基于SSB配置策略的5G基站節(jié)能方案研究

張 新，張建國

（1.浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，浙江 杭州 312366；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司 研發(fā)部，浙江 杭州 310014）

4G 宏基站（1 個BBU+3 個8 通道的RRU）的功耗不超過2 KW，5G 宏基站（1 個BBU+3 個64T64R的AAU）滿負(fù)荷的功耗是4～5 KW，AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。由于5G 基站使用的頻率較高，單基站覆蓋半徑小，5G 基站的數(shù)量也將多于4G 基站的數(shù)量，這進(jìn)一步帶來5G 基站功耗的上升，會給運(yùn)營商帶來較大的成本壓力。

5G 基站功耗高的原因主要有三點(diǎn)：1）更高的速率，5G NR 的峰值速率是20 Gbps，相比于4G 的1 Gbps，增加了20 倍，為了滿足這個要求，5G NR 需要更高階的MIMO 方案、更高的調(diào)制階數(shù)（如256 QAM）以及靈活的參考信號配置、靈活的波束管理。2）更大的信道帶寬，對于FR 1，支持的信道帶寬最大為100 MHz；對于FR 2，支持的信道帶寬最大為400 MHz，后續(xù)版本也有可能支持800 MHz。3）為了提高波束賦形增益，5G 宏基站使用AAU，每個AAU 含有的功放數(shù)量（64 個或32 個）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G 宏基站的每個RRU 的功放數(shù)量（8 個或者4 個）。以上三個因素要求5G 基站具有更快的基帶處理速度、更快的編解碼速度、工作頻率范圍和動態(tài)范圍更大以及數(shù)量更多的功放，因此會導(dǎo)致5G 基站的功耗顯著高于4G 基站。除此之外，低時延和靈活的定時、多系統(tǒng)共存也帶來了5G 基站功耗的上升［1］。

本文接下來從SSB 的配置策略、載波智能關(guān)斷、通道智能關(guān)斷、深度休眠等幾個方面來分析降低5G 基站功耗的措施。

1 SSB 的配置策略

為了讓UE 接入小區(qū)，不管是否發(fā)送數(shù)據(jù)，基站都需要持續(xù)發(fā)射PSS、SSS、PBCH 以及參考信號，在空閑狀態(tài)下，基站的功耗主要用于發(fā)射這些符號，因此優(yōu)化PSS、SSS、PBCH 以及參考信號的設(shè)計，能從根本上降低基站在空閑狀態(tài)下的功耗。

5G NR 的PSS、SSS、PBCH 以及PBCH 的DM-RS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號）同時發(fā)射，稱為SS/PBCH 塊（SS/PBCH Block），在沒有混淆風(fēng)險的前提下，也簡稱SSB（Synchronization Signal Block，同步塊）。每個SSB 在頻域上由連續(xù)的20 個RB（240 個子載波）組成，在時域上由連續(xù)的4個OFDM 符號組成，SSB 在時頻域上的示意圖見圖1［2-3］。

圖1 SSB 在時頻域上的示意圖

LTE 的CRS（Cell-specific Reference Signal，小區(qū)專用參考信號）分布在整個信道帶寬，而SSB 在頻域上只占整個信道帶寬的一部分，因此有利于降低5G 基站的功耗。接下來以中國移動在2.6 GHz 頻段上的NR 配置和LTE 配置為例，來分析PSS、SSS、PBCH 以及參考信號占用的資源［4-5］。

在2.6 GHz 頻段，NR 的主要配置如下：信道帶寬是100 MHz，子載波間隔是30 kHz，共計有273 個RB，上下行轉(zhuǎn)換周期是5 ms，5 ms 內(nèi)共計有10 個時隙，上下行時隙配置是7:2+6:4:4。假設(shè)在10 ms 周期內(nèi)配置2 個SSB 突發(fā)，每個SSB 突發(fā)有8 個SSB，則SSB 共計占用240（個子載波）×4（個OFDM 符號）×16（個SSB/10 ms）=15 360 個RE。10 ms 周期內(nèi)，NR 的下行共計有681 408 個RE，NR 的SSB 占下行信號的比例是15 360/681 408=2.25%［6］。

在2.6 GHz 頻段，LTE 的主要配置如下：信道帶寬是20 MHz，子載波間隔是15 kHz，共計有100個RB，上下行轉(zhuǎn)換周期是5 ms，上下行時隙配置是3:1+10:2:2，CRS 配置為2 個天線端口。在10 ms周期內(nèi)，PSS 和SSS 各發(fā)送2 次，每個PSS 和SSS 占用中心的72 個子載波，因此PSS 和SSS 共計占用72（個子載波）×2（個OFDM 符號）×2（次/10 ms）=288 個RE；PBCH 在頻域上占用中心的72 個子載波，在時域上占用4 個OFDM 符號，在10 ms 內(nèi)發(fā)送1 次，因此PBCH 共計有72（個子載波）×4（OFDM 符號）×1（次/10 ms）=288 個RE；對于普通子幀和特殊子幀，每個RB 分別有16 個CRS 和12 個CRS，因此共計有16（個RE/RB）×100（個RB）×6（個普通子幀/10 ms）+12（個RE/RB）×100（個RB）×2（個特殊子幀/10 ms）=12 000 個RE，再減去PBCH 重復(fù)計算的24 個RE，CRS 共計占用11 976 個RE。在10 ms 周期內(nèi)，LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 共計占用288+288+11 976=12 552 個RE。在10 ms 周期內(nèi)，LTE 的下行共計有124 800 個RE，LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 占下行信號的比例是12 552/124 800=10.06%。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，NR 的SSB 占下行信號的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS占下行信號的比例，因此可以降低5G 基站的功耗。除此之外，通過增加SSB 周期和減少SSB 數(shù)量，還可以進(jìn)一步減少SSB 占用的資源，從而降低5G 基站的功耗，從理論上講，在空閑狀態(tài)下，5G 基站的功耗可以小于4G 基站的功耗。

NR 的SSB 周期可以配置為5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms 和160 ms，默認(rèn)值是5 ms。為了達(dá)到降低基站功耗的目的，SSB 周期配置可以大于5 ms，配置較長的SSB 周期的缺點(diǎn)是增加了UE 開機(jī)后的搜素復(fù)雜度及搜索時間，UE 搜索時間增加不一定影響用戶的體驗，這是因為智能手機(jī)開機(jī)/關(guān)機(jī)的頻率大大降低，開機(jī)搜索時間的增加并不會嚴(yán)重影響用戶的體驗，此外，NR 使用了比LTE 更稀疏的同步柵格，在一定程度上抵消了由于SSB 周期增加所導(dǎo)致的搜索復(fù)雜度的增加。

在網(wǎng)絡(luò)部署的時候，為了降低5G 基站的功耗，對于以下幾個場景，SSB 周期配置可以大于5 ms。

（1）載波聚合的場景，由于UE 在主載波上接收同步信號、系統(tǒng)消息、發(fā)起隨機(jī)接入和接收尋呼消息，UE 只是在輔載波上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此輔載波的SSB 周期配置可以大于5 ms，甚至不配置SSB。

（2）宏微基站協(xié)同場景，由于微基站主要是作為宏基站的容量補(bǔ)充，其覆蓋范圍小，接入的UE 較少，SSB 周期配置也可以大于5 ms。

（3）業(yè)務(wù)負(fù)荷波動大的場景，如覆蓋居民區(qū)的5G 基站，白天用戶數(shù)較少，覆蓋商務(wù)樓的基站，夜間用戶數(shù)較少，因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷統(tǒng)計，在用戶數(shù)少的時間段，SSB 周期配置大于5 ms。

在一個SSB 突發(fā)內(nèi)，SSB 的數(shù)量也可以靈活配置，通過減少SSB 的數(shù)量，可以進(jìn)一步降低5G 基站的功耗。對于微基站，由于覆蓋范圍較小、波束較寬，SSB 的數(shù)量可以配置的少一些。對于容量型的基站，SSB 的數(shù)量也可以配置的少一些。

假設(shè)SSB 周期由5 ms 增加到80 ms，SSB 的數(shù)量由8 個減少到1 個，則SSB 占用的資源將降低到原來的1/128，因此可以顯著降低5G 基站的功耗。

1 個SSB 突發(fā)內(nèi)的多個SSB 在時域上較為集中，極大地方便了時隙、符號的關(guān)斷。還是以中國移動在2.6 GHz 頻段的SSB 配置為例，1 個SSB 突發(fā)最多分布在4 個時隙內(nèi)，如果SSB 周期是5 ms（10 個時隙），則其余4 個下行時隙（含特殊時隙）沒有SSB，如果SSB 周期是80 ms（160 個時隙），則其余124個時隙（含特殊時隙）沒有SSB，因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷情況，智能的關(guān)閉這些不發(fā)射SSB 的時隙、符號。根據(jù)測算，通過時隙、符號智能關(guān)斷，可以降低5G 基站功耗5%左右。

2 降低5G 基站功耗的其他措施

除了通過SSB 的配置來降低5G 基站功耗外，還可以通過載波智能關(guān)斷、通道智能關(guān)斷、深度休眠等措施來降低AAU 的功耗，進(jìn)而降低5G 基站的功耗。

2.1 載波智能關(guān)斷

載波智能關(guān)斷適合于載波聚合場景，其基本原理是根據(jù)5G 基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷，動態(tài)地開啟和關(guān)閉輔載波或輔載波的一部分信道來降低AAU 的功耗。

載波智能關(guān)斷有兩層含義：第1 層含義是徹底關(guān)閉輔載波，這種方式能徹底降低輔載波的功耗，缺點(diǎn)是頻繁開啟和關(guān)閉輔載波需要較多的信令負(fù)荷，且輔載波從開啟到傳輸數(shù)據(jù)之間需要的間隔較長，因此影響用戶體驗。第2 層含義是關(guān)閉輔載波的一部分信道。如可以不配置SSB，UE 通過同一個小區(qū)內(nèi)的主載波的SSB 獲得輔載波的同步。此外，由于頻繁的發(fā)送PDCCH 會消耗基站功率，輔載波也可以不配置PDCCH，PDCCH 全部配置在主載波，通過跨載波調(diào)度技術(shù)，由主載波的PDCCH 承擔(dān)起調(diào)度輔載波的PDSCH 和PUSCH 的功能。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在不影響用戶體驗的前提下，也可以顯著降低輔載波的功耗，進(jìn)而降低AAU 的功耗［7］。根據(jù)測算，載波智能關(guān)斷，可以降低AAU 功耗12%～18%左右。

2.2 通道智能關(guān)斷

通道智能關(guān)斷的基本原理是：對于容量型基站，當(dāng)基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷較少時，在不影響覆蓋的前提下，通過關(guān)閉一部分通道的方法來降低AAU 的功耗，如對于64T64R 的AAU，關(guān)閉1/2 的通道后，以32T32R 的方式收發(fā)信號。需要注意的是，通道智能關(guān)斷不適合覆蓋型基站，因為關(guān)閉一部分通道后，會減少AAU 的波束賦形增益，導(dǎo)致5G 基站覆蓋半徑變小，小區(qū)邊緣的UE 將無法接入5G 基站。根據(jù)測算，通道智能關(guān)斷可以降低AAU 功耗10%～15%左右。

2.3 深度休眠

深度休眠的基本原理是：當(dāng)基站的業(yè)務(wù)負(fù)荷較少時，關(guān)閉AAU 的功率放大器、基帶處理單元、收發(fā)信機(jī)、數(shù)字中頻等器件，僅保留eCPRI 和電源部分的功能。深度休眠適合于容量型的宏基站和微基站場景，關(guān)閉這些基站導(dǎo)致的覆蓋空洞由其他宏基站覆蓋，隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷的增加，通過5G 基站之間的信令交互來開啟這些容量型基站。根據(jù)測算，深度休眠可以降低AAU 功耗50%以上。

除了采取以上措施降低5G 基站功耗外，還可以通過呼吸式電源管理、采用更高效率的電源模塊、室外柜分區(qū)進(jìn)行溫度控制、功放采用氮化鎵材料、提高芯片的制程工藝、引進(jìn)更先進(jìn)的散熱方法等措施來降低5G 基站的功耗?？傊?，通過各種技術(shù)措施和管理策略，可以顯著降低5G 基站的功耗，節(jié)約運(yùn)營商的運(yùn)營成本。