5G基站節(jié)能技術(shù)研究

李玉秀

（京信通信系統(tǒng)（中國）有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

無線網(wǎng)絡(luò)的能耗較多，其中占據(jù)比重較大的是基站設(shè)備能耗。為了達(dá)到最大限度地減少無線網(wǎng)能耗，就要加強基站節(jié)能工作。從4G發(fā)展到5G，移動通信技術(shù)、產(chǎn)品都產(chǎn)生了顯著變化，而且5G無線網(wǎng)絡(luò)支持更高速率、更大連接密度以及更低時延，以應(yīng)對數(shù)字化生態(tài)給網(wǎng)絡(luò)帶來的諸多挑戰(zhàn)。同時，5G基站具有更高的硬件處理能力，支持更大帶寬、更多通道數(shù)、更復(fù)雜的空口協(xié)議，設(shè)備架構(gòu)更加繁雜，功能趨于多樣化，功耗也隨之增加，因此做好5G基站節(jié)能工作是一個巨大的難題。

1 5G基站形態(tài)及其耗能分析

1.1 5G基站概況

5G基站負(fù)責(zé)提供跟UE、核心網(wǎng)間的通信，劃分成3個模塊，即高層基帶協(xié)議處理單元、底層基帶協(xié)議處理單元級射頻單元。其中，NR協(xié)議棧功能是通過高層基帶協(xié)議處理單元、底層協(xié)議處理單元一起實現(xiàn)的，雙方功能切分方案多樣化，切分點較多的方案中，常采取的就是位于PDCP-RLC上的策略，處理RRC/SDAP/PDCP層協(xié)議在高層基帶協(xié)議處理單元完成，獲取核心網(wǎng)間回傳接口。RLC/MAC/PHY協(xié)議功能是通過底層基帶協(xié)議處理單元進(jìn)行的，產(chǎn)生跟射頻單元之間的前傳接口。5G射頻單元實施射頻處理功能，其對eCPRI接口作出支持，也會實現(xiàn)基帶物理層功能[1]。

1.2 5G基站形態(tài)類型

5G基站的物理形態(tài)較多，主要包括DU（Distributed Unit）（實現(xiàn)底層基帶協(xié)議功能）、CU（Central Unit）（實現(xiàn)高層基帶協(xié)議功能）、基帶處理單元（Base band Unit，BBU）（分為CU和DU）、有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）及射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）等，可以讓組網(wǎng)更加靈活，適配多樣化的部署場景。在2G時代，基站主要是被稱作基站收發(fā)臺（Base Transceiver Station，BTS），網(wǎng)絡(luò)由基站子系統(tǒng)以及終端、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)組成。其中，基站子系統(tǒng)涉及了基站收發(fā)臺（BTS）和基站控制器（Base Station Controller，BSC）。隨著有源天線系統(tǒng)（Active Antenna System，AAS）技術(shù)的成熟，5G基站首先把BBU的一部分物理層處理功能下沉到RRU，RRU和天線（64/32通道）結(jié)合成為AAU。然后再把BBU拆分為CU和DU，同時CU還融合了一部分從核心網(wǎng)下沉的功能，作為集中管理節(jié)點存在。CU/DU分離的初衷，就是為了可以通過該架構(gòu)利用一個CU來控制多個DU，實現(xiàn)基帶處理資源的共享。AAU設(shè)備產(chǎn)生Massive MIMO 技術(shù)，包括射頻單元、天線單元，構(gòu)建相應(yīng)的有源天線陣列，其支持eCPRI 接口，把一些底層基帶功能在AAU轉(zhuǎn)移。AAU設(shè)備規(guī)格繁雜，可以支持64T64R、16T16R以及32T32R等通道數(shù)[2-4]。

1.3 5G基站能耗分析

5G中納入NR新空口技術(shù)，有效地滿足了超高速率、超低時延、超高連接數(shù)密度業(yè)務(wù)需求。這對于基站設(shè)備硬件能力具有新的標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)增加了5G基站設(shè)備功耗。5G基站產(chǎn)生的能耗，通常就是源于各類設(shè)備的功耗，包括CU、AAU以及DU/BBU等。針對CU設(shè)備，依靠硬件平臺進(jìn)行硬件資源的合理配置。設(shè)備功耗與硬件配置規(guī)格關(guān)系密切，而CU設(shè)備可產(chǎn)生百瓦至千瓦的功耗，增加了站點機房的供電壓力。針對BBU-AAU架構(gòu)的基站，產(chǎn)生功耗最大的就是AAU設(shè)備。因此，增強AAU的能效水平，可以明顯地緩解基站能耗的總體數(shù)量。

5G BBU功耗的發(fā)生部位較多，其中板卡內(nèi)部處理器以及FPGA等芯片上是產(chǎn)生頻率較高的位置，會提升BBU的整機功耗。5G AAU的功耗就是產(chǎn)生于一些關(guān)鍵的器件，包括數(shù)字基帶、收發(fā)信板等，也涉及到了電源、濾波器等熱耗。5G AAU內(nèi)部架構(gòu)不僅復(fù)雜，而且具有多樣化的功效，其中涉及到天線陣列，可以形成更大帶寬和部分基帶處理效果，其功耗明顯多于4G功耗。AAU功耗特征如圖1所示。

圖1 AAU功耗特征

2 5G基站節(jié)能技術(shù)探究

2.1 硬件節(jié)能技術(shù)

提升基站硬件性能是有效減少基站能耗的關(guān)鍵。5G芯片產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展迅速，并且對關(guān)鍵器件的集成度發(fā)展在不斷的健全，功能不斷完善，使得硬件具有更好的節(jié)能效果。硬件節(jié)能要經(jīng)過一定的途徑，即設(shè)備硬件架構(gòu)、工藝流程、集成度演進(jìn)完成工作，可以將AAU、BBU功耗明顯降低。首先，將硬件架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)硬件能效水平增強。5G時代，用ASIC專用芯片代替高功耗器件，可提升硬件平臺集成度，確保具有更好的應(yīng)用功效，大大降低了設(shè)備功率，推動了半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)發(fā)展，使得設(shè)備具有更可靠的集成度，提升了應(yīng)用性能。其次，基站設(shè)備中，采取14 nm技術(shù)比較常見，未來將會采取10 nm或7 nm技術(shù)，推動芯片工藝發(fā)展的同時，會將功耗最大限度降低。最后，漏壓調(diào)節(jié)、GaN、Doherty等新技術(shù)，促進(jìn)封裝工藝不斷提升，是提高功放效率的重要舉措。

2.2 基于AI的智能節(jié)能技術(shù)

在5G時代，會產(chǎn)生共存多制式網(wǎng)絡(luò)形式，同時云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相繼進(jìn)步，會提升網(wǎng)路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。多制式網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同，最大限度地節(jié)約能源，減少消耗，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)能上，一直是一項關(guān)鍵內(nèi)容，要大力地研究此工作。目前，應(yīng)用人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，AI）比較常見，并且這項科技發(fā)展迅猛。未來，發(fā)展AI的智能化節(jié)能技術(shù)成為關(guān)鍵的方向，必然受到更高的關(guān)注。通過AI技術(shù)能夠展開分析線網(wǎng)的繁雜數(shù)據(jù)，形成業(yè)務(wù)模型，進(jìn)行預(yù)測業(yè)務(wù)等。此外，AI算法能夠自動化識別節(jié)能小區(qū)，靈活地選取節(jié)能方案，有利于推廣應(yīng)用軟件節(jié)能特性。基于AI的智能化節(jié)能技術(shù)的實現(xiàn)，具體如下。首先，通過網(wǎng)管接口，不同制式和頻段的基站設(shè)備上報給網(wǎng)管平臺諸多業(yè)務(wù)性能數(shù)據(jù)，如KPI、MR等。其次，AI平臺得到數(shù)據(jù)以后就會展開分析數(shù)據(jù)，由機器學(xué)習(xí)展開。再次，對于結(jié)果展開相應(yīng)的分析以后，識別節(jié)能基站、生成節(jié)能策略。最后，AI平臺向節(jié)能基站傳達(dá)節(jié)能內(nèi)容以及方法，此時基站就會被及時地觸動，處于節(jié)能狀態(tài)。此外，業(yè)務(wù)負(fù)荷狀態(tài)是在時刻的轉(zhuǎn)變狀態(tài)中，AI平臺可以對節(jié)能策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，促進(jìn)節(jié)能效果不斷提升。圖2為基于AI的智能基站節(jié)能圖。

圖2 基于AI的智能基站節(jié)能

2.3 軟件節(jié)能技術(shù)

無線網(wǎng)業(yè)務(wù)具有潮汐效應(yīng)，可為軟件節(jié)能技術(shù)提供參考。軟件節(jié)能技術(shù)雖然不能降低靜態(tài)功耗，但考慮到業(yè)務(wù)分布特征，基于網(wǎng)絡(luò)閑時一些硬件資源，減小AAU的動態(tài)功耗。軟件節(jié)能技術(shù)涵蓋了很多典型的軟件特性，其中關(guān)鍵的就是符號關(guān)斷、通道關(guān)斷及小區(qū)關(guān)斷特性。符號關(guān)斷特性就是經(jīng)不連續(xù)發(fā)射功放，促進(jìn)AAU功耗削弱。符號關(guān)斷的比例相關(guān)聯(lián)于基站調(diào)度方式，為了將節(jié)能成效提升，可以優(yōu)化調(diào)度算法，在特定符號中對用戶數(shù)據(jù)集中地調(diào)度傳輸，將空閑符號比重增加，達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果。多通道AAU設(shè)備上采取通道關(guān)斷特性，有助于充分發(fā)揮應(yīng)用效果，轉(zhuǎn)變業(yè)務(wù)量時射頻通道節(jié)能效果更好。網(wǎng)絡(luò)性能是需要大力保障的，通道關(guān)閉時，控制信道的發(fā)射功率，適當(dāng)?shù)卦鰪姽β剩焉闲薪邮胀ǖ来蜷_，避免影響接入終端的順利接入。小區(qū)關(guān)斷特性可以應(yīng)用到多層網(wǎng)絡(luò)覆蓋且是相同區(qū)域場景里面，可以對于小區(qū)的覆蓋情況、容量狀態(tài)進(jìn)行了解，辨別容量層低業(yè)務(wù)小區(qū)后關(guān)斷，達(dá)到節(jié)能功效[5]。

3 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用策略

硬件節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于基站節(jié)能降耗上，節(jié)能效果更理想可靠，并且是有效提升基站能效水平的關(guān)鍵。5G產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的進(jìn)程不斷推進(jìn)，加快此方面的研發(fā)速度，可使基站硬件平臺得到更好的完善與優(yōu)化，產(chǎn)生更理想的硬件節(jié)能目標(biāo)。軟件節(jié)能技術(shù)即為減少AAU的動態(tài)功耗，不會很明顯幅度的影響到BBU功耗。業(yè)務(wù)負(fù)荷能夠顯著影響到軟件節(jié)能成效，如果基站負(fù)荷越低，就會得到更高的節(jié)能目標(biāo)，關(guān)斷門限設(shè)置越低、節(jié)能特性生效的時間越長，就會產(chǎn)生更好的節(jié)能增益。鑒于此種現(xiàn)象，實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，應(yīng)該遵循節(jié)能場景的狀態(tài)，建立起相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)，以適應(yīng)節(jié)能不同的需求。5G網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展的時期，應(yīng)該聯(lián)系起5G業(yè)務(wù)、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展?fàn)顟B(tài)，分階段進(jìn)行基站節(jié)能技術(shù)的部署[6]。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前已經(jīng)擁有商用部署條件，但對于5G基站設(shè)備的功耗方面還有待進(jìn)一步的研究解決，要應(yīng)對好基站節(jié)能這一挑戰(zhàn)。5G基站的節(jié)能可從兩方面著手，一方面是改善基站設(shè)備的能效水平，另一方面就是部署軟件節(jié)能特性，在AAU閑時，有效控制產(chǎn)生的能耗。應(yīng)用軟件節(jié)能技術(shù)減小基站能耗環(huán)節(jié)，會明顯影響到網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并破壞網(wǎng)絡(luò)容量性能。因此，將來的研究中，要重視不斷提升軟件節(jié)能特性，采取先進(jìn)的策略，如智能調(diào)度、網(wǎng)間協(xié)作等，讓用戶業(yè)務(wù)性能更加完善。