5G基站智能節(jié)能方案研究

錢忠

浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司杭州市分公司 浙江 杭州 310002

引言

現(xiàn)今，5G技術(shù)發(fā)展普及，為部分行業(yè)發(fā)展提供新的機(jī)遇。為更好保證5G技術(shù)應(yīng)用有效性、穩(wěn)定性，做好5G基站兩大場(chǎng)景節(jié)能方案應(yīng)用，有助于更好降低5G基站運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本，對(duì)于提高5G技術(shù)應(yīng)用水平及加速技術(shù)普及具有一定幫助。

1 5G基站總成

5G基站是基于功能劃分，將核心網(wǎng)、UE之間進(jìn)行有效鏈接，保證協(xié)議處理是按照固有的基帶邏輯框架而執(zhí)行的。通過高層與底層的基帶協(xié)議處理機(jī)構(gòu)、射頻機(jī)構(gòu)向基站內(nèi)的各個(gè)處理單元傳達(dá)指令，保證基站內(nèi)AAU、BBU、DU、CU等結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)功能化運(yùn)轉(zhuǎn)，以此來滿足不同情況下的信息傳輸需求。從功能屬性來看，高層與底層的基帶協(xié)議處理機(jī)構(gòu)在具體作用到協(xié)議棧時(shí)，可由不同種的組合形式，保證各項(xiàng)功能的落實(shí)可精準(zhǔn)地作用到系統(tǒng)運(yùn)行中，但目前應(yīng)用于協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)最主要的組成方式為PDCP-RLC結(jié)構(gòu)，通過高層、底層的獨(dú)立處理模式，分別完成RRC與MAC的功能驅(qū)動(dòng)，且兩者均可與射頻單元的前端對(duì)接口相連接。考慮到5G組網(wǎng)多元化的特性，其在建設(shè)過程中是建立在原有的4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的，這就要求整個(gè)基站同時(shí)滿足5G、4G網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸需求，在設(shè)備選取方面，則應(yīng)保證組網(wǎng)形態(tài)的獨(dú)立化。首先，CU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其需要以硬件平臺(tái)為載體，保證平臺(tái)可將運(yùn)算模塊、交換模塊等功能進(jìn)行集成，進(jìn)而為人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。其次，BBU網(wǎng)絡(luò)，其可與CU支持下的DU結(jié)構(gòu)共用一個(gè)平臺(tái)，考慮到DU與BBU之間存在的功能差異問題，可通過軟件修改將兩者之間的功能進(jìn)行整合，以此提高功能實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性與拓展性。最后，AAU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其作為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的核心，通過與射頻模塊、天線模塊等進(jìn)行整合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效率傳輸，但其功能組成具有一定的復(fù)雜性，需要密集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支持，以滿足不同數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景的需求。

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。5GBBU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。5GAAU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。5GAAU在硬件架構(gòu)方面與4GRRU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。①5GAAU在sub6GHz頻段支持100MHz載波帶寬，毫米波頻段支持400~800MHz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。②為了支持MassiveMIMO技術(shù)，5GAAU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。③在支持多通道的情況下，5GAAU設(shè)備單通道發(fā)射功率較小。以64T64RAAU設(shè)備為例，在200W總發(fā)射功率下，AAU單通道功率為3.125W。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5GAAU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，5GBBU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，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 基站智能節(jié)能方案

3.1 數(shù)據(jù)采集與分析

數(shù)據(jù)采集需要按照基站業(yè)務(wù)過程、信令交換原則等，通過對(duì)接不同的數(shù)據(jù)來源庫(kù)，以一定粒度獲取需要的數(shù)據(jù)源，包括PM、MR、工參、基站配置等數(shù)據(jù)[1]。然后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取解析、關(guān)聯(lián)匯聚，將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到節(jié)能方案所需的數(shù)據(jù)庫(kù)表格中。另外，需要對(duì)數(shù)據(jù)的規(guī)模進(jìn)行探索分析，對(duì)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)采取不同的存儲(chǔ)方式和處理工具。為了方便后續(xù)為基站節(jié)能提供深層次支撐服務(wù)，需要通過各種技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織或分析，包括缺失數(shù)值的處理、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)降維等。在數(shù)據(jù)采集和分析的過程中需要建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和監(jiān)控體系。在數(shù)據(jù)采集之后，需對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，確定數(shù)據(jù)的可用性，以免因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題影響后續(xù)節(jié)能策略的分析。在數(shù)據(jù)處理的過程中需要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的步驟、時(shí)間、有效性等，避免因數(shù)據(jù)處理過程的中斷或錯(cuò)誤導(dǎo)致后續(xù)節(jié)能分析的錯(cuò)誤。

3.2 多張網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的節(jié)能措施

對(duì)于多套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并存的站點(diǎn)，根據(jù)話務(wù)流量業(yè)務(wù)走勢(shì)，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行控制，如用戶少時(shí)定時(shí)關(guān)停其中的一套系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能，做到用戶多時(shí)容量大，用戶少時(shí)容量小。以5G/4G同時(shí)覆蓋的節(jié)電措施以及使用場(chǎng)景為例：①由于4G網(wǎng)絡(luò)具備很好的數(shù)據(jù)下載速率，因此在業(yè)務(wù)量超低的時(shí)間段，可通過安裝定時(shí)開關(guān)關(guān)閉4G或5G基站，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。②由于5G建設(shè)初期終端覆蓋率不足和特殊業(yè)務(wù)場(chǎng)景等原因，部分場(chǎng)景部分時(shí)段的5G網(wǎng)絡(luò)無業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)量極低的情況下，在4G/5G重疊覆蓋場(chǎng)景的關(guān)閉5G基站節(jié)能。關(guān)閉5G實(shí)施條件（關(guān)閉5G僅考慮2C場(chǎng)景）：該4G/5G共覆蓋區(qū)域的站址在該時(shí)間段內(nèi)，5G小區(qū)數(shù)據(jù)流量=0；5G用戶數(shù)=0；4G/5G網(wǎng)絡(luò)完全重疊覆蓋。

3.3 強(qiáng)化5G基站硬件設(shè)備技術(shù)優(yōu)化

在芯片制造方面進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，將是未來階段5G基站節(jié)能的重要構(gòu)成?，F(xiàn)階段，我國(guó)在微電子領(lǐng)域芯片制造技術(shù)水平總體相對(duì)良好，但對(duì)微電子尖端技術(shù)掌握，仍然需要從技術(shù)研發(fā)上做好進(jìn)一步突破。未來5G基站制造與應(yīng)用，需要力求提高5G基站電子芯片制程工藝，降低5G基站電子芯片及電路設(shè)備基本能耗，控制5G基站能源應(yīng)用，提高5G基站總體能耗比，為未來階段5G時(shí)代基站兩大場(chǎng)景節(jié)能方案的完善充分助力[2]。

3.4 軟件節(jié)能

第一，符號(hào)關(guān)斷模塊。5G基站內(nèi)AAU結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中，可通過斷續(xù)結(jié)構(gòu)的射頻形式，增強(qiáng)信號(hào)系統(tǒng)的容錯(cuò)性。即為AAU結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中，其所產(chǎn)生的信號(hào)傳輸具有一定的周期性，當(dāng)下行符號(hào)沒有進(jìn)行信號(hào)發(fā)送時(shí)，則將自動(dòng)關(guān)閉即時(shí)傳送功能，如果系統(tǒng)呈現(xiàn)出信息傳輸屬性時(shí)，則AAU結(jié)構(gòu)立即運(yùn)行，兩者之間所形成的時(shí)間差不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成接收功能的影響。為此，可對(duì)原有的算法進(jìn)行更新，將用戶符號(hào)集中在某一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行定位，便可真正實(shí)現(xiàn)智能斷接處理，以減輕系統(tǒng)運(yùn)行中的能源消耗。第二，通道關(guān)斷模塊。此類模塊的設(shè)定主要是針對(duì)AAU設(shè)備來講的，受到不同業(yè)務(wù)的處理訴求，在對(duì)其進(jìn)行業(yè)務(wù)處理時(shí)，為達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能效果，則需在多業(yè)務(wù)處理時(shí)，保證系統(tǒng)處于多節(jié)點(diǎn)頻發(fā)狀態(tài)。但考慮到通斷關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的約束性問題，則需適當(dāng)增加信道控制基數(shù)，通過提升信道功放值，保證信號(hào)上行與下行傳輸處于一個(gè)均衡狀態(tài)，以增強(qiáng)實(shí)際輸入效率。第三，小區(qū)關(guān)斷模塊。其主要是針對(duì)當(dāng)前區(qū)域內(nèi)5G信號(hào)的覆蓋程度，對(duì)區(qū)域內(nèi)的容量屬性與數(shù)據(jù)傳輸屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，確保在整個(gè)覆蓋體系下，由具體容量決定著小區(qū)關(guān)斷狀態(tài)，這樣便可進(jìn)一步強(qiáng)化業(yè)務(wù)容量高與業(yè)務(wù)容量低之間的權(quán)重性，以增強(qiáng)實(shí)際節(jié)能效果。但在此過程中，應(yīng)注意的是在針對(duì)業(yè)務(wù)小區(qū)進(jìn)行關(guān)斷處理時(shí)，必須保證業(yè)務(wù)可全面遷移到覆蓋區(qū)域內(nèi)，以滿足用戶的業(yè)務(wù)訴求，以真正實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)域級(jí)的處理能力。

3.5 基站關(guān)斷

基站智能關(guān)斷是指當(dāng)本基站上的用戶數(shù)較少時(shí)，將用戶遷移到負(fù)荷允許的目標(biāo)基站上，然后關(guān)掉本基站，以節(jié)約能耗。節(jié)電技術(shù)能產(chǎn)生可觀的節(jié)電效益，但也存在一定風(fēng)險(xiǎn)，例如節(jié)電技術(shù)MAC（媒體接入層）檢測(cè)周期最小僅能設(shè)置為100ms，周期過長(zhǎng)，在負(fù)荷偏高的區(qū)域容易造成資源浪費(fèi)，影響用戶感知。因此，制定合理的應(yīng)用策略至關(guān)重要，這樣才能在保障用戶感知的前提下起到節(jié)能降耗的作用。節(jié)電技術(shù)的應(yīng)用主要考慮以下因素：是否安裝智能電表或獨(dú)立電表、話務(wù)負(fù)荷、話務(wù)模型，并基于用戶行為特征預(yù)測(cè)節(jié)電區(qū)域，用戶忍耐度是否強(qiáng)（申告意愿是否強(qiáng)）等。大數(shù)據(jù)方法為精準(zhǔn)測(cè)算話務(wù)模型、預(yù)估話務(wù)負(fù)荷、預(yù)測(cè)用戶申告行為提供了有力幫助[3]。

3.6 評(píng)估體系

智能節(jié)能方案需要建立全面的、一體化的評(píng)估體系，以保證網(wǎng)絡(luò)在實(shí)施節(jié)能策略時(shí)不降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量，保證用戶的良好體驗(yàn)。智能節(jié)能方案的評(píng)估體系主要包括指標(biāo)評(píng)估、感知評(píng)估、節(jié)能評(píng)估、操作評(píng)估四個(gè)方面。指標(biāo)評(píng)估主要是指針對(duì)執(zhí)行節(jié)能小區(qū)及補(bǔ)償小區(qū)構(gòu)建實(shí)時(shí)指標(biāo)分析機(jī)制，確保重要KPI指標(biāo)滿足要求，如指標(biāo)惡化效果不佳及時(shí)進(jìn)行回退處理。感知評(píng)估是指對(duì)節(jié)能方案實(shí)施后對(duì)用戶感知的分析，構(gòu)建用戶感知指標(biāo)分析機(jī)制，確保不生成犧牲用戶感知得來的節(jié)能方案。節(jié)能評(píng)估指對(duì)生成的節(jié)能方案產(chǎn)生的節(jié)能效果進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估節(jié)能效果，并根據(jù)評(píng)估的節(jié)能效果不斷優(yōu)化節(jié)能策略。操作評(píng)估主要是指對(duì)下發(fā)OMC的節(jié)能指令執(zhí)行日志進(jìn)行實(shí)時(shí)解析、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行失敗的指令，根據(jù)關(guān)鍵字段獲取小區(qū)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G時(shí)代基站兩大場(chǎng)景技能方案應(yīng)用，有助于更好地提高5G技術(shù)應(yīng)用普及發(fā)展水平，對(duì)控制5G基站運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本具有重要意義，可以從根本上解決5G基站建設(shè)維護(hù)部分問題，為5G技術(shù)多元化發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。