5G基站節(jié)能方法研究

陶濤

(中郵建技術(shù)有限公司 江蘇南京 210000)

目前，5G基站單站址能耗高的問題一直是技術(shù)需要挖掘和攻關(guān)的重要課題。信息時代，5G技術(shù)的成熟應(yīng)用必須走節(jié)能降耗的路徑，必須從原理、方法選擇、處理對策等多方面進(jìn)行探索與應(yīng)用研究，以實現(xiàn)5G基站的高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

1 5G 基站設(shè)備

1.1 5G設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

目前，5G基站站型越來越豐富，根據(jù)發(fā)射功率、收發(fā)模式和覆蓋能力，可細(xì)分為宏站、微站、皮基站（pRRU）和飛站（Femto）等類型。不同站型其覆蓋能力和適用場景都存在一定差異。一般宏站設(shè)備主要由室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）組成，而微站一般分為室外微站和室內(nèi)微站，室外微站同樣由BBU和AAU組成，主要覆蓋道路、居民小區(qū)樓間對打、城中村等場景，室內(nèi)微站BBU+遠(yuǎn)端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）+分布系統(tǒng)或BBU+AAU 兩種形式，而皮基站是一種新型室分，主要為BBU、pHUB和pRRU組成適用于高價值室分場景。飛站、滿格寶等則主要是應(yīng)用于低價值補(bǔ)盲場景，是一種低成本方案，主要應(yīng)用于4G場景，5G場景應(yīng)用不多[1]。

1.2 5G設(shè)備硬件功能

BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號處理，AAU內(nèi)部結(jié)構(gòu)是將射頻單元與天線單元集成在了一起，構(gòu)成有源天線陣列，可將基帶數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，接著調(diào)制成高頻射頻信號，通過功率放大器（PA）放大功率，最后通過天線發(fā)射出去。BBU 的功率比較穩(wěn)定，不受業(yè)務(wù)量增大的影響。而AAU就不一樣了，隨著業(yè)務(wù)量的增加，功耗也隨之大幅增加。

1.3 C-RAN與D-RAN

為進(jìn)一步保障5G 的低時延、低能耗目標(biāo)，演進(jìn)推出了D-RAN 和C-RAN 兩種組網(wǎng)模式，如圖1 所示。D-RAN為傳統(tǒng)組網(wǎng)模式，因BBU和RRU/AAU共址，需求較多的光纖和光模塊連接。C-RAN 為BBU 集中布放模式，多個基站的BBU通過引入彩光和波分集中放置在同一個C-RAN機(jī)房內(nèi)[2]，RRU/AAU則通過拉遠(yuǎn)方式安裝，所需的光纖和光模塊連接大幅減少。

圖1 兩種組網(wǎng)模式

2 5G 基站能耗分析

為了滿足5G 增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（mMTC）的業(yè)務(wù)需求，5G引入了NR新空口技術(shù)，該項新技術(shù)對5G基站的設(shè)備硬件能力要求非常高，直接促使5G設(shè)備功耗顯著提升[3]。中國移動通信現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)使用的頻段集中在2.6 G和4.9 G頻段，存在頻段高、覆蓋差等問題，700 M頻段作為廣電共享的移動通信黃金頻段，具有傳播損耗小、覆蓋能力強(qiáng)的優(yōu)勢[4]。

根據(jù)5G基站的構(gòu)造，5G基站能耗主要來自BBU、AAU 等設(shè)備，具體如圖2 所示。設(shè)備功耗與其設(shè)備配置規(guī)格密切相關(guān)，設(shè)備功耗范圍通常在幾百至幾千瓦之間（如表1所示），給機(jī)房供電能力帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通常情況下BBU+AAU 架構(gòu)的基站，單個5G 站需1 個BBU 和3 個AAU，AAU 的功耗要遠(yuǎn)高于BBU 的功耗，單站至少70% 的能耗均來自AAU。顯而易見，降低5G基站能耗最高效的手段就是增強(qiáng)AAU的能效水平。

表1 不同設(shè)備的功耗 （單位：W）

圖2 5G站點能耗構(gòu)成

除BBU和AAU等主設(shè)備功耗外，還有一部分額外功耗存在，即從市電引入（交流）開始到直流供電的整個轉(zhuǎn)換過程中會額外損失掉的能耗，同時也包括機(jī)房空調(diào)等制冷設(shè)備所消耗的電量。目前，各大運營商都已投入了大量資金進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，重點是為搶占5G市場積極布局[5]。傳統(tǒng)基站降耗的主要辦法是減少傳輸功耗，例如：通過在業(yè)務(wù)閑時關(guān)閉部分射頻載波來實現(xiàn)節(jié)能減排，因為BBU功耗小于功率放大器和射頻部分功耗，對于傳統(tǒng)2G、3G、4G基站，由于基站的計算能力較小，通常傳輸功耗大于計算功耗。

3 5G基站節(jié)能具體實施

5G基站節(jié)能主要分主設(shè)備節(jié)電功能、小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電3種。主設(shè)備節(jié)電功能非常依賴廠家設(shè)備支持的節(jié)電功能，主要包括符號關(guān)斷、定時載波關(guān)斷和射頻通道智能休眠。小區(qū)關(guān)斷則是通過指令下發(fā)將小區(qū)關(guān)閉，可利用在話務(wù)閑時開啟小區(qū)深度休眠達(dá)到節(jié)能目的。拉閘下電是在話務(wù)閑時通過遠(yuǎn)程控制RRU/AAU方式直接下電，達(dá)成RRU/AAU定時節(jié)電的效果。

表2為小區(qū)關(guān)斷及AAU下電的節(jié)點系數(shù)。除小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電外，設(shè)備級節(jié)電功能均受到設(shè)備廠家功能License及設(shè)備版本限制，同時考慮成本因素未全面鋪開試點，待后期條件具備后再評估。

表2 5G-NR的節(jié)電數(shù)據(jù) （單位：度/小區(qū)/小時）

節(jié)電功能License需求，需要根據(jù)設(shè)備級節(jié)電功能的對比后決定，具體如表3所示。

表3 設(shè)備級節(jié)電功能的比較

目前，5G 所有設(shè)備級節(jié)電功能均需要License 支持，需單獨購買，小區(qū)關(guān)斷和拉閘下電均不需要廠家License支持。

以下分別介紹目前幾種主要實施節(jié)能技術(shù)。

3.1 符號關(guān)斷

5G RRU/AAU 中的射頻器件能耗最多，如功率放大器即使在沒有信號輸出的情況下，同樣會產(chǎn)生大量的靜態(tài)能耗。為降低系統(tǒng)的總能耗，且保持信令數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕敕栮P(guān)斷功能可有效降低基站能耗。具體如圖3所示。

圖3 符號關(guān)斷原理

在符號關(guān)斷功能開啟后，當(dāng)基站側(cè)檢測到符號無數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載時，會即時關(guān)閉RRU/AAU 射頻模塊，從而降低系統(tǒng)能耗。而當(dāng)基站側(cè)檢測到符號有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載時，則會即時打開RRU/AAU 射頻器件，以保證數(shù)據(jù)傳送完整性。符號關(guān)斷可應(yīng)用于多數(shù)應(yīng)用場景，對場景無特殊要求，建議全網(wǎng)開啟。符號關(guān)斷功能開啟需要設(shè)置符號關(guān)斷開關(guān)參數(shù)，該參數(shù)可以控制符號關(guān)斷功能開啟或關(guān)閉，建議打開該開關(guān)。如果同一射頻單元（通常包括AAU、RRU和pRRU）下綁定了多個NR小區(qū)，則所有NR小區(qū)均需打開該開關(guān)。

3.2 定時載波關(guān)斷

定時載波關(guān)斷，顧名思義是在指定時間段開啟的一種節(jié)能功能特性。在一些固定時段基站會處于輕載或空載狀態(tài)，但設(shè)備依然處于運行狀態(tài)，基站仍在持續(xù)耗電。定時載波關(guān)斷功能可實現(xiàn)在設(shè)置的時間段內(nèi)讓射頻模塊處于載波關(guān)斷狀態(tài)，達(dá)到閉塞載波節(jié)能的目的，如圖4所示。

圖4 定時載波關(guān)斷原理

開啟了定時載波關(guān)斷功能的小區(qū)將無法繼續(xù)為已駐留用戶提供正常業(yè)務(wù)，也無法為覆蓋范圍內(nèi)新用戶提供接入服務(wù)。因此，定時載波關(guān)斷功能更適用于多層網(wǎng)覆蓋場景下針對容量層小區(qū)開啟以達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)前5G主要為單層網(wǎng)覆蓋，建議優(yōu)先考慮在輕載或空載場景，或不需要提供業(yè)務(wù)的場景中開啟該功能，如夜間的地鐵、會展中心、場館等。定時載波關(guān)斷功能開啟關(guān)鍵參數(shù)主要包括節(jié)能開關(guān)、節(jié)能策略索引、啟動時刻、結(jié)束時刻和節(jié)能類型等。節(jié)能開關(guān)參數(shù)控制定時載波關(guān)斷功能開啟或關(guān)閉，節(jié)能策略索引唯一確定某時間段的節(jié)能策略映射的功能特性，在啟動時刻和結(jié)束時刻共同設(shè)定載波關(guān)斷功能的生效時間段，節(jié)能類型表示節(jié)能的策略類型，一般建議配置TIMING_CARRIER_SHUTDOWN。

3.3 射頻通道智能休眠

射頻通道智能休眠功能是一種通道級的節(jié)能特性機(jī)制。在某些時間段內(nèi)基站可能處于輕載或空載狀態(tài)，但是射頻模塊的發(fā)射通道仍處于工作狀態(tài)，基站仍在持續(xù)消耗大量電能。射頻通道智能休眠特性可在設(shè)定的時間段內(nèi)，根據(jù)小區(qū)所承載的業(yè)務(wù)量自動調(diào)整通道的收發(fā)功能狀態(tài)，即自動休眠該小區(qū)的部分發(fā)射通道，從而達(dá)到節(jié)能的目的，如圖5所示。

圖5 射頻通道智能休眠原理

當(dāng)射頻通道智能休眠功能生效后，還會自動調(diào)整小區(qū)的公共信道發(fā)射功率，目的是盡量保證基站的覆蓋和業(yè)務(wù)不受影響。但由于射頻通道智能休眠生效后會導(dǎo)致小區(qū)的部分發(fā)射通道轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，這對小區(qū)覆蓋會造成一定影響，用戶的峰值速率也可能隨之會下降，因此建議在站點較為密集的區(qū)域且存在輕載或空載情形的小區(qū)開啟該項功能。

開啟射頻通道智能休眠功能需要在網(wǎng)管上打開節(jié)能開關(guān)（Power Saving Switch）的子開關(guān)射頻通道功能開關(guān)（RF_SHUTDOWN_SW），再通過設(shè)置射頻通道智能休眠的開始時間和結(jié)束時間來明確生效時間段，時間粒度為天級，即影響每天同時段節(jié)能特性。如果同一小區(qū)需要在多個時段開啟該項休眠功能，則可通過節(jié)能策略索引和節(jié)能類型參數(shù)進(jìn)行唯一確定。

當(dāng)小區(qū)下行PRB 利用率小于或等于射頻通道智能休眠功能的下行PRB 利用率啟動門限（DlPrbThld）且當(dāng)前時間進(jìn)入射頻通道智能休眠功能生效的窗口期，小區(qū)就會自動進(jìn)入射頻通道智能休眠模式。而處于射頻通道智能休眠狀態(tài)的小區(qū)，若當(dāng)前時間已超出了設(shè)定的生效時間窗，或小區(qū)下行PRB 利用率大于下行PRB利用率門限與下行PRB利用率偏置門限之和，小區(qū)將自動退出射頻通道智能休眠模式。其中，下行PRB利用率偏置門限用于防止射頻通道智能休眠功能出現(xiàn)乒乓切換。

在功能開啟時間窗的設(shè)置方面建議選擇話務(wù)閑時（如凌晨1∶00—6∶00），并根據(jù)小區(qū)及周邊鄰區(qū)的用戶數(shù)、業(yè)務(wù)量和PRB利用率等指標(biāo)，按需設(shè)置開啟時間、結(jié)束時間和下行PRB門限等參數(shù)。

3.4 5G小區(qū)關(guān)斷

5G小區(qū)關(guān)斷功能通過指令下發(fā)方式實現(xiàn)，利用小區(qū)話務(wù)閑時休眠達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)5G 小區(qū)內(nèi)用戶較少時，5G小區(qū)基于一定業(yè)務(wù)量判斷原則啟動小區(qū)關(guān)斷功能特性操作，該操作并不會區(qū)分容量層和覆蓋層。功能啟動的業(yè)務(wù)量判斷條件為基于連續(xù)一周每日凌晨1∶00—6∶00小時級小區(qū)總流量小于100 MB（低零流量小區(qū)判斷門限，參考各省不同運營商自身規(guī)則）或小區(qū)內(nèi)最大用戶數(shù)小于5 個。5G 小區(qū)關(guān)斷功能有兩種方式：一種是關(guān)斷小區(qū)操作，即在網(wǎng)管上去激活小區(qū)；另一種是開啟小區(qū)節(jié)能開關(guān)里的5G小區(qū)關(guān)斷功能。

3.5 5G拉閘下電

根據(jù)不同覆蓋場景小區(qū)的負(fù)荷特征和變化規(guī)律，針對一定連續(xù)時間段內(nèi)滿足業(yè)務(wù)量低且RRU/AAU 射頻單元功耗較高的小區(qū)，通過串聯(lián)安裝智能電表方式來遠(yuǎn)程控制RRU/AAU直接下電，可達(dá)到立竿見影的節(jié)能效果。根據(jù)這一特征，可主要應(yīng)用于某些具有周期性規(guī)律的場景，如寒暑假期間的高校、無活動安排期間的場館、淡季期間游客量極少或封閉的景區(qū)。

5G 拉閘下電建議選擇連續(xù)一周出現(xiàn)規(guī)律性的零流量時段且每日零流量時段大于3 個的RRU/AAU。需要特別注意的是需清楚5G RRU/AAU是否反向開通LTE，反向開通LTE 的5G 站點需同時評估共模的LTE站點負(fù)荷情況。

但智能電表在應(yīng)用中也存在一些局限性，例如：一般配置的上電和下電時間段比較固定，對網(wǎng)絡(luò)突發(fā)的業(yè)務(wù)恢復(fù)或業(yè)務(wù)量劇增情況無法及時恢復(fù)正常狀態(tài)，有一定滯后性。此外，智能電表自身也會存在一定的故障率，無法及時或按時上電恢復(fù)情況時有發(fā)生，需要例行監(jiān)控拉閘下電小區(qū)的運行狀態(tài)。再者RRU/AAU設(shè)備的頻繁上電或下電過程，會嚴(yán)重影響設(shè)備的硬件性能，長期將縮減設(shè)備工作壽命。

3.6 5G能耗監(jiān)控

5G基站能耗監(jiān)控統(tǒng)計機(jī)制一般采用累加法機(jī)制，如某設(shè)備廠商網(wǎng)管性能模塊上就定義了“基站各單板測量累加的基站制式能耗_ VS.EnergyCons.BTS.Adding.NR”的指標(biāo)項，該指標(biāo)統(tǒng)計通過累加5G 基站所有模塊消耗的能耗得到該制式消耗的基站能耗值。在5G單?；局?，該指標(biāo)值統(tǒng)計的就是整站能耗；在4G和5G多?；局?，該指標(biāo)統(tǒng)計的是整站能耗中的一部分，多?；灸芎慕y(tǒng)計以整站為觀察點[6]。

4 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)是基于當(dāng)前及面向未來通信變革和全球研發(fā)的熱點，在今后的發(fā)展中，應(yīng)注意頻譜重耕、5G“宏—桿—室”三層立體組網(wǎng)方案的規(guī)劃與設(shè)計，從日常維護(hù)中，從網(wǎng)絡(luò)測試、方案制訂、工程實踐、節(jié)能減排等方面不斷加強(qiáng)實踐應(yīng)用與研究?？傮w來說，5G基站節(jié)能可以通過符號關(guān)斷、載波關(guān)斷、射頻通道智能關(guān)斷、小區(qū)關(guān)斷等多種軟件節(jié)能技術(shù)手段實現(xiàn)，充分降低AAU/RRU的閑時功耗，但目前軟件節(jié)能技術(shù)在實際應(yīng)用中可能會對網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量造成一定影響。因此，在方案實施過程中應(yīng)該仔細(xì)評估，并對相關(guān)規(guī)則不斷進(jìn)行修正完善。此外，還需協(xié)同設(shè)備廠家對軟件節(jié)能特性做進(jìn)一步的優(yōu)化與增強(qiáng)，通過智能調(diào)度、網(wǎng)間協(xié)作等方式保障用戶的業(yè)務(wù)性能，相信未來還將產(chǎn)生更多、更高效的節(jié)能措施和手段。