5G無線網節(jié)能關鍵技術

（中國移動研究院，北京 100032）

0 引言

當前我國已經建成了全球最大規(guī)模的5G 商用網絡，相比4G 網絡，5G 網絡帶寬大、流量高，5G 設備發(fā)射功率高、通道數(shù)多，5G 單站額定功耗約為4G 多載波基站的2～3 倍，成為制約5G 網絡可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。中國移動在5G 節(jié)能方面建立了設備、站點、網絡三個級別的5G 節(jié)能技術體系，進一步引導產業(yè)提升數(shù)字器件的集成度、芯片處理能力，開展節(jié)能軟件方案研究和應用。

下文將從5G 基站節(jié)能的需求、目標出發(fā)，聚焦于軟硬件節(jié)能技術的研究發(fā)展，并根據試驗結果提出相應的技術需求和應用場景建議。

1 功耗分布分析和硬件方案

1.1 功耗分布

本論文研究基站硬件功耗模型，分析各模塊優(yōu)化空間和節(jié)能方案，提出設備指標，促進基站設備功耗降低?；竟目梢苑譃锳AU 和BBU 兩大部分，AAU 的功耗約占整機功耗的90%，是基站功耗的主要組成部分。5G AAU 主要模塊包括基帶上移、數(shù)字中頻、收發(fā)信機以及PA 等，AAU 整機功耗的大小和基站負荷相關（由于PA引起）[1-2]。

功耗隨著業(yè)務負載的變化而變化，各功能模塊的功耗比例也隨之發(fā)生變化。如圖1、圖2 所示，在滿載條件下，PA 占比接近60%，是AAU 功耗最主要來源；在空載條件下，PA 占比下降至30%，與數(shù)字中頻、收發(fā)信機共同構成AAU 功耗主要來源。因此，在設備級節(jié)能技術領域，不僅要提升功放效率，降低功放功耗，在5G 初期負載較低的情況下，更需要降低小信號和數(shù)字中頻模塊的基礎功耗[3]。

圖1 AAU能耗分布圖

圖2 AAU模塊功耗變化趨勢

1.2 硬件節(jié)能方案

（1）PA效率提升

如圖3和圖4所示，材料和工藝決定了峰值效率，并且器件工藝的選擇與功率和頻率都有一定的關系，因此我們在5G AAU PA效率提升方案中主要引入新材料、新設計[3]：1）新材料：2.6G 64T產品可選擇LDMOS和GaN兩種工藝器件，2.6 G單通道高功率和4.9 GHz產品選用GaN。2）新設計：多級Doherty架構兼顧滿載和低負載高效率，使用低成本LDMOS 工藝已比較成熟，使用GaN工藝，因構建復雜架構目前仍面臨較大成本壓力和技術難題，需要進一步突破。

圖3 材料工藝和峰值效率的關系曲線

圖4 器件工藝選擇與功率和頻率的關系

除此之外，本論文中還提出了PA 效率提升的新方案：基于以最小資源調度單元為周期的PA 供電電壓調整方案。1）包絡跟蹤技術（ET）是提升PA 效率的方案之一，包絡跟蹤技術的本質是供電電壓的跟蹤信號的包絡，供電電壓同信號包絡同步驟變化，從而實現(xiàn)節(jié)能。因為PA 的靜態(tài)功耗與輸入信號的大小無關，與供電電壓相關，供電電壓越高，靜態(tài)功耗越大；PA 的效率隨輸入信號的變小而降低，當隨輸入信號變化同時調整靜態(tài)工作點時，可以有效提升PA 的工作效率。需要指出的是，ET 技術對硬件挑戰(zhàn)巨大，后續(xù)需要和產業(yè)協(xié)同推動支持。2）基于通信信號特點，提出PA 工作狀態(tài)以最小調度單元為周期（如圖5 所示）、基于查找表的形式跟蹤信號，以實現(xiàn)PA 效率的提升，后續(xù)將持續(xù)推動產業(yè)的發(fā)展。

圖5 基于查找表的最小調度單元更新方案

（2）芯片集成度提升

在芯片集成度提升方面，本論文重點調研分析了基帶、數(shù)字中頻以及收發(fā)信機的發(fā)展趨勢，通過優(yōu)化硬件資源配置和算法等實現(xiàn)有效資源匹配業(yè)務的彈性狀態(tài)，從而推動數(shù)字器件工藝和集成度進一步提升，推動功放器件演進[3]。1）基帶芯片的趨勢，基帶實現(xiàn)以ASIC為主流方案，目前主流單片支持3載波，16/7 nm工藝，在增強方案中基帶處理芯片將單片支持6載波NR @64通道，芯片工藝優(yōu)化為5～7 nm。2）數(shù)字中頻的趨勢，目前單芯片主流支持16通道，主流工藝為16 nm/7 nm，在增強方案中單片支持通道將提升，工藝進一步優(yōu)化為5/7 nm。3）數(shù)模轉換的趨勢，收發(fā)信機主流是4T4R，主流廠家是ADI和TI，收發(fā)信機主流方案為零中頻架構，支持的通道數(shù)為4T4R，帶寬200 MHz，在增強方案中數(shù)模轉換芯片集成度下一代產品將支持8通道，功耗將進一步優(yōu)化為16 nm。

2 無線網節(jié)能關鍵技術

2.1 亞幀靜默

（1）技術原理和理論分析

基站檢測到部分下行亞幀（下行符號）無數(shù)據發(fā)送時，在此周期關閉功率放大器等射頻硬件，達到降低靜態(tài)功耗的目的；待檢測到有數(shù)據調度時，再啟動射頻硬件使其恢復正常。亞幀關斷或開啟的時間顆粒度為μs級別。

如圖6所示，5G單模設備的增益分析：與下行相關的信號/信道有 SSB/DMRS/CSI-RS/PDCCH，當其占用最少資源時，可獲得最大節(jié)能增益。由于5G調度最小顆粒度為符號，因此可關閉未占用符號上的PA等以實現(xiàn)節(jié)能。經計算，20 ms周期內最少占用符號數(shù)166個，占總DL符號占比為：166/(7×14×4)=43%，相當于有57%的符號可關斷。以20 ms的周期進行考慮，DL總RB數(shù)為107 016個，SSB、CSI-RS、PDCCH、SIB1占用166個符號，166個符號當中，最多有39 837個RB可以用于承載數(shù)據，相當于可承載39 837/107 016=37%的下行業(yè)務量。

如圖7所示，4G/5G共模設備的增益分析：4G和5G聯(lián)合調度，在某個符號位置上，既無4G信號傳輸也無5G信號傳輸?shù)那闆r下才可進行關斷。4G和5G的下行信道和參考信號的部分位置重疊。20 ms周期內下行信道和參考信號最少占用符號數(shù)242個，占總DL符號占比為：242/(14×7×4)=62%，相當于有38%的符號可關斷。

以20 ms為周期，聯(lián)合調度時這242個符號沒被占用的RB，最多可承載57%的下行業(yè)務量。

圖6 5G單模設備亞幀靜默增益分析

圖7 4G/5G共模設備亞幀靜默增益分析

（2）試驗結果

根據理論分析展開了相應的外場測試驗證，測試結果分析如下：小區(qū)PRB越低，亞幀靜默節(jié)能效果越好。1）5G單模設備如圖8所示：空載時可達約30%節(jié)能增益，隨著負荷的升高，亞幀靜默的節(jié)能效果逐漸降低。2）4G/5G雙模設備如圖9所示：相比單模設備，節(jié)能效果明顯下降，與理論分析有一定差異，后續(xù)需進一步推動算法優(yōu)化。此外，測試驗證發(fā)現(xiàn)，亞幀靜默對業(yè)務面時延基本無影響（雙向時延在-1～-1.5 ms，幾乎可忽略不計）。

圖8 5G單模設備亞幀靜默節(jié)能效果

圖9 4G/5G雙模設備亞幀靜默節(jié)能效果

（3）應用建議

建議亞幀靜默功能在除高鐵、小區(qū)合并以外的所有5G基站全時段開啟。對于只工作在5G狀態(tài)時，建議配置為符號級別顆粒度的亞幀靜默；對于4G和5G同時工作時，建議同時配置4G亞幀靜默和5G符號級別顆粒度的亞幀靜默，后續(xù)將推動設備支持4G/5G聯(lián)合調度，進一步降低設備功耗[4]。

2.2 通道靜默

（1）技術原理和理論分析

通道靜默指多通道基站（64/32通道）在低負荷時通過關閉基站部分射頻通道，從而降低基站功耗的技術。當網絡處于輕/空載時，若射頻模塊的所有發(fā)射通道仍處于工作狀態(tài)，網絡承載能力過盛、且存在能耗浪費，考慮關閉射頻模塊的部分發(fā)射通道，降低基站功耗。通道關斷或開啟的時間顆粒度為s級別。

目前采用的主流方式是靜默50%的通道。射頻通道關閉將導致陣列增益、賦形增益均有損失，可通過開啟Power boosting等方案補償，但對廣播信道、業(yè)務信道仍可能存在影響，關閉的通道數(shù)越多，節(jié)能效果越明顯，但是對網絡性能影響越大。

SSB性能分析：對于64通道來說，8波束分時發(fā)送，SSB水平維度具備約100°、垂直維度具備24°的覆蓋能力（如圖10所示）；對于32通道來說，功率降低一半，損失3 dB，賦形增益損失3 dB，總體相比于64通道共損失6 dB增益。

圖10 64通道SSB覆蓋范圍示意圖

如表1 所示，CSI-RS 性能分析：對于64 通道來說，按照8P4B 方式發(fā)送CSI-RS，實現(xiàn)水平維度2×50°、垂直維度2×12°的覆蓋范圍；對于32 通道來說，覆蓋范圍與64 通道保持不變，賦形增益無損失；但功率降低一半，因此總體有3 dB 性能損失。

表1 CSI-RS性能分析

（2）試驗結果

根據外場測試結果，通道靜默可獲15%～35% 節(jié)能增益，小區(qū)PRB 越高，節(jié)能效果越好。通道靜默會影響小區(qū)邊緣用戶速率，64/32 通道靜默成32/16 通道后，邊緣用戶下行速率下降20～40%，小區(qū)好、中點用戶速率基本無影響，建議在對邊緣速率要求不高的場景啟用通道靜默，如圖11 和圖12 所示：

圖11 5G單模64通道設備通道靜默效果

圖12 5G單模64通道設備小區(qū)邊緣用戶下行速率

（3）應用建議

建議在64/32 通道基站覆蓋區(qū)域（農村等站間距較大的場景除外）全時段開啟，設備只工作在5G 狀態(tài)時，在網絡參數(shù)低于下限值（網絡下行PRB 利用率低于10% 且RRC 最大連接用戶數(shù)低于5）開啟通道靜默、當網絡參數(shù)高于上限值（網絡下行PRB 利用率高于20% 或RRC最大連接用戶數(shù)高于10）關閉通道靜默。在開啟通道靜默時應同步開啟Power boosting 功能，保證廣播信道覆蓋不收縮；當4G 和5G 同時工作時，需要4G 和5G 同時按照上述條件配置。

2.3 淺層休眠和深度休眠

（1）技術原理和理論分析

1）淺層休眠

淺層休眠是基站關閉5G AAU 的功放等模擬器件，AAU 進入淺層休眠狀態(tài)從而降低功耗。AAU 進入淺層休眠狀態(tài)之前，要將在線用戶遷移到相鄰AAU，確保用戶持續(xù)得到服務。AAU 從淺層休眠狀態(tài)恢復至正常狀態(tài)，所需時長在30 s 以內。

2）深度休眠

深度休眠是基站關閉5G AAU 的功放、射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的光接口通信模塊、時鐘恢復單元、部分電源和控制邏輯，AAU 進入深度休眠狀態(tài)從而降低功耗的技術，如圖13 所示。AAU 進入深度休眠狀態(tài)之前，要將在線用戶遷移到相鄰AAU，確保用戶持續(xù)得到服務。AAU 休眠或回復的時間顆粒度為分鐘級（5～10 分鐘）。開啟深度休眠后，基站完全不提供5G 網絡服務，對于4G/5G 共模設備，2.6 G 4G 和5G 一起不提供服務，需要保證在本區(qū)域內還有其它LTE 頻點提供服務，否則會出現(xiàn)覆蓋空洞，設備休眠時間越長，節(jié)能效果越明顯，但是對網絡性能影響越大。

圖13 深度休眠功能模塊示意圖

（2）試驗結果

經過外場試驗后發(fā)現(xiàn)，淺層休眠和深度休眠對大多數(shù)BBU 的影響不大，相較于空載，淺層休眠的節(jié)能效率約為20%～50%，深度休眠的節(jié)能效率約為40%～80%，如圖14 所示。淺層休眠的開啟和關閉時間顆粒度為秒級，約為15 s 以內。深度休眠的開啟和關閉時間為分鐘級，約為5-10 分鐘，且深度休眠不影響用戶掉線率。

圖14 淺層休眠和深度休眠實驗結果

（3）應用建議

1）淺層休眠

應分時段按照不同策略全網應用淺層休眠功能。在0-6 時（新疆地區(qū)順延2 個小時），當設備只工作在5G狀態(tài)時，當5G 業(yè)務量極低時（網絡下行PRB 利用率網絡負荷低于5% 且RRC 最大連接用戶數(shù)低于4）開啟該功能；當4G 和5G 同時工作時，當5G 業(yè)務量極低時（網絡下行PRB 利用率網絡負荷低于5% 且RRC 最大連接用戶數(shù)低于4）且4G 業(yè)務量網絡下行PRB 利用率低于20%時開啟該功能。當同覆蓋區(qū)域4G 業(yè)務量大于30% 且5G終端RRC 最大連接用戶數(shù)量大于1 時，通知5G AAU 從淺層休眠狀態(tài)恢復至正常關閉該功能。

在6-24 時（新疆地區(qū)順延2 個小時），當設備只工作在5G 狀態(tài)時，5G 業(yè)務量極低時（網絡下行PRB 利用率低于5%且RRC 最大連接用戶數(shù)等于0）開啟該功能；當4G 和5G 同時工作時，當5G 業(yè)務量極低時（網絡下行PRB 利用率低于5% 且RRC 最大連接用戶數(shù)等于0）且4G 網絡下行PRB 利用率低于20% 時開啟該功能。當同覆蓋區(qū)域4G 業(yè)務量大于30% 且5GRRC 最大連接用戶數(shù)大于1 時，通知5G AAU 從淺層休眠狀態(tài)恢復至正常。

2）深度休眠

應分時段按照不同策略全網應用深度休眠功能。在0-6 時（新疆地區(qū)順延2 個小時）應用該技術時，應參考上一周網管統(tǒng)計數(shù)據（或軟采數(shù)據），對于該時段同覆蓋的4G 網絡中5G 終端始終為0 的5G 小區(qū)在0 時啟動該功能，在6 時關閉該功能。

3 結論

本論文介紹了從軟件和硬件兩個方面介紹了5G 無線節(jié)能技術的關鍵進展，硬件部分主要從硬件架構和器件設計方面優(yōu)化功耗：一是進行功耗分布分析，研究基站硬件功耗模型，分析各模塊優(yōu)化空間和節(jié)能方案，提出設備指標，促進基站設備功耗降低；二是大力推動具有更高效率的GaN 功放的應用,實現(xiàn)功放PA 效率提升，進一步降低整機功耗。軟件部分主要介紹了亞幀靜默、通道靜默、淺層休眠和深度休眠等功能的技術原理、理論分析，并且在現(xiàn)網開展測試驗證，根據驗證結果給出相應的現(xiàn)網規(guī)模部署應用建議。