 整機(jī)功耗也相應(yīng)增加。

5G AAU 的功耗主要來自功放、數(shù)字基帶、收發(fā)信板等關(guān)鍵器件，這幾部分功耗占AAU 總功耗的70%以上，是影響AAU 能耗水平的主要因素，此外也包含時(shí)鐘、電源、濾波器等其他模塊的熱耗。

5G AAU 在硬件架構(gòu)方面與4G RRU 有很大差別，AAU 內(nèi)部集成了天線陣列，支持更大帶寬、更多通道以及部分基帶處理功能，架構(gòu)與功能更加復(fù)雜，使得AAU的功耗較4G大幅上升。

a）5G AAU 在sub 6 GHz 頻段支持100 MHz 載波帶寬，毫米波頻段支持400～800 MHz帶寬，載波帶寬越大，對(duì)基帶及數(shù)字中頻芯片的性能要求就越高，功耗也隨之增加。

b）為了支持Massive MIMO 技術(shù)，5G AAU 的通道數(shù)成倍增加，而業(yè)界目前支持多通道的數(shù)字中頻器件還不成熟，單芯片支持的通道數(shù)有限，使得AAU 集成度不足、功耗較高。

c）在支持多通道的情況下，5G AAU 設(shè)備單通道發(fā)射功率較小。以64T64R AAU 設(shè)備為例，在200 W總發(fā)射功率下，AAU 單通道功率為3.125 W。由于小功率功放的效率較低，導(dǎo)致AAU 整體能效水平并不高。

由于設(shè)備高性能要求以及芯片技術(shù)的成熟度等因素，導(dǎo)致目前5G AAU 的能耗依然很高，成為單站能耗的重頭。未來隨著芯片產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，AAU 設(shè)備的能耗存在一定的下降空間。

從功耗特征角度分析，在不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，5G BBU 與AAU 的功耗呈現(xiàn)不同的特征。其中，BBU 的功耗與業(yè)務(wù)負(fù)荷關(guān)系不大，只與硬件板卡的配置相關(guān)，無論是空載還是滿載，BBU 的功耗均相差不大。AAU的功耗包含靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗2 個(gè)部分，如圖2 所示，其中，靜態(tài)功耗取決于設(shè)備的硬件性能，與業(yè)務(wù)負(fù)荷無關(guān)，動(dòng)態(tài)功耗則隨業(yè)務(wù)負(fù)荷波動(dòng)而變化，業(yè)務(wù)負(fù)荷越高，功耗越大。

3 5G基站節(jié)能技術(shù)

圖2 AAU功耗特征

5G基站設(shè)備的節(jié)能可通過硬件技術(shù)與軟件技術(shù)2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。硬件節(jié)能可提高基站設(shè)備的能效水平，軟件節(jié)能結(jié)合業(yè)務(wù)分布特征合理配置基站硬件資源，降低設(shè)備動(dòng)態(tài)功耗。此外，通過合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化，降低站址數(shù)量、提高設(shè)備利用率，也可以降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。

3.1 硬件節(jié)能技術(shù)

基站硬件性能的提升是降低基站能耗的基礎(chǔ)，隨著5G芯片產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，基站關(guān)鍵器件的集成度與性能將不斷提高，為硬件節(jié)能奠定了基礎(chǔ)。硬件節(jié)能技術(shù)主要基于設(shè)備硬件架構(gòu)、工藝、集成度的演進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，可以從根本上降低BBU 與AAU 的功耗，提高設(shè)備的能效水平。硬件節(jié)能技術(shù)主要包括以下幾方面。

a）優(yōu)化硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，提高硬件能效水平。隨著5G 協(xié)議與功能的成熟，盡快采用ASIC 專用芯片替代FPGA 等高功耗器件，提高硬件平臺(tái)的性能與集成度，降低設(shè)備基礎(chǔ)功率。

b）加快半導(dǎo)體工藝演進(jìn)，提高硬件集成度。目前，基站設(shè)備一般采用28 或14 nm 技術(shù)，演進(jìn)到下一代硬件平臺(tái)后將采用10 或7 nm 技術(shù)，芯片工藝的進(jìn)步會(huì)帶來顯著的功耗下降。

c）引入新材料、新技術(shù)，提高功放效率。比如，通過采用GaN、Doherty、漏壓調(diào)節(jié)等新技術(shù)或更先進(jìn)的封裝工藝等手段，持續(xù)優(yōu)化PA 設(shè)計(jì)，提高設(shè)備功率利用率。

3.2 軟件節(jié)能技術(shù)

無線網(wǎng)業(yè)務(wù)存在明顯的潮汐效應(yīng)，在時(shí)間、空間上均呈現(xiàn)出忙閑不均的特征，為軟件節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。軟件節(jié)能技術(shù)并不能降低基站的靜態(tài)功耗，但是可以結(jié)合業(yè)務(wù)的分布特征，在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)關(guān)斷部分硬件資源，適時(shí)降低AAU 的動(dòng)態(tài)功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

軟件節(jié)能技術(shù)包含符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、小區(qū)關(guān)斷等多種軟件特性，如圖3所示。

符號(hào)關(guān)斷特性通過功放的不連續(xù)發(fā)射來降低AAU 功耗。當(dāng)AAU 檢測(cè)到部分下行符號(hào)發(fā)送時(shí)刻沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)關(guān)閉功放，在有數(shù)據(jù)調(diào)度的符號(hào)周期內(nèi)，功放立即進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能沒有影響。符號(hào)關(guān)斷的比例與基站調(diào)度方式相關(guān)，為了提高節(jié)能效果，可通過對(duì)調(diào)度算法的優(yōu)化，將用戶數(shù)據(jù)集中在特定符號(hào)內(nèi)調(diào)度傳輸，增加空閑符號(hào)的比例，進(jìn)而增強(qiáng)符號(hào)關(guān)斷的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)智能化符號(hào)關(guān)斷。

通道關(guān)斷特性適用于多通道AAU 設(shè)備，基于業(yè)務(wù)量的變化，適時(shí)休眠部分射頻通道，達(dá)到節(jié)能的效果。當(dāng)基站業(yè)務(wù)量增加時(shí)，打開已關(guān)閉的通道，恢復(fù)多通道發(fā)射狀態(tài)。通道關(guān)斷后，由于AAU 射頻通道數(shù)減少、發(fā)射功率降低，基站的覆蓋能力將受到影響。為了保障網(wǎng)絡(luò)性能，通道關(guān)閉時(shí)需要提高控制信道的發(fā)射功率，同時(shí)保持上行接收通道處于開啟狀態(tài)，避免影響終端的接入。

小區(qū)關(guān)斷特性主要用于同一區(qū)域存在多層網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)景，即基礎(chǔ)覆蓋層與容量層。通過判斷小區(qū)的覆蓋情況和容量狀態(tài)，識(shí)別出容量層低業(yè)務(wù)小區(qū)，并對(duì)該小區(qū)進(jìn)行關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在容量層小區(qū)關(guān)斷前，還需要將用戶遷移至覆蓋層小區(qū)并建立網(wǎng)絡(luò)連接，避免影響覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)接續(xù)。小區(qū)關(guān)斷典型的應(yīng)用場(chǎng)景是LTE 基站提供基礎(chǔ)覆蓋、5G基站補(bǔ)熱的場(chǎng)景，在5G 業(yè)務(wù)負(fù)荷較低的情況下，關(guān)斷5G 小區(qū)、保留LTE 小區(qū)，可以降低覆蓋區(qū)域內(nèi)的總功耗，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級(jí)的節(jié)能。

3.3 基于AI的智能節(jié)能技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)，5G 時(shí)代將出現(xiàn)多制式網(wǎng)絡(luò)共存的情況，云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也在逐步發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度不斷增加，如何通過多制式網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同實(shí)現(xiàn)區(qū)域級(jí)的能耗最優(yōu)化成為網(wǎng)絡(luò)節(jié)能面臨的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的軟件節(jié)能技術(shù)中，關(guān)斷特性由基站根據(jù)業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)觸發(fā)，關(guān)斷時(shí)間、關(guān)斷門限等參數(shù)需要由人工進(jìn)行設(shè)置，難以在保證用戶業(yè)務(wù)性能的前提下實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能，節(jié)能效果有限，關(guān)斷特性在全網(wǎng)的使用率并不高。

隨著人工智能技術(shù)（AI）的發(fā)展，基于AI的智能化節(jié)能成為了未來新的技術(shù)發(fā)展方向。利用AI 技術(shù)可以對(duì)現(xiàn)網(wǎng)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、建立業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)及參數(shù)訓(xùn)練，同時(shí)，通過AI 算法可自動(dòng)識(shí)別節(jié)能小區(qū)、選擇節(jié)能策略，提高節(jié)能觸發(fā)的靈活性，為軟件節(jié)能特性的廣泛應(yīng)用提供了可能。

基于AI 的智能化節(jié)能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

a）不同制式、不同頻段的基站設(shè)備通過網(wǎng)管接口向網(wǎng)管平臺(tái)上報(bào)KPI、MR等各類業(yè)務(wù)性能數(shù)據(jù)。

b）AI平臺(tái)從網(wǎng)管平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取業(yè)務(wù)性能數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果識(shí)別節(jié)能基站、生成節(jié)能策略。

c）AI平臺(tái)將節(jié)能策略下發(fā)給節(jié)能基站，觸發(fā)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)。

d）隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷的變化，AI平臺(tái)實(shí)時(shí)評(píng)估節(jié)能效果及網(wǎng)絡(luò)性能，并調(diào)整優(yōu)化節(jié)能策略，提升節(jié)能效果。

3.4 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用策略

圖3 軟件節(jié)能方案

圖4 基于AI的智能節(jié)能技術(shù)

硬件節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能降耗的基礎(chǔ)，其優(yōu)勢(shì)在于節(jié)能效果比較明顯，可同時(shí)降低BBU與AAU的能耗，從根本上改善基站的能效水平。但是，硬件節(jié)能的實(shí)現(xiàn)依賴于基站硬件架構(gòu)的演進(jìn)，同時(shí)也依賴于5G 關(guān)鍵器件的成熟度，因此，硬件節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用需要一定的時(shí)間周期。隨著5G產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，基站硬件平臺(tái)的迭代優(yōu)化，硬件節(jié)能的效果會(huì)逐步體現(xiàn)出來。

軟件節(jié)能技術(shù)主要用于降低AAU 的動(dòng)態(tài)功耗，對(duì)BBU 功耗影響不大。而且，軟件節(jié)能的效果與業(yè)務(wù)負(fù)荷相關(guān)，一般基站負(fù)荷越低，節(jié)能效果越好。另外，節(jié)能效果也與節(jié)能參數(shù)的設(shè)置相關(guān)，關(guān)斷門限設(shè)置越低、節(jié)能特性生效的時(shí)間越長，節(jié)能增益越明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可基于不同的節(jié)能場(chǎng)景，配置多組不同的參數(shù)，滿足差異化的節(jié)能需求。

在5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不同階段，需要結(jié)合5G 業(yè)務(wù)以及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展情況分階段部署相應(yīng)的基站節(jié)能技術(shù)。在5G 商用初期，用戶規(guī)模較小，5G 網(wǎng)絡(luò)處于輕載或空載狀態(tài)，在4G 網(wǎng)絡(luò)提供打底覆蓋的基礎(chǔ)上，開啟5G 小區(qū)關(guān)斷特性可顯著降低5G 網(wǎng)絡(luò)的能耗。隨著5G 業(yè)務(wù)模式成熟以及用戶滲透率的增加，5G 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)荷將逐步增大，單純基于小區(qū)關(guān)斷的方案難以同時(shí)滿足業(yè)務(wù)性能與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的需求，需要結(jié)合5G業(yè)務(wù)特征，使用符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷等節(jié)能特性，同時(shí)結(jié)合AI 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能，提高軟件節(jié)能效果。此外，硬件節(jié)能作為提高基站設(shè)備能效水平的基礎(chǔ)手段，需要始終貫穿于5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的各個(gè)階段。

4 結(jié)束語

5G 網(wǎng)絡(luò)商用在即，在經(jīng)歷了原型設(shè)備、實(shí)驗(yàn)網(wǎng)設(shè)備到商用設(shè)備的發(fā)展過程之后，5G 基站設(shè)備的架構(gòu)與形態(tài)已逐步確定，目前已具備商用部署條件。但是，受限于硬件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)程，目前5G基站設(shè)備的功耗依然居高不下，大幅增加的能耗給運(yùn)營商帶來了節(jié)能減排、降本增效的挑戰(zhàn)，基站節(jié)能勢(shì)在必行。

5G 基站的節(jié)能可以從硬件與軟件2 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，一方面可通過硬件架構(gòu)的演進(jìn)、新技術(shù)與新材料的引入、芯片集成度的提高等方式來改善基站設(shè)備的能效水平，另一方面可通過部署符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、小區(qū)關(guān)斷等軟件節(jié)能特性以降低AAU 的閑時(shí)能耗。由于軟件節(jié)能技術(shù)在降低基站能耗的同時(shí)，還有可能影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋或容量性能，未來還需要對(duì)軟件節(jié)能特性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與增強(qiáng)，通過智能調(diào)度、網(wǎng)間協(xié)作等方式保障用戶的業(yè)務(wù)性能。另外，作為新的技術(shù)發(fā)展方向，基于AI 的節(jié)能技術(shù)還需要深入研究，探討如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能算法實(shí)現(xiàn)更加智能化的節(jié)能技術(shù)。