面向多層無線網(wǎng)絡(luò)的基站協(xié)同節(jié)能*

劉通，田波，袁振宇

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

5G已成為推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎，但5G基站能耗高達(dá)4G基站的2～3倍，基站節(jié)能技術(shù)對推進(jìn)5G節(jié)能降耗、踐行“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。在業(yè)界共同關(guān)注下，符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載頻關(guān)斷、深度休眠、智能硬關(guān)斷等節(jié)能技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，取得了一定的效果，如表1所示。符號關(guān)斷、通道關(guān)斷屬基站軟節(jié)能技術(shù)，節(jié)能期間僅關(guān)閉部分資源，對基站性能影響較小，基站仍處于正常服務(wù)狀態(tài)，主流廠家基站網(wǎng)管均具備符號關(guān)斷、通道關(guān)斷的自動觸發(fā)能力，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)條件時，基站將自動觸發(fā)啟動或退出節(jié)能，也可以通過第三方AI平臺進(jìn)行節(jié)能策略部署，因此應(yīng)用相對廣泛。載頻關(guān)斷、深度休眠、硬關(guān)斷屬基站硬節(jié)能技術(shù)，節(jié)能期間將關(guān)閉主要射頻器件，不再發(fā)射信號，基站實(shí)際上處于退出服務(wù)狀態(tài)，因此有限應(yīng)用于部分可以短時關(guān)閉5G的場景。

表1 現(xiàn)網(wǎng)部分型號基站不同節(jié)能方式的節(jié)能效果統(tǒng)計（基于現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷）

鑒于4G和5G網(wǎng)絡(luò)將在相當(dāng)長的時間內(nèi)共存、協(xié)同演進(jìn)，基站節(jié)能技術(shù)也在4G網(wǎng)絡(luò)上得到應(yīng)用，但普遍采用4G或5G獨(dú)立節(jié)能模式，不僅4G/5G網(wǎng)絡(luò)間沒能有效協(xié)同，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同頻點(diǎn)也未做策略區(qū)分，節(jié)能收益沒有最大化。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)不同節(jié)能方式的收益分析，基站硬節(jié)能技術(shù)在節(jié)能效果上顯著優(yōu)于基站軟節(jié)能技術(shù)，若能通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)間的有效協(xié)同，以滿足用戶業(yè)務(wù)需求為衡量標(biāo)準(zhǔn)，把4G/5G網(wǎng)絡(luò)視為一個整體，在保障用戶感知的情況下將部分5G業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到4G網(wǎng)絡(luò)承載，硬節(jié)能技術(shù)可在5G網(wǎng)絡(luò)得到更大范圍應(yīng)用，將大幅提升5G基站節(jié)能收益。

1 多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能機(jī)制

為滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和業(yè)務(wù)發(fā)展需要，充分發(fā)揮各頻點(diǎn)的優(yōu)勢，電信運(yùn)營商普遍采用了多頻組網(wǎng)模式，比如中國電信4G網(wǎng)絡(luò)使用了800 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz等頻點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)使用了3.5 GHz、2.1 GHz等頻點(diǎn)。通常，將某些覆蓋能力較強(qiáng)的頻點(diǎn)定位為基礎(chǔ)覆蓋頻點(diǎn)，用于提供連續(xù)的信號覆蓋，而將某些用于增加容量、分擔(dān)業(yè)務(wù)的頻點(diǎn)定位為容量頻點(diǎn)，解決區(qū)域性或局部熱點(diǎn)的容量需求，同一網(wǎng)絡(luò)的不同頻點(diǎn)之間、不同網(wǎng)絡(luò)的頻點(diǎn)之間通過重選、切換等技術(shù)進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)覆蓋互補(bǔ)、業(yè)務(wù)分擔(dān)的目的。從頻點(diǎn)視角來看，每一個頻點(diǎn)都構(gòu)成了一層邏輯網(wǎng)絡(luò)，4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是由多個頻點(diǎn)疊加構(gòu)成的多層網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 多層無線網(wǎng)絡(luò)示意

1.1 協(xié)同節(jié)能場景

多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能的前提是多個頻點(diǎn)共覆蓋同一區(qū)域，鑒于無線網(wǎng)絡(luò)中多頻共站址屬主流場景，因此多層無線網(wǎng)絡(luò)的基站協(xié)同節(jié)能主要針對共站址的多個頻點(diǎn)小區(qū)間的協(xié)同節(jié)能，在不降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、保障客戶感知的前提下，盡可能多的對基站實(shí)施硬節(jié)能，以獲取更大的節(jié)能收益。

在目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能的場景包括4G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各頻點(diǎn)間協(xié)同、5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各頻點(diǎn)間協(xié)同、4G和5G網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間協(xié)同，其中最具典型性的當(dāng)屬4G和5G網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間的協(xié)同節(jié)能，即在滿足用戶業(yè)務(wù)需求的前提下，對5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施硬節(jié)能，將用戶和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到4G網(wǎng)絡(luò)承載，實(shí)現(xiàn)節(jié)能收益最大化。

當(dāng)前5G業(yè)務(wù)尚處于發(fā)展初期，2021年5G分流比首超20%，根據(jù)對某地市當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的統(tǒng)計，在一天連續(xù)24小時中82.4%的時段基站PRB利用率低于10%，如圖2（a）所示，可見5G網(wǎng)絡(luò)處于輕載狀態(tài)，硬節(jié)能技術(shù)具備應(yīng)用的基礎(chǔ)。為滿足5G業(yè)務(wù)快速發(fā)展需要，在考慮基站節(jié)能的同時也要滿足業(yè)務(wù)發(fā)展對5G網(wǎng)絡(luò)的要求，對于有5G用戶、有5G業(yè)務(wù)的基站應(yīng)主要針對夜間（22時—6時）低零流量時段進(jìn)行硬節(jié)能，分析硬節(jié)能時段時應(yīng)在PRB利用率基礎(chǔ)上增加流量因素。以某地市為例，按照PRB利用率＜10%且流量＜500 MB/扇區(qū)/小時進(jìn)行統(tǒng)計，可硬節(jié)能3小時以上的扇區(qū)占比達(dá)60.4%，如圖2（b）所示。由此可見，多層無線網(wǎng)絡(luò)4G/5G基站協(xié)同節(jié)能有較大的應(yīng)用空間。

圖2 某地市5G網(wǎng)絡(luò)3.5 GHz基站（64T64R配置）硬節(jié)能時段分析

1.2 節(jié)能優(yōu)先級機(jī)制

多層無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)覆蓋頻點(diǎn)、容量頻點(diǎn)在基站協(xié)同節(jié)能時應(yīng)予以區(qū)別對待，基于此設(shè)計了節(jié)能優(yōu)先級（ESP，Energy_Saving_Priority）機(jī)制。通過為多層無線網(wǎng)絡(luò)的每個頻點(diǎn)賦予唯一的節(jié)能優(yōu)先級，在進(jìn)行基站協(xié)同節(jié)能判決時，節(jié)能優(yōu)先級高的頻點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行節(jié)能。為確保網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)能力，設(shè)置基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（BNI，Basic_Network_Identify，取值為0、1）、基礎(chǔ)頻點(diǎn)（BFI，Basic_Frequency_Identify，取值為0、1）標(biāo)識，對標(biāo)記為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)頻點(diǎn)可設(shè)置為不允許硬節(jié)能，避免因過度節(jié)能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)覆蓋空洞。

例如，在中國電信當(dāng)前的4G/5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，可以配置4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)的800 MHz為基礎(chǔ)頻點(diǎn)，提供網(wǎng)絡(luò)基本的覆蓋和VoLTE語音業(yè)務(wù)承載。節(jié)能優(yōu)先級按5G 3.5 GHz頻點(diǎn)＞4G 2.1 GHz頻點(diǎn)＞4G 1.8 GHz頻點(diǎn)＞4G 800 MHz頻點(diǎn)設(shè)置，即優(yōu)先對5G節(jié)能，最后對4G 800 MHz頻點(diǎn)節(jié)能，且800 MHz頻點(diǎn)不允許硬節(jié)能，如圖3所示。

圖3 節(jié)能優(yōu)先級示意

1.3 負(fù)荷轉(zhuǎn)移評估機(jī)制

基站硬節(jié)能時，小區(qū)實(shí)際上處于退服狀態(tài)，因此需要先對其它頻點(diǎn)能否有效承接硬節(jié)能頻點(diǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行評估，作為多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能的主要判決條件。基站PRB利用率反映了空口時頻資源的占用情況，是基站負(fù)荷的最直接反映?；菊{(diào)度PRB資源用于傳送系統(tǒng)消息、用戶數(shù)據(jù)等，其中系統(tǒng)消息占用的PRB與基站的配置相關(guān)，主要涉及TDD/FDD雙工方式、載波帶寬、時隙配比（僅TDD）、波束配置、SSB周期、SIB1周期、OSI周期、尋呼配置等；用戶數(shù)據(jù)占用的PRB主要與數(shù)據(jù)量大小相關(guān)，但也受信號質(zhì)量、MIMO等因素影響。

基站系統(tǒng)消息占用的PRB可以進(jìn)行理論計算，以當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)主流配置：TDD雙工，100 MHz帶寬，30 kHz子載波，上下行時隙配比為3:7，SSB波束7個，SSB周期20 ms，SIB1周期20 ms，空口時隙結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)消息發(fā)送位置如圖4所示。

圖4 5G空口時隙結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)消息發(fā)送位置

按20 ms時長為例計算如下：

20 ms可調(diào)度下行RB總數(shù)：10 ms/幀，20 slot/幀，則RB總數(shù)=2×14×273=7644；

SSB占用RB數(shù)：頻域20個RB，時域4個slot，則RB數(shù)=20×4=80；

SIB1占用RB數(shù)：頻域32～48個RB，時域每周期發(fā)送次數(shù)與SSB波束個數(shù)相同，1個slot上發(fā)送1次，則RB數(shù)=48×7=336；

OSI開銷較小，Paging隨業(yè)務(wù)量變化且資源占用較少，可暫不考慮；

則系統(tǒng)消息基本開銷=（80+336）/7644=5.44%。

現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際統(tǒng)計數(shù)據(jù)與上述計算結(jié)果相符，如圖5所示。在流量接近0的情況下，基站PRB利用率約在5.5%左右。

圖5 某分公司5G基站下行PRB利用率與流量關(guān)系（3.5G 100MHz帶寬、64T64R配置）

上述理論分析和現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際話務(wù)統(tǒng)計均表明PRB利用率是反映基站負(fù)荷的直接指標(biāo)，但系統(tǒng)開銷占用了一部分PRB，因此在進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移時應(yīng)先扣除開銷部分，再按照不同網(wǎng)絡(luò)、不同頻點(diǎn)的資源配置進(jìn)行折算。以4G/5G網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同節(jié)能場景為例，因5G頻譜效率較4G高，在相同帶寬下的數(shù)據(jù)傳送能力更強(qiáng)，還需考慮頻譜效率的差異，經(jīng)驗(yàn)值一般取1.5，負(fù)荷轉(zhuǎn)移算法示例如下：

5G轉(zhuǎn)移到4G的折算負(fù)荷=（5G小區(qū)PRB利用率-5G小區(qū)系統(tǒng)消息開銷）×（5G小區(qū)載頻帶寬/4G小區(qū)載頻帶寬）×頻譜效率折算系數(shù)。

2 多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能流程

多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能包括負(fù)荷協(xié)同、故障協(xié)同。以4G/5G網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間的協(xié)同節(jié)能場景為例，負(fù)荷協(xié)同是指5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬節(jié)能時，4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能有效承接5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移負(fù)荷；故障協(xié)同是指當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，5G網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)執(zhí)行硬節(jié)能，若正在執(zhí)行應(yīng)立即喚醒5G網(wǎng)絡(luò)，以保障不出現(xiàn)覆蓋空洞而影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和用戶感知。

負(fù)荷協(xié)同流程主要包括共覆蓋判斷、負(fù)荷轉(zhuǎn)移評估、執(zhí)行硬節(jié)能、負(fù)荷監(jiān)控、硬節(jié)能退出等環(huán)節(jié)，故障協(xié)同流程主要包括故障監(jiān)控、節(jié)能狀態(tài)調(diào)整等環(huán)節(jié)。故障協(xié)同流程需嵌入負(fù)荷協(xié)同流程，作為負(fù)荷協(xié)同流程的異常情況處理流程，以4G/5G網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間的協(xié)同節(jié)能場景為例，如圖6所示。

圖6 4G/5G網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間的協(xié)同節(jié)能流程

其中，4G小區(qū)是否可以承載5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負(fù)荷、4G小區(qū)是否高負(fù)荷，通過4G小區(qū)PRB利用率進(jìn)行判斷。根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)，一般取PRB利用率門限為60～70%（可根據(jù)用戶感知速率要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置），即當(dāng)4G小區(qū)PRB利用率+5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負(fù)荷＜60%時，4G小區(qū)可以承載5G小區(qū)轉(zhuǎn)移負(fù)荷；當(dāng)4G小區(qū)PRB利用率＞70%時，4G小區(qū)判為高負(fù)荷。為避免因瞬時高負(fù)荷觸發(fā)協(xié)同節(jié)能異常終止，一般4G小區(qū)PRB利用率大于70%需持續(xù)一定時間才判為高負(fù)荷。

在5G小區(qū)執(zhí)行硬節(jié)能過程中，監(jiān)控子流程將持續(xù)運(yùn)行，一旦出現(xiàn)4G小區(qū)故障、4G小區(qū)高負(fù)荷，以及硬節(jié)能時間到，將立即喚醒5G網(wǎng)絡(luò)，及時提供服務(wù)、分擔(dān)業(yè)務(wù)。

3 多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能應(yīng)用

中國電信安徽公司自主研發(fā)了基站智慧節(jié)能系統(tǒng)，綜合運(yùn)用多種節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能。其中符號關(guān)斷24小時開啟；通道關(guān)斷通過AI算法預(yù)測時間窗口，在中低流量時段開啟；5G深度休眠、基于智能開關(guān)的5G智能關(guān)斷等硬節(jié)能在4G/5G共址共覆蓋站點(diǎn)全面應(yīng)用，負(fù)荷、故障協(xié)同嵌入硬關(guān)斷流程，在夜間低零流量時段開啟，具體策略如表2所示。

表2 基站智慧節(jié)能系統(tǒng)多層無線網(wǎng)絡(luò)基站協(xié)同節(jié)能策略配置

當(dāng)前，基站軟、硬節(jié)能做到5G基站即開即部署，節(jié)能策略做到“一站一策”。從現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際統(tǒng)計來看，配置了相應(yīng)節(jié)能策略的小區(qū)，通道關(guān)斷平均節(jié)能0.8小時/小區(qū)，深度休眠平均節(jié)能5.2小時/小區(qū)，智能關(guān)斷平均節(jié)能5.1小時/小區(qū)，安徽全省年節(jié)約電費(fèi)超3千萬元，相關(guān)創(chuàng)新成果申報發(fā)明專利2項(xiàng)，榮獲中國電信集團(tuán)科技創(chuàng)新成果貢獻(xiàn)獎。

4 結(jié)束語

通過對無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，提出了4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由多個頻點(diǎn)疊加構(gòu)成的多層網(wǎng)絡(luò)論斷，在進(jìn)一步分析各種基站節(jié)能技術(shù)利弊和收益的基礎(chǔ)上，建立4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)基于負(fù)荷、故障的協(xié)同節(jié)能流程，在4G/5G獨(dú)立節(jié)能基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升基站節(jié)能效益，同時保持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)健壯性。隨著雙碳戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，多層無線網(wǎng)絡(luò)的基站協(xié)同節(jié)能將成為下一階段基站節(jié)能的重要模式，在負(fù)荷、故障協(xié)同的基礎(chǔ)上，未來還將進(jìn)一步研究基于感知的協(xié)同，豐富協(xié)同節(jié)能場景、優(yōu)化協(xié)同機(jī)制，持續(xù)提升基站節(jié)能效益。