基于5G通信技術(shù)的無線網(wǎng)絡節(jié)能降耗技術(shù)研究

張蜀晉

（山西信息規(guī)劃設計院有限公司，山西 太原 030001）

如今，無線通信的快速發(fā)展，移動終端用戶的大幅度增加，在為5G技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展注入動力的同時，也使得設備、基站的能耗問題成為制約技術(shù)推廣的重要因素[1]。由于網(wǎng)絡通道的架設需要復雜的設備進行支持，因此5G網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設需要的功耗極高，超過4G基站的2-3倍，當前，5G通信網(wǎng)絡的全方位建設應將能耗控制作為重點，根據(jù)設備級、站點級、網(wǎng)絡級領域節(jié)能技術(shù)的研究成果與應用優(yōu)勢分析，對無線網(wǎng)絡新技術(shù)、新材料與新工藝的應用與推廣進行深入探析，為新時期無線通信領域應用技術(shù)的優(yōu)化改革提供助力。

1 設備級5G網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應用方向

1.1 設備高能耗的原因

5G設備使用能耗過高的影響因素較為復雜，包括網(wǎng)絡運維 通道的增加（從原有的8道擴增為64/32道）、流量規(guī)模的提高（從2流增加到16流及以上）、設備發(fā)射功率的提升（由100 W提升到200 W及以上）。多方面因素疊加，導致5G網(wǎng)絡在額定滿載狀態(tài)下，功耗超過4G的2-4倍，對于網(wǎng)絡全覆蓋戰(zhàn)略的實行有著局限影響。目前，5G基站的主要能耗應用分為AAU、BBU兩個環(huán)節(jié)，其中AAU運行功耗占據(jù)總功耗90%左右，按照不同功能模塊劃分，包括設備功放、電源功耗、小信號以及數(shù)字中頻四部分。

1.2 節(jié)能技術(shù)具體應用

（1）降低基礎能耗。設備功耗會根據(jù)業(yè)務負載狀態(tài)的不同出現(xiàn)動態(tài)變化，AAU四個功能模塊消耗的電量比例隨之轉(zhuǎn)變。通常情況下，當無線網(wǎng)絡處于滿載運維狀態(tài)時，功放的實際功耗率最高，大約占據(jù)總能耗58%左右；空載狀態(tài)下，數(shù)字中頻實際能源消耗比例可以達到46%。因此，當前設備級AAU節(jié)能研究主要集中在功放效率的控制及降低基礎數(shù)字中頻模塊的空載消耗。

（2）基于BBU集中化系統(tǒng)對機房能耗進行控制。BBU作為設備集中化管理系統(tǒng)，可以通過對機房部分設備的共享，降低設備能耗。設備共享主要應用范圍包括：主設備、散熱設備、配電設備等。在5G網(wǎng)絡大范圍鋪設工程中，優(yōu)化創(chuàng)新集中化設備管理模式，成為相關(guān)建設與運維單位深化節(jié)能技術(shù)研究的重要方向。

（3）促進設備升級。在設備升級方面，采用雙頻4T4R規(guī)劃方案，能夠有效降低電量消耗，節(jié)能效果較為顯著?；陔p頻4T4R技術(shù)應用，可以針對性地降低OPEX，借助4G用戶體驗感知的深入研究，提供了更便捷、高效的5G服務，在流量高峰區(qū)域采用雙頻4T4R進行系統(tǒng)擴容，進一步提升了用戶感知服務體驗，對于爭取5G用戶有著支持作用。與此同時，在NSA組網(wǎng)狀態(tài)下，作為5G網(wǎng)絡服務的延伸，4T4R能夠有效地補充5G網(wǎng)絡高頻覆蓋的空白部分。

（4）積極引進新工藝與技術(shù)。在5G系統(tǒng)建設節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新研究方面，相關(guān)技術(shù)、管理 人員還應逐步加強新技術(shù)、新材料與新工藝的引進，推進設備層面能耗控制技術(shù)的廣泛性、多元化應用。首先，在芯片的制作方面，可以采用7 nm新型工藝，對通信芯片進行升級，促進網(wǎng)絡級架構(gòu)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的深入研究；其次，由于基站AAU載頻功耗在整體能耗中占據(jù)較高的比例，因此，在功放模塊設計時，可以采用氮化鎵材料代替原有的設備材料，在保證功放效率的同時，實現(xiàn)節(jié)能效果；第三，AAU設備散熱結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)，應盡量選擇高導熱材料，合理運用散熱齒仿生學理念、液冷散熱理念等，進行技術(shù)創(chuàng)新。

2 站點級5G網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應用方向

站點級功耗控制技術(shù)主要是結(jié)合網(wǎng)絡不同階段的實際負荷狀態(tài)、運維需 求等，將部分功能關(guān)閉，實現(xiàn)節(jié)能減耗的控制目標。需要注意，網(wǎng)絡功能的關(guān)閉控制是以不影響用戶業(yè)務服務質(zhì)量為前提的，按照關(guān)斷形式不同，包括亞幀關(guān)斷、通道關(guān)斷、深度休眠三種形式[2]。

（1）亞幀關(guān)斷控制。無線網(wǎng)絡的流量在高峰、低谷時的分布不均衡，科學、合理調(diào)配高峰與低谷時段的站點設備、滿足用戶差異化通信需求，是節(jié)能技術(shù)研究的重點。近幾年，站點級能耗控制技術(shù)的發(fā)展方向是通過話務負荷狀態(tài)變化的研究，對配套設備資源進行調(diào)控。在基站網(wǎng)絡運維設備中，占據(jù)最高能耗比例的是功率放大設備，即使沒有信號需要輸出，也會產(chǎn)生靜態(tài)運維能耗。針對該種情況，可以采用亞幀關(guān)斷控制技術(shù)，即當下行亞幀沒有數(shù)據(jù)進行發(fā)送時，會關(guān)閉射頻硬件，避免產(chǎn)生靜態(tài)能耗；當檢測到傳輸數(shù)據(jù)時，再進行開啟。由于關(guān)斷、重啟控制的時間顆粒度檢測數(shù)值屬于微秒級別，亞幀關(guān)啟操作對網(wǎng)絡服務性能的影響極低，但可以降低10%左右的電力損耗，應用前景較為廣闊。

（2）通道關(guān)斷控制。5G網(wǎng)絡技術(shù)突破的主要方向是信號通道建設的擴增，網(wǎng)絡通道的增加，系統(tǒng)流量承載能力的提高，也會導致數(shù)字中頻、小信號模塊能耗的大幅度增加，基帶數(shù)據(jù)計算量更多。通過通道關(guān)斷對運維能耗進行控制時，需要結(jié)合網(wǎng)絡通信流量的狀態(tài)進行，當5G網(wǎng)絡處于空載、輕載狀態(tài)時，容量需求相對較低，基站可以選擇關(guān)閉部分通道，在檢測流量增加時，重新啟動。由于通道開關(guān)時間顆粒度屬于秒級，對用戶體 驗影響也相對較小。需要注意，關(guān)閉部分射頻通道將會導致陣列與賦形增益的部分損失，盡管利用功率控制手段能夠適當彌補，但上行與下行信道的實際容量會受到一定的影響。據(jù)實驗檢測證明，5G網(wǎng)絡輕載或空載時，關(guān)閉通道可以降低整體能耗的15%左右。

（3）深度休眠。當網(wǎng)絡運維狀態(tài)監(jiān)測顯示系統(tǒng)負荷情況不高時，可以選擇4G鄰區(qū)承載容量，在可接受范圍內(nèi)，將5G用戶轉(zhuǎn)移到鄰區(qū)，讓5G設備維持深度睡眠狀態(tài)，實現(xiàn)控制能耗的目標。處于深度睡眠中的設備，關(guān)閉了5G網(wǎng)絡的功放、部分數(shù)字通路、射頻等功能，只維持數(shù)字接口通暢服務功能，在需要時，重新啟動AAU全部功能。

3 網(wǎng)絡級5G網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應用方向

當前階段，從網(wǎng)絡能耗層面實行節(jié)能控制時，主要的技術(shù)應用方向為多網(wǎng)協(xié)作與架構(gòu)優(yōu)化兩個方面，在網(wǎng)絡協(xié)作系統(tǒng)建設過程中引進大數(shù)據(jù)、人工智能等先進的數(shù)據(jù)算法，對多頻網(wǎng)絡架設與多種無線網(wǎng)絡運維情況進行有效識別，實時控制小區(qū)網(wǎng)絡的休眠與喚醒裝袋，實現(xiàn)了精準節(jié)能、動態(tài)調(diào)整、高效運營的目標[3]。

（1）多網(wǎng)協(xié)作能耗控制。5G網(wǎng)絡全方位、多元化建設背景下，使得現(xiàn)階段網(wǎng)絡運維模式出現(xiàn)TDD、FDD、NR共存的現(xiàn)象，在部署網(wǎng)絡覆蓋戰(zhàn)略時，需要基于站點TD-LTE共模的特征，制定節(jié)能對策?；诙嗑W(wǎng)協(xié)作的網(wǎng)絡運維特點，運用大數(shù)據(jù)、人工智能等算法，可以在全面、系統(tǒng)收集海量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的同時，保證網(wǎng)絡運維穩(wěn)定、提升用戶實際體驗。此外，智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)還可以對不同模式、頻道下的共覆蓋運維情況進行識別，通過內(nèi)置算法對容量預測，實時進行休眠與喚醒操作，進一步優(yōu)化能耗控制系統(tǒng)，提升電力能源的整體配置質(zhì)效。

（2）網(wǎng)絡架構(gòu)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)?，F(xiàn)階段，無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的架構(gòu)主要以C-RAN為主，采用無線接入的模式，在機房中集中管理，同時，還能夠針對性地保存遠端射頻和天線，降低基站設置的數(shù)量，在一定程度上減輕了5G網(wǎng)絡的鋪設成本，對于能耗控制也有著積極意義?；贑-RAN集中建設布局下，可以為BBU基帶資源池共享提供支持，從硬件節(jié)能的角度降低能耗，典型場景下的實驗測試結(jié)果顯示，集中運維管理模式下的網(wǎng)絡架構(gòu)可以降低5%左右的用電能耗。

4 結(jié)束語

本文研究了5G網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)，在設備級功耗控制方面，做好基礎能耗管控，深化對氮化鎵、7nm、4T4R等新材料與工藝的研究；站點級節(jié)能方面則重點研究了亞幀與通道關(guān)斷、深度休眠等技術(shù)的應用；網(wǎng)絡級能耗調(diào)控技術(shù)主要應用方向包括協(xié)作節(jié)能與架構(gòu)優(yōu)化（C-RAN）兩方面。