面向“雙碳”的5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

官磊，丁洋，李銳杰，蘇桐，胡麗潔，王軼，胡南

（1. 華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129；2. 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

從全球范圍來看，碳達(dá)峰（peak carbon dioxide emissions）和碳中和（carbon neutrality）（簡(jiǎn)稱“雙碳”）已經(jīng)成為各行各業(yè)可持續(xù)發(fā)展的共同目標(biāo)。隨著5G部署在全球各區(qū)域加速開展，5G正在助力千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。通過5G提高生產(chǎn)效率，可間接幫助企業(yè)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于電信行業(yè)，ICT基礎(chǔ)設(shè)施的綠色節(jié)能減排同樣重要。2021年12月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門下達(dá)了關(guān)于印發(fā)《貫徹落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求推動(dòng)數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》的通知?？梢姡档途W(wǎng)絡(luò)能耗一方面有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)社會(huì)發(fā)展、符合“雙碳”目標(biāo)，另一方面可以降低運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本，給運(yùn)營(yíng)商帶來直接的經(jīng)濟(jì)收益。

從基站能耗組成來看[1]，無線處理（主要是天線單元）在基站中的能耗占比較大；然后到天線單元內(nèi)部，功率放大器和傳輸通道是占據(jù)較大能耗比例的兩個(gè)部分，因此需要尤其關(guān)注上述占比較大的部分的能耗降低，以達(dá)到節(jié)能通信的目標(biāo)。

5G通過引入大規(guī)模多天線技術(shù)，與4G相比，數(shù)十倍地提升了無線系統(tǒng)的比特能效。同時(shí)，5G引入了更多的頻段，單載波下可支持更大的載波帶寬，以達(dá)到更高的終端速率；通過靈活可配置的帶寬部分（bandwidth part，BWP）大小，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)需要降低射頻帶寬的大小，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和終端雙節(jié)能。此外，5G在初始設(shè)計(jì)時(shí)，就考慮無線系統(tǒng)能耗的問題，采用盡可能清潔設(shè)計(jì)的理念，相較于4G，能夠大幅減少持續(xù)發(fā)送的公共信號(hào)，包括各種參考信號(hào)、系統(tǒng)消息等，顯著降低輕載下的系統(tǒng)能耗。從進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗的角度，例如，天線數(shù)的靈活配置、帶寬或者頻段的靈活選擇等，仍存在較大的節(jié)能空間。

從運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，基站能耗隨著小區(qū)負(fù)載變化并沒有顯著變化，深夜空載時(shí)段的資源占用率（如物理資源塊（physical resource block，PRB））利用率極低（只有系統(tǒng)全部可用資源的5%以下），但是能耗高達(dá)滿載情況下的50%以上；類似地，在某些輕載時(shí)段（如一些地區(qū)的上午），PRB利用率上升，到20%～30%，但是能耗仍然達(dá)到滿載的60%以上。因此，可以得出觀察結(jié)論：空載和中輕載下，基站功耗并沒有隨著負(fù)載線性降低，有較大的改善空間。

除了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)考慮降低網(wǎng)絡(luò)能耗，在標(biāo)準(zhǔn)化方面，3GPP在5G新空口（new radio，NR）Release18（5G從該版本起被產(chǎn)業(yè)界看作5.5G，即5G-Advanced）的立項(xiàng)討論中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能課題受到眾多數(shù)量的運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商的支持，并且實(shí)現(xiàn)研究課題立項(xiàng)[2-26]。聚焦RAN側(cè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能也是第一次成功在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織中立項(xiàng)。該標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)主要包括3個(gè)部分：

· 討論和制定網(wǎng)絡(luò)能耗模型，該模型需要考慮基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、功率放大器效率、通道數(shù)、業(yè)務(wù)負(fù)載以及休眠狀態(tài)等因素；

· 討論和制定評(píng)估方法論，在考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的同時(shí)，還要保證能夠滿足一定的系統(tǒng)指標(biāo)，如給定的系統(tǒng)頻譜效率或用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)，必要時(shí)可以定義與網(wǎng)絡(luò)能效直接相關(guān)的新指標(biāo)；

· 基于上述能耗模型以及評(píng)估結(jié)果，討論并識(shí)別得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，從各個(gè)方面（包括時(shí)域、空域、頻域和功率域等）使能更動(dòng)態(tài)、更高效、更精準(zhǔn)的無線傳輸，并結(jié)合用戶反饋和基站間交互信息等方式，尤其需要考慮中輕載下的能效提升。

本文也是重點(diǎn)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)化立項(xiàng)的范圍，介紹與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能相關(guān)的內(nèi)容，包括節(jié)能模型、評(píng)估方法論以及各個(gè)維度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)等。

1 基站節(jié)能模型和評(píng)估方法論

1.1 基站節(jié)能模型

在討論具體的基站能耗評(píng)估以及制定節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)之前，需要對(duì)基站能耗模型進(jìn)行建模。

除了需要考慮一些基本系統(tǒng)參數(shù)（如系統(tǒng)帶寬、子載波間隔、總發(fā)送通道數(shù)等）之外，一般來說，基站會(huì)存在多檔休眠狀態(tài)（sleeping mode state，SM state）。不失一般性，基站休眠模式模型如圖1所示，基站的休眠狀態(tài)大致可以分為3種。在休眠態(tài)1，基站基礎(chǔ)能耗較高，但可以實(shí)現(xiàn)快速激活和休眠，比如可以做到符號(hào)級(jí)別的關(guān)斷休眠和啟動(dòng)，也即基站的休眠持續(xù)時(shí)間（duration）通常也較短，因此也可以理解為該狀態(tài)基站一直保持在激活態(tài)；在休眠態(tài)2，基站基礎(chǔ)能耗較休眠態(tài)1有所下降，但需要激活和休眠的持續(xù)時(shí)間也隨之增加，比如百毫秒至秒級(jí)休眠；在休眠態(tài)3，基站可以進(jìn)入深度休眠，基礎(chǔ)能耗最低，比如達(dá)到分鐘級(jí)甚至更長(zhǎng)的休眠時(shí)間。在不同休眠態(tài)之間存在切換過渡期，在該過渡期的時(shí)長(zhǎng)Mtran,l以及功耗Ptran,l取決于具體的實(shí)現(xiàn)情況?？紤]上述多檔休眠態(tài)的能耗建模如下：進(jìn)一步地，根據(jù)前文所述，將影響基站天線單元的主要能耗因素通道和功放等引入其中來考慮上述激活態(tài)下的能耗建模：

圖1 基站休眠模式模型

其中，Pstatic表示靜態(tài)電路能耗項(xiàng)，分別為通道和功放的能耗項(xiàng)，β1、β2和β3分別表示通道的激活比例、頻域RB激活比例和功率譜密度，ε為功放效率?？梢钥吹剑芎母せ钔ǖ罃?shù)成正比，影響功放的因素包括通道激活比例、RB激活比例、功率譜密度以及功放效率。

在上述基站能耗建模的框架基礎(chǔ)上，還可以采用一種考慮不同負(fù)載的平均能耗統(tǒng)計(jì)方法，也稱為ETSI模型，見表1，將1天24 h分為3個(gè)時(shí)間段，對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載情況，然后將各個(gè)時(shí)段的能耗進(jìn)行平均得到ETSI能耗模型下的能耗。

表1 ETSI能耗模型

1.2 基站節(jié)能評(píng)估方法論

第1.1節(jié)中定義的基站能耗模型，可以用于評(píng)估系統(tǒng)能耗，以及不同技術(shù)方案下的能耗對(duì)比。但是，在技術(shù)方案的評(píng)估方法中除了要考慮降低能耗為目標(biāo)，還需要在考慮降低能耗的同時(shí)，兼顧系統(tǒng)性能。系統(tǒng)性能可以包括系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率、用戶感知吞吐量（user perceived throughput，UPT）、小區(qū)接入性能等。具體，可以從兩個(gè)方面考慮。

· 對(duì)于無線資源控制RRC空閑態(tài)，公共信令發(fā)送占比是影響基站能耗的主要矛盾，因此在精簡(jiǎn)公共信令的方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮用戶的接入性能，包括接入成功率、時(shí)延、接入資源的負(fù)載平衡等。

· 對(duì)于RRC連接態(tài)，關(guān)注的節(jié)能收益需要在相應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量或頻譜效率不下降或下降值在某個(gè)門限內(nèi)這個(gè)大前提下，比如最大損失5%或10%；或者對(duì)于用戶來說，需要考慮用戶感知吞吐量，即單位時(shí)間內(nèi)傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)包的平均可達(dá)數(shù)據(jù)速率。對(duì)于特殊業(yè)務(wù)（如低時(shí)延高可靠），還需要考慮時(shí)延范圍內(nèi)且可靠性可達(dá)成的限制下的容量或速率。

1.3 3GPP評(píng)估基站節(jié)能的場(chǎng)景

基站節(jié)能的適用場(chǎng)景顯然是越多越好的。然而，當(dāng)前的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，如前文所述，空載和中輕載下的無線資源利用率與對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下的基站能耗占比極不成比例，因此具有較大的收益預(yù)期空間。3GPP在第一個(gè)版本的研究項(xiàng)目中，同意優(yōu)先考慮這些負(fù)載場(chǎng)景，包括多載波負(fù)載不同的場(chǎng)景。

另外，在3GPP研究立項(xiàng)的過程中，對(duì)具體的評(píng)估場(chǎng)景（用于給出評(píng)估的系統(tǒng)配置和參考參數(shù)等）做了討論。當(dāng)前的研究范疇還比較寬泛，可以簡(jiǎn)單地理解為低頻和高頻、FDD和TDD、多載波聚合和雙鏈接場(chǎng)景都可以考慮，包括在低頻FDD頻段也會(huì)考慮small cell、與LTE共站共頻譜的場(chǎng)景以及應(yīng)用了大規(guī)模多天線技術(shù)的場(chǎng)景。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

從上述分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能收益的主要空間來自中輕載場(chǎng)景，而重載場(chǎng)景下能效與譜效基本是成正比的，因?yàn)榇藭r(shí)可以關(guān)斷的時(shí)頻空資源是很少的。那么對(duì)于中輕載場(chǎng)景，一方面是公共信號(hào)的時(shí)域占比，另一方面是尋求時(shí)頻域資源利用上的能耗要盡量與業(yè)務(wù)負(fù)載相匹配，再有就是其他維度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。下面從這個(gè)邏輯分別介紹網(wǎng)絡(luò)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 時(shí)域節(jié)能技術(shù)

對(duì)于時(shí)域節(jié)能方面，就是盡可能在不損失或少損失網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，關(guān)斷信號(hào)的發(fā)送。一方面，對(duì)于RRC空閑態(tài)，相當(dāng)于系統(tǒng)空載，此時(shí)能耗瓶頸主要在于公共信號(hào)的發(fā)送；另一方面，對(duì)于中輕載，可以在無業(yè)務(wù)時(shí)進(jìn)行符號(hào)關(guān)斷，甚至在業(yè)務(wù)到達(dá)后推遲一段時(shí)間，統(tǒng)一發(fā)送或推遲到與公共信號(hào)一起發(fā)送，即匯聚調(diào)度。

2.1.1 極簡(jiǎn)公共信號(hào)發(fā)送

5G NR中的公共信號(hào)主要是同步信號(hào)塊（SSB）、系統(tǒng)消息、尋呼消息及相應(yīng)的調(diào)度信息等，其中SSB包括主輔同步信號(hào)和物理廣播信道，系統(tǒng)消息主要包括系統(tǒng)信息塊SIB1。為了保持用戶的初始接入，5G相關(guān)協(xié)議要求SSB發(fā)送周期至少為20 ms。此外，由于5G NR部署的頻點(diǎn)比4G系統(tǒng)高，如在3 GHz以上甚至在毫米波頻段，而非連接態(tài)下，基站無法獲取用戶的信道信息，這要求公共信號(hào)以波束成形的方式來發(fā)送。由于一個(gè)波束只能覆蓋較窄的方向，因此基站需要以時(shí)分復(fù)用的方式輪詢發(fā)送多個(gè)公共信號(hào)波束，以達(dá)到全方向的覆蓋要求。5G NR的公共信號(hào)的時(shí)域占比見表2，在保持20 ms的初始接入能力且7個(gè)公共信令波束的情況下，SSB和SIB1的時(shí)域占比可達(dá)22.7%。

表2 5G新空口系統(tǒng)的公共信號(hào)的時(shí)域占比

在中輕載場(chǎng)景下，盡管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)較少，但由于需要傳輸SSB和SIB1，基站無法有效進(jìn)行時(shí)域關(guān)斷，導(dǎo)致無法有效降低功耗。因此，減少SSB和SIB1傳輸，是實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能的一個(gè)重要手段。

一種降低公共信號(hào)時(shí)域占比的多載波方案極簡(jiǎn)公共信號(hào)發(fā)送如圖2所示，基礎(chǔ)成員載波或者基礎(chǔ)載波（basic component carrier，BCC）上提供全套的SSB和SIB消息以及其他容量成員載波或者節(jié)能載波（capacity component carrier，CCC）上的SIB消息，這樣可以保證CCC上不需要發(fā)送SIB消息。CCC上還可以發(fā)送簡(jiǎn)化的SSB，這里面稱為發(fā)現(xiàn)參考信號(hào)（discovery reference signal，DRS），以供用戶對(duì)CCC進(jìn)行同步和測(cè)量。如果基站和用戶能力可以保證用戶根據(jù)BCC的SSB進(jìn)行CCC的同步，甚至可以節(jié)省CCC上的SSB。通過這種CCC上極簡(jiǎn)的公共信號(hào)發(fā)送方案，可以極大地降低CCC上的公共信號(hào)時(shí)域占比，尤其適用于空載和輕載場(chǎng)景的情況，以達(dá)到CCC上的能耗降低的收益。此外，用戶從BCC上獲取CCC上的系統(tǒng)消息，還可以直接在CCC上發(fā)起隨機(jī)接入，緩解BCC上初始接入的擁塞問題。

圖2 極簡(jiǎn)公共信號(hào)發(fā)送

2.1.2 符號(hào)關(guān)斷和匯聚調(diào)度

在輕載場(chǎng)景下，由于用戶的業(yè)務(wù)突發(fā)特性，在沒有業(yè)務(wù)的時(shí)間段，基站可以動(dòng)態(tài)進(jìn)行符號(hào)關(guān)斷，以達(dá)到節(jié)能的目的。此外，在業(yè)務(wù)到達(dá)后推遲一段時(shí)間，將多次業(yè)務(wù)到達(dá)積攢在一起統(tǒng)一進(jìn)行發(fā)送，或者推遲到與公共信號(hào)一起發(fā)送，即匯聚調(diào)度。符號(hào)關(guān)斷和匯聚調(diào)度如圖3所示。

圖3 符號(hào)關(guān)斷和匯聚調(diào)度

需要指出的是，匯聚調(diào)度需要一定程度上預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間，且需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求，決定最大推遲發(fā)送時(shí)間，否則會(huì)導(dǎo)致用戶的感知數(shù)據(jù)速率下降。

2.2 空域節(jié)能技術(shù)

在上述符號(hào)關(guān)斷的基礎(chǔ)上或者不考慮上述符號(hào)關(guān)斷的情況，還可以考慮多天線的通道關(guān)斷，相比于符號(hào)關(guān)斷的關(guān)斷粒度進(jìn)一步細(xì)化到空域通道的維度，即在業(yè)務(wù)負(fù)載匹配的情況下，即使不關(guān)斷符號(hào)，仍然可以關(guān)斷其中一部分通道，以達(dá)到節(jié)能目的。與4G基站相比，5G基站通道數(shù)目急劇增加，通道關(guān)斷不僅可以降低功放功耗還可以降低通道的靜態(tài)功耗，已經(jīng)成為一種主流的節(jié)能方案。與符號(hào)關(guān)斷相比，通道關(guān)斷在保證服務(wù)連續(xù)性上更具優(yōu)勢(shì)?？沼蛲ǖ狸P(guān)斷如圖4所示。

圖4 空域通道關(guān)斷

一種解決方案是半靜態(tài)通道關(guān)斷，即基站會(huì)根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)和負(fù)載預(yù)測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間地關(guān)斷一部分通道。但是，由于業(yè)務(wù)到達(dá)的隨機(jī)性，即使在中輕載下，不同傳輸時(shí)間間隔（transmission time interval，TTI）如時(shí)隙上的RB利用率也會(huì)有較大波動(dòng)，半靜態(tài)通道關(guān)斷雖然可以保證服務(wù)連續(xù)性，但是在某些RB占用較高的TTI，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增加，用戶體驗(yàn)降低。但好處是半靜態(tài)關(guān)斷的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，且可以匹配不同通道開啟下的信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）的測(cè)量和上報(bào)配置。

另一種解決方案是動(dòng)態(tài)通道關(guān)斷，相較于半靜態(tài)通道關(guān)斷，可以提供更精細(xì)粒度的調(diào)整，更加匹配業(yè)務(wù)負(fù)載和需求。但是，動(dòng)態(tài)通道關(guān)斷的主要挑戰(zhàn)是會(huì)打亂系統(tǒng)的連續(xù)性，基站的通道配置動(dòng)態(tài)變化會(huì)造成很多測(cè)量和調(diào)整無法及時(shí)收斂。例如，可能在CSI測(cè)量時(shí)刻，用戶的基站狀態(tài)是32通道，但是到數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻就變?yōu)?6通道，則測(cè)量上報(bào)的CSI不再匹配激活通道數(shù)的變化。又例如，對(duì)于典型的開環(huán)鏈路自適應(yīng)技術(shù)，需要一定時(shí)間才能收斂，但是基站通道不斷動(dòng)態(tài)變化，會(huì)造成開環(huán)技術(shù)難以收斂，進(jìn)而影響系統(tǒng)傳輸效率和用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。因此，需要針對(duì)動(dòng)態(tài)通道關(guān)斷下的CSI不準(zhǔn)確問題，進(jìn)一步評(píng)估和研究相應(yīng)的解決方案。

通道關(guān)斷的節(jié)能評(píng)估如圖5所示，給出了在不同資源占用率且在不同UPT損失的情況下，半靜態(tài)通道關(guān)斷和動(dòng)態(tài)通道關(guān)斷相比不進(jìn)行通道關(guān)斷的基線能夠帶來的能耗收益。圖5中最左邊顯示為0的為不進(jìn)行通道關(guān)斷的基線能耗，圖5中其他柱狀體為相比于該基線能耗在不同關(guān)斷情況下的節(jié)省能耗?？梢钥闯?，隨著允許UPT損失數(shù)值的增加，節(jié)能收益逐漸增加；且動(dòng)態(tài)通道關(guān)斷可以更加匹配業(yè)務(wù)特征，因此，相比于半靜態(tài)通道關(guān)斷可以帶來更大的能耗節(jié)省。

圖5 通道關(guān)斷的節(jié)能評(píng)估

2.3 頻域和功率域節(jié)能技術(shù)

對(duì)于中輕載業(yè)務(wù)場(chǎng)景，通道關(guān)斷技術(shù)的核心是利用數(shù)據(jù)傳輸資源在空域的冗余，將傳輸資源在空域進(jìn)行匯聚，即將數(shù)據(jù)傳輸匯聚到更少的空域通道上，從而降低基站能耗。類似地，利用數(shù)據(jù)傳輸在頻域的資源冗余，將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行頻域資源擴(kuò)展，從而降低基站能耗。頻域擴(kuò)展和功率回退示意圖如圖6所示。

圖6 頻域擴(kuò)展和功率回退示意圖

根據(jù)香農(nóng)公式B=Wl b(1 +P)可知，給定傳輸速率Bbit/s，需要的傳輸功耗為：

Pout是隨著傳輸帶寬W/Hz的增大而降低的，其中P是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β首V密度，單位為W/Hz。因此，在頻域資源冗余的時(shí)候，可以通過增大傳輸資源結(jié)合降低傳輸功率譜密度的方案，降低整個(gè)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)功耗。該方案的思想還可以擴(kuò)展到空域和時(shí)域：當(dāng)空域通道冗余時(shí)，可以將數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)展到剩余通道上來降低整個(gè)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)功耗；當(dāng)時(shí)域資源冗余時(shí)，可以將數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)展到剩余時(shí)域符號(hào)上來降低整個(gè)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)功耗。但是無論是占用更多的空域通道還是時(shí)域符號(hào)，都不利于器件關(guān)斷，會(huì)帶來一定的靜態(tài)功耗提升，同時(shí)，占據(jù)更多的時(shí)域符號(hào)還會(huì)造成傳輸時(shí)延增加，降低用戶體驗(yàn)。

對(duì)于半靜態(tài)資源擴(kuò)展，基站會(huì)根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)或者根據(jù)RB占用率預(yù)測(cè)，確定一個(gè)資源擴(kuò)展因子α（對(duì)于SE降低為1/α），然后在每個(gè)TTI，基站會(huì)根據(jù)每個(gè)UE的CSI反饋值確定合適的調(diào)制編碼方式 MCS1，然后根據(jù)擴(kuò)展因子α確定調(diào)整后的 MCS2，最后根據(jù)MCS1和 MCS2分別對(duì)應(yīng)的解調(diào)信干噪比SINR門限 SINR1和 SINR2來確定發(fā)送功率譜回退值：

對(duì)于動(dòng)態(tài)資源擴(kuò)展，基站會(huì)在每個(gè)TTI上根據(jù)當(dāng)前TTI上的待傳業(yè)務(wù)量和預(yù)測(cè)RB占用率，來確定當(dāng)前TTI的資源擴(kuò)展因子α，再同樣執(zhí)行MCS回退和發(fā)送功率譜回退。當(dāng)然，這種方式也有其適用的場(chǎng)景或限制。例如，考慮小區(qū)邊緣用戶的接收SINR本來就已經(jīng)很低，進(jìn)一步回退發(fā)送功率譜密度會(huì)急劇惡化信道估計(jì)性能和接收性能，因此可以考慮設(shè)定MCS門限，只有當(dāng)MCS大于或等于該門限時(shí)，才會(huì)進(jìn)行資源擴(kuò)展和功率譜回退。

上述解決方案中，發(fā)送功率譜回退值默認(rèn)為是解調(diào)SINR回退值，這個(gè)在單用戶單流傳輸下是正確的，但是在單用戶多流或多用戶多流傳輸下，不再正確。假設(shè)用戶側(cè)采樣最小均方誤差（minimize mean square error，MMSE）接收機(jī)，則基站發(fā)送功率譜回退ρ后，用戶的接收SINR可以表示為：

其中，hl是基站到UE的目標(biāo)數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的傳輸信道（包含預(yù)編碼處理），hj是基站到UE的干擾數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的傳輸信道（包含預(yù)編碼處理），Rinter是目標(biāo)基站外的干擾自相關(guān)矩陣，c是用戶對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)流的接收向量。從式（6）可見，當(dāng)時(shí)，即當(dāng)流間干擾是主要干擾時(shí)，用戶的接收SINR與基站側(cè)發(fā)送功率譜回退ρ近似無關(guān)；反之，當(dāng)時(shí)，用戶的接收SINR隨著基站側(cè)發(fā)送功率譜回退ρ線性降低。因此，需要進(jìn)一步評(píng)估和研究上述功率回退值與MCS不匹配的問題。

頻域擴(kuò)展和功率回退的節(jié)能評(píng)估如圖7所示，給出了在不同UPT損失的情況下，功率回退與不進(jìn)行功率回退相比的基線能夠帶來的能耗收益。圖7最左邊顯示為0的為不進(jìn)行功率回退的基線能耗，圖7中其他柱狀體為相比于該基線能耗在不同UPT損失情況下的節(jié)省能耗。可以看出，隨著允許UPT損失數(shù)值的增加，節(jié)能收益逐漸增加，這是因?yàn)閷⒖沼囝l域資源進(jìn)行擴(kuò)展換取了功率譜密度的降低。

圖7 頻域擴(kuò)展和功率回退的節(jié)能評(píng)估

2.4 其他節(jié)能技術(shù)

除了上述時(shí)域、空域、頻域和功率域的基礎(chǔ)節(jié)能技術(shù)之外，還可以考慮其他維度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)。

（1）組網(wǎng)節(jié)能

單站節(jié)能技術(shù)之外，還可以考慮多站組網(wǎng)下的節(jié)能技術(shù)。具體地，在輕載場(chǎng)景下，可以關(guān)斷一些基站，而依靠剩余的少量基站來保證用戶的空閑態(tài)駐留以及輕載下的數(shù)據(jù)傳輸需求。因此，需要進(jìn)一步研究多站情況下的接入和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。此外，還可以考慮基站間交互信息，比如交互負(fù)載信息以輔助多站聯(lián)合的關(guān)斷和業(yè)務(wù)接管等功能。

（2）輔助信息

網(wǎng)絡(luò)節(jié)能還可以依賴一些輔助信息，比如上述基于用戶的CSI反饋等也可以看作是一種用戶上報(bào)的輔助信息。此外，還可以進(jìn)一步研究其他用戶的輔助信息，比如用戶的業(yè)務(wù)類型和具體需求、用戶移動(dòng)信息和歷史接入信息等，這些可以幫助網(wǎng)絡(luò)更好地做出調(diào)度決策或者關(guān)斷決策，應(yīng)用到前述的匯聚調(diào)度、負(fù)載預(yù)測(cè)等中，甚至可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和用戶的雙向節(jié)能。

（3）功放效率提升

除信號(hào)傳輸技術(shù)之外，還可以考慮器件效率提升，其中最主要的是功放效率提升。影響功放效率的最直接的因素就是信號(hào)的峰均功率比（peak to average power ratio，PAPR）。

隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)由于在數(shù)據(jù)吞吐量、鏈路可靠性、抗干擾能力等方面的優(yōu)異性能，已成為當(dāng)今移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，OFDM技術(shù)以及MIMO技術(shù)的使用也會(huì)帶來一些新的問題，其中一個(gè)問題就是發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上存在較大的波動(dòng)，即PAPR較高，具體定義為：

其中，x(n)表示發(fā)射天線上長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列。

高PAPR的傳輸信號(hào)會(huì)嚴(yán)重降低通信系統(tǒng)的傳輸效率。當(dāng)傳輸信號(hào)有較高的PAPR時(shí)，發(fā)射端的高功率放大器需要工作在較低的工作區(qū)間，這使得功放效率不高。因此，需要持續(xù)研究降低多載波系統(tǒng)的PAPR的一系列技術(shù)，甚至考慮新波形技術(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的能耗模型入手，從需要同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)能效和系統(tǒng)性能的角度，在滿足系統(tǒng)性能需求的前提下，評(píng)估和研究面向“雙碳”的綠色網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)。具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)可以包括時(shí)域關(guān)斷、空域通道關(guān)斷、頻域擴(kuò)展和功率回退。此外，還可以擴(kuò)展地考慮其他維度的節(jié)能技術(shù)，比如多站組網(wǎng)節(jié)能、輔助信息和功率效率提升等節(jié)能手段。這些已經(jīng)在3GPP的評(píng)估考慮范疇之內(nèi)。最終需要在性能和節(jié)能收益之間達(dá)到較好的平衡。評(píng)估工作將在2022年年底結(jié)束，屆時(shí)3GPP將會(huì)推薦候選技術(shù)方案，成立工作項(xiàng)目，在2023年完成核心的工作，標(biāo)準(zhǔn)化其中多項(xiàng)技術(shù)，使得基站在不同的場(chǎng)景下按需使用合適的方案或其組合。