4G與5G雙網(wǎng)共存時能效最優(yōu)策略

薛亞輝，邵澤才，崔春風(fēng)，金婧，王菡凝

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，信息通信技術(shù)（information an2 communications technology，ICT）產(chǎn)業(yè)能耗不斷攀升。2011—2020年，中國移動年度總耗電量年均增長量為9.70%，2020年度總耗電量達到292.3億千瓦時，其中基站耗電量年均增長率為11.33%。從全球范圍來看，2020年ICT產(chǎn)業(yè)能耗約20 000億千瓦時，預(yù)計到2030年，移動接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心將增長3～4倍[1]。現(xiàn)如今，國際社會關(guān)于節(jié)能的呼聲越來越高，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）、全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（Global System for Mobile Communications Association，GSMA）等國際組織號召全球ICT產(chǎn)業(yè)到2030年將碳排放降低45%，綠色節(jié)能無線網(wǎng)絡(luò)勢在必行[2]。

與4G相比，5G滿足了用戶更低時延的需求，采用了更寬的頻段資源，引入了大規(guī)模多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)，大大提高了峰值吞吐量[3-4]，但由于基帶計算量大且射頻效率略低，5G基站功率更高。據(jù)中國移動2019年測得的數(shù)據(jù)，在滿負(fù)荷下，5G 的平均測量吞吐量約為4G吞吐量的16倍，5G基站的總功耗是4G的3～4倍，5G能效比4G高。但在現(xiàn)網(wǎng)中，基站大多數(shù)情況下都是在中低負(fù)荷下運行。因此，針對4G與5G雙網(wǎng)共存的狀態(tài)，研究不同負(fù)荷下4G與5G的網(wǎng)絡(luò)能效，尋求無線網(wǎng)絡(luò)能效最優(yōu)，對于運營商來說，至關(guān)重要。

1 網(wǎng)絡(luò)能效

在以往的研究中，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重點集中在高容量、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率、吞吐量和低時延等方面，而近些年來，由于環(huán)境及運營成本等原因，無線網(wǎng)絡(luò)的能源效率 （energy efficiency，EE）已成為評估網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)之一[5-7]。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，常見的網(wǎng)絡(luò)能效定義主要有：系統(tǒng)級能效、網(wǎng)絡(luò)級能效和鏈路級能效。系統(tǒng)級能效考慮整個通信系統(tǒng)的能效性能，定義為系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率的比值。網(wǎng)絡(luò)級能效考慮的范圍較大，不僅考慮網(wǎng)絡(luò)對功率的使用效率，同時也會考慮網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量等信息。鏈路級能效可分析通信系統(tǒng)中單個設(shè)備的能效，比如基站能效[8-10]。在本文中，主要研究基站的能效，能效度量形式為bit/J，為每消耗1 J的功率所能成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，表示為：

其中，R代表傳輸速率，P代表傳輸過程中消耗的功率。

2 基站能耗模型建立

2.1 基站能耗的組成

單個基站的能耗主要由站點基礎(chǔ)設(shè)施和主設(shè)備兩部分構(gòu)成。站點基礎(chǔ)設(shè)施通常包括用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流器、備用電源（如電池）和其他設(shè)施（如空調(diào)）。主設(shè)備是機柜中的基站設(shè)備，一般包括基帶單元和無線電單元[11]。單座基站的能量傳輸路徑示意圖如圖1所示。

圖1 單座基站的能量傳輸路徑示意圖

由圖1可見，基站能量傳輸由基礎(chǔ)設(shè)施、主設(shè)備和空口3個部分構(gòu)成。其能量消耗很大一部分來源于基站主設(shè)備，本文只考慮基站主設(shè)備的能效，暫不考慮空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施的能效。

基站主設(shè)備從功能上大致分為基帶處理單元（base ban2 unit，BBU）、遠(yuǎn)端射頻單元（remote ra2io unit，RRU）和天線3部分。5G基站中，RRU與天線進行物理集成，組成有源天線單元（active antenna unit，AAU）?；局髟O(shè)備的功耗主要來自于BBU和AAU（或RRU）。一套典型的4G基站主設(shè)備一般包括1個基帶處理單元和3個遠(yuǎn)端射頻單元。一套5G基站主設(shè)備一般包括1個BBU和3個AAU。

BBU完成基帶、主控、傳輸以及時鐘等功能，其功耗主要來自內(nèi)部處理器、ASIC/FPGA等芯片。與4G相比，5G基站支持更高速率、更低時延，內(nèi)部芯片數(shù)量更多、性能更高，故BBU整機功耗比4G更高。

AAU的功耗主要來自于模擬信號處理模塊、收發(fā)信機、功率放大器（power amplifier，PA）、濾波器、雙工器以及低噪聲放大器等。收發(fā)信機主要完成上行射頻處理、下行的IQ數(shù)據(jù)解復(fù)用等功能；PA對收發(fā)信機輸出信號的進行功率放大，配合削峰（crest factor re2uction，CFR）和數(shù)字預(yù)失真（2igital pre-2istortional，DPD）提高效率。

2.2 基站能耗模型建立

影響基站主設(shè)備能耗的因素有很多，但主要因素為基站的業(yè)務(wù)量，即基站負(fù)荷，并且與主設(shè)備能耗呈正相關(guān)性，基站負(fù)荷越高，能耗越高。目前，針對基站主設(shè)備能耗模型的研究已較為成熟，大量的研究表明，基站BBU功耗隨基站負(fù)荷變化很小，基本和基站負(fù)荷大小無關(guān)，射頻單元的能耗與基站負(fù)荷呈線性關(guān)系[12]?；局髟O(shè)備能耗可表示為：

其中，P為基站主設(shè)備總能耗，BBUP為基站BBU的能耗，RFP為射頻單元能耗（4G為RRU能耗，5G為AAU能耗），L表示為基站負(fù)荷，X根據(jù)不同基站類型取不同的值，0P為射頻部分靜態(tài)功耗。

在優(yōu)化鑄造系統(tǒng)之后，再次進行模擬．優(yōu)化前后鑄件的最終收縮率如圖7所示．從圖7可以看出，優(yōu)化后原始圓圈中的缺陷基本消除，上面圓圈內(nèi)鑄件的最大缺陷也從原來的0.635 cm3減小到0.478 cm3．

本文測量了兩款典型的4G和5G宏基站在不同負(fù)荷下射頻部分的功耗，4G RRU功耗值見表1，5G AAU功耗值見表2。

其中，4G宏基站額定發(fā)射功率為40 B，共3個扇區(qū)，每個扇區(qū)8根天線，載波頻率為2.6 GHz，單載波帶寬20 MHz，每扇區(qū)3載波；5G宏基站的額定發(fā)射功率為240 B，共3個扇區(qū)，每個扇區(qū)64根天線，載波頻率為2.6 GHz，單載波帶寬為100 MHz。參考式（3），根據(jù)表1與表2的實測數(shù)據(jù)，利用線性回歸算法擬合得到4G與5G基站射頻部分功耗模型[13]。4G基站RRU能耗與無線利用率關(guān)系式：

其中，RRUP為4G基站RRU功耗，1X為4G無線利用率（平均占用RB數(shù)/RB總數(shù)）。

5G基站AAU能耗與無線利用率關(guān)系式為：

其中，2Y為5G基站AAU功耗，2X為5G無線利用率（平均占用RB數(shù)/RB總數(shù)）。

表1 4G RRU功耗值

表2 5G AAU功耗值

綜上，本文測試的4G基站和5G基站的能耗表達式為：

3 仿真計算

3.1 仿真參數(shù)

本文選擇應(yīng)用較為廣泛的城市宏基站為仿真場景，4G與5G載波頻率均選擇2.6 GHz。4G、5G參數(shù)配置的主要區(qū)別在于5G載波帶寬更寬、發(fā)射天線數(shù)量更多，仿真配置參數(shù)見表3。

表3 仿真配置參數(shù)

3.2 業(yè)務(wù)模型

為更真實地對現(xiàn)實中的業(yè)務(wù)情況進行仿真，本文中采用3GPP TR 36.814中的FTP Mo2e 1業(yè)務(wù)模型[14]，見表4。Mo2el 1提供了2 MB和0.5 MB兩種大小的數(shù)據(jù)包。本文采用的是2 MB的數(shù)據(jù)包。對于一個用戶，每次至多有一個數(shù)據(jù)包傳輸，并且一個用戶只產(chǎn)生一次FTP業(yè)務(wù)。FTP Mo2el 1業(yè)務(wù)生成示意圖如圖2所示。

表4 FTP Mode 1業(yè)務(wù)模型

用戶到達速率λ符合泊松分布，通過改變用戶到達速率λ來表示系統(tǒng)負(fù)載：

4 結(jié)果分析

本文利用FTP業(yè)務(wù)模型，對4G和5G基站的不同流量負(fù)載進行了仿真。用基站的RU來表示基站負(fù)荷，將不同流量負(fù)載下的基站的RU，分別代入能耗模型式（6）和式（7），計算4G基站和5G基站的能耗，進而根據(jù)式（1）計算不同吞吐量下的基站能效，4G與5G能效曲線對比如圖3所示。

可以看出，4G與5G均存在能效占優(yōu)區(qū)間。當(dāng)單站吞吐量大于500 Mbit/s時，5G的能效更優(yōu)；吞吐量小于500 Mbit/s時，4G的能效更優(yōu)。

圖2 FTP Mo2el 1 業(yè)務(wù)生成示意圖

圖3 4G與5G能效曲線對比

造成4G與5G各自存在能效占優(yōu)區(qū)間的原 因可能在于，5G采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，提高10倍以上的頻譜效率[15]，但大規(guī)模 MIMO 通信系統(tǒng)使用了大量射頻鏈路，這些射頻鏈路消耗大量能量[16]。在低負(fù)荷情況下，5G基站靜態(tài)功耗比4G基站更高。隨著負(fù)荷的不斷增加，5G的頻譜資源利用率增加，頻譜效率提高，由此帶來的吞吐量增益越來越大，使得5G基站能效逐漸大于4G。

根據(jù)目前4G與5G雙網(wǎng)共存時4G與5G業(yè)務(wù)流量占比情況，基于以上結(jié)論，制定網(wǎng)絡(luò)運營策略：4G與5G雙網(wǎng)共存時，當(dāng)業(yè)務(wù)量小于500 Mbit/s時，只開4G基站；業(yè)務(wù)量大于500 Mbit/s時，只開能效更優(yōu)的5G基站。執(zhí)行該網(wǎng)絡(luò)運營策略的基站功耗與吞吐量變化曲線以及基站能效與吞吐量變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 基站功耗與吞吐量變化曲線

圖5 基站能效與吞吐量變化曲線

可以看出，4G和5G雙網(wǎng)共存時，負(fù)荷較高的情況下，5G能效更優(yōu)，當(dāng)基站吞吐量為1 000 Mbit/s時，采用新運營策略的基站功耗為原基站功耗的45.9%，能效為原基站能效的217.4%；在低負(fù)荷情況下，4G能效更優(yōu)，當(dāng)基站吞吐量為200 Mbit/s時，采用新運營策略的基站功耗為原基站功耗的40.1%，能效為原基站能效的249.4%。在本文的幾種不同吞吐量的計算中，采用新運營策略的基站平均功耗為原基站功耗的46.6%，基站平均能效為原基站能效的216.4%。

5 結(jié)束語

本文首先分析基站能耗的主要組成部分及影響因素，通過實測數(shù)據(jù)得出基站能耗與無線資源利用率的關(guān)系式，進而建立4G與5G基站的能耗模型。然后利用仿真平臺進行了不同吞吐量下的4G和5G基站的仿真，計算了4G和5G基站在不同負(fù)載下的能效。結(jié)果表明，4G和5G單個基站能效隨負(fù)載的變化而變化，且存在各自能效占優(yōu)區(qū)間。在雙網(wǎng)并存時，根據(jù)負(fù)載采取能效最優(yōu)策略決定開啟4G或5G基站，基站能效可提升116.4%，此結(jié)果對基站運營策略具有一定意義。下一步研究中將進一步分析影響基站能耗的因素，細(xì)化基站能耗模型。