面向5G-A的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

郭誠/GUO Cheng，陳夢竹/CHEN Mengzhu

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

1 5G-A無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能演進

全球氣候變化正在對全人類生存發(fā)展帶來日益嚴峻的影響，走向碳中和已成為全球的共識。作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型重要底座的移動通信網(wǎng)絡(luò)，聚焦數(shù)據(jù)中心、通信基站、通信機房3類重點設(shè)施。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動計劃（2022-2025年）》[1]要求推動基站主設(shè)備及配套設(shè)施節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用推廣，使5G基站能效提升20%以上。通過信息通信行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型來賦能全社會降碳，促進居民低碳環(huán)保生活，從而更好地推動城鄉(xiāng)綠色智慧發(fā)展。

電信運營商及設(shè)備商自2G時代起就不斷啟動節(jié)能減排計劃，研究網(wǎng)絡(luò)節(jié)能手段，應(yīng)對氣候及能耗的挑戰(zhàn)。在過去的時間里，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展與成熟，芯片技術(shù)的不斷提高，通過不斷優(yōu)化電路設(shè)計、硬件實現(xiàn)算法，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能已經(jīng)取得了很大的進步。一些基礎(chǔ)節(jié)能功能包含符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷和設(shè)備深度休眠等被提出，以適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)負荷[2]。

隨著5G-A時代到來，無線通信將使用更高的頻段作為信號載體，數(shù)據(jù)速率達到太比特每秒量級，同時全息通信、智能交互、感官互聯(lián)、數(shù)字孿生、通信感知等新業(yè)務(wù)需求不斷涌現(xiàn)，這給網(wǎng)絡(luò)流量帶來了百倍甚至千倍的激增。要想在保持比特增長的同時盡量降低功耗，需要基于高集成芯片、高效率器件、新升級工藝、強算力算法，打造新一代綠色設(shè)備，實現(xiàn)極致的關(guān)斷深度和響應(yīng)時間[3]。

2）極致響應(yīng)時間。節(jié)能狀態(tài)下的硬件響應(yīng)時間是影響網(wǎng)絡(luò)指標和用戶體驗的關(guān)鍵因素。硬件響應(yīng)時間將實現(xiàn)分鐘級到毫秒級的跨越，使得從僅閑時節(jié)能擴展到全天都可節(jié)能。

在低能耗硬件基礎(chǔ)之上，面向5G-A，我們將從時域、空域、頻域和功率域等方面展開網(wǎng)絡(luò)節(jié)能新一輪的研究工作，通過定義基站節(jié)能狀態(tài)和節(jié)能模式，用更準確的能耗模型，評估更加靈活的節(jié)能策略和關(guān)斷方式，最終賦能百業(yè)，共建綠色生態(tài)。

2 網(wǎng)絡(luò)能耗建模

2.1 基站節(jié)能模型

為了評估節(jié)能方案的節(jié)能增益，我們設(shè)深休眠狀態(tài)下的基站功耗為單位1，定義了不同狀態(tài)下的基站功耗模型[4]，具體如表1。

▼表1 參考配置下基站功耗模型

在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收情況下，基站可以關(guān)閉部分器件，進入休眠狀態(tài)。根據(jù)節(jié)能效果，我們可將基站休眠狀態(tài)分為深休眠、淺休眠和微休眠。鑒于不同休眠狀態(tài)下關(guān)閉器件的不同，基站喚醒時間和狀態(tài)切換的能耗也有所差異，基站激活態(tài)和休眠態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示，其中微休眠可以認為轉(zhuǎn)換時間T和能耗E忽略不計。表2分別給出了深休眠和淺休眠的轉(zhuǎn)換時間T和能耗E[4]。

圖1 基站激活態(tài)和休眠態(tài)轉(zhuǎn)換

▼表2 休眠態(tài)的轉(zhuǎn)換總時間和總能耗

2.2 基站能耗模型

基站功耗可以分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，其中靜態(tài)功耗是指與業(yè)務(wù)負載和輸出傳輸功率無關(guān)的能耗占用，而動態(tài)功耗隨著負荷增加而增加。

高河飛快地逃離了柴垛，轉(zhuǎn)身的一剎那間，他發(fā)現(xiàn)柴垛的邊緣，露出了一個人臉，鐵青的臉，死魚般的眼睛惡毒地盯著高河。

為了進一步深入分析不同負載對基站功耗的影響，我們定義了基站動態(tài)功耗在隨不同因素變化時的計算公式[4]。在下行激活狀態(tài)下，基站動態(tài)功耗部分計算公式為：

僅和通道數(shù)相關(guān)的部分功耗計算公式為：

和通道數(shù)、帶寬、功率譜密度等多因素相關(guān)的部分功耗計算公式為：

其中，sa、sf、sp分別是激活的通道數(shù)相對基線配置中通道數(shù)的比值，激活的帶寬相對基線配置中最大帶寬的比值，每通道的實際發(fā)射功率譜密度相對基線配置中功率譜密度的比值，α為僅和通道數(shù)相關(guān)的部分能耗占比，參考業(yè)界數(shù)據(jù)取值為0.4[5]，?為功放（PA）效率。

類似地，在上行激活狀態(tài)下，基站動態(tài)功耗部分計算公式為：

其中，=P5-P3。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基站不連續(xù)發(fā)送/接收模式

為終端配置不連續(xù)接收（DRX）模式以減少不必要的物理下行控制信道（PDCCH）監(jiān)聽功耗，是實現(xiàn)終端節(jié)能的有效途徑之一[6]。與之類似，引入小區(qū)不連續(xù)發(fā)送（DTX）/DRX功能，可以減少基站不必要的下行信號發(fā)送/上行信號接收，實現(xiàn)基站節(jié)能目的。其中，小區(qū)DTX模式用于控制小區(qū)的下行傳輸，小區(qū)DRX模式用于控制小區(qū)的上行傳輸。

小區(qū)DTX/DRX模式是周期性行為，由終端專用無線資源控制（RRC）信令配置，配置參數(shù)包括周期、起始時隙、位置偏移量和持續(xù)時間等，支持以小區(qū)為粒度配置不同的小區(qū)DTX/DRX參數(shù)，從而滿足不同小區(qū)的節(jié)能需求。同時，為了適配不同的業(yè)務(wù)需求，還需要減少信令開銷，采用組播信令指示動態(tài)激活/去激活小區(qū)DTX/DRX配置。

在小區(qū)DTX/DRX生效期間，基站周期性地不執(zhí)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送/接收。為了減小對網(wǎng)絡(luò)中終端的影響，小區(qū)DTX/DRX維持同步信號塊（SSB）、接入信道（RACH）、尋呼消息（Paging）和系統(tǒng)消息（SIBs）的正常接收和發(fā)送。小區(qū)DTX可與終端DRX協(xié)同應(yīng)用，在兩者相重疊的傳輸時間段內(nèi)，才允許下行數(shù)據(jù)進行傳輸。如圖2所示，Case1中用戶設(shè)備（UE）1～UE2均可正常傳輸數(shù)據(jù)，UE3因為終端DRX與小區(qū)DTX可傳輸時間段不重疊因此禁止傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用時需優(yōu)先按照Case2方式配置，UE1～UE3均可正常傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 小區(qū)DTX與終端DRX協(xié)同關(guān)系示意圖

3.2 公共信令輕量化傳輸

基站在持續(xù)性不發(fā)送信號時，可以關(guān)閉器件，進入休眠狀態(tài)，以實現(xiàn)節(jié)能。但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)往往需要小區(qū)持續(xù)提供服務(wù)，那么即便在僅少量數(shù)據(jù)傳輸甚至無數(shù)據(jù)傳輸時，由于SSB、RACH、Paging和SIBs持續(xù)性地接收和發(fā)送，使得基站無法有效進入休眠模式。為解決此問題，我們提出了公共信令輕量化傳輸機制。

對于載波聚合（CA）場景，廣播及公共信令可由主小區(qū)（Pcell）承載，終端在SSB-less輔小區(qū)上的激活流程以及同步定時等依賴于SSB傳輸?shù)闹餍^(qū)。減少輔小區(qū)（SCell）上的SSB傳輸可以增加基站睡眠機會，從而達到減少基站功耗的目的。

在不同的業(yè)務(wù)負載條件下，SSB-less輔小區(qū)的節(jié)能效果不同。圖3給出了SSB-less輔小區(qū)的節(jié)能效果：在低負載場景，時分雙工（TDD）模式可以獲得6.1%～15.2%的節(jié)能增益，頻分雙工（FDD）模式可以獲得15.5%～25%的節(jié)能增益。此外，由于不需要發(fā)送SSB，基站可以利用更多資源調(diào)度數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果顯示可增加0.6%～3.1%的用戶感知吞吐量（UPT）增益。

圖3 SSB-less節(jié)能和吞吐量增益仿真結(jié)果

圖4 通道關(guān)斷的節(jié)能增益和吞吐量仿真結(jié)果

圖5 動態(tài)功率調(diào)整的節(jié)能增益和吞吐量仿真結(jié)果

同樣地，這一節(jié)能方法也可擴展至非CA場景。為保證終端在節(jié)能小區(qū)的正常接入，需要引入錨點小區(qū)。處于非連接態(tài)的終端可以從錨點小區(qū)獲取所需的系統(tǒng)信息、同步信息和尋呼消息。當終端接入小區(qū)時，可以在SIB-less/SSB-less節(jié)能小區(qū)（即非錨點小區(qū)）發(fā)起初始接入，并進行連接態(tài)業(yè)務(wù)傳輸。當節(jié)能小區(qū)的SIBs在錨點小區(qū)上傳輸時，會導(dǎo)致錨點小區(qū)上的功耗少量增加。但綜合考慮節(jié)能小區(qū)和錨點小區(qū)的總功耗，我們認為基站仍能夠獲得可觀的節(jié)能增益。

基于基站功耗模型，我們對SIB-less/SSB-less節(jié)能小區(qū)方案進行仿真評估。我們將不同的SSB/SIB傳輸周期作為對比基線，在不同負載條件下，SSB-less/SIB-less節(jié)能小區(qū)可以獲得9.4%～24.5%的節(jié)能增益。由于節(jié)能小區(qū)的系統(tǒng)信息在錨點小區(qū)上進行傳輸，錨點小區(qū)的功耗增加2.3%～7.5%。

3.3 動態(tài)通道關(guān)斷及測量上報增強

在5G現(xiàn)網(wǎng)中，大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）由于其空分復(fù)用及發(fā)送接收分集的優(yōu)勢被廣泛使用。大規(guī)模MIMO在帶來高容量的同時，其大量的收發(fā)通道及相關(guān)的硬件處理單元也會帶來基站功耗的增加。一種有效的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案是根據(jù)流量負載或UE數(shù)量動態(tài)調(diào)整基站激活通道的數(shù)量，但通道關(guān)斷會導(dǎo)致基站發(fā)射功率和賦形增益降低。為了實現(xiàn)更高的節(jié)電增益并保持較低的性能損失，基站需要獲取關(guān)斷前后網(wǎng)絡(luò)UE的信道狀態(tài)信息（CSI），從而評估通道關(guān)斷的性能影響，輔助決策通道關(guān)斷的生效判決和生效時機。

基站可以通過UE測量上報的CSI報告獲得基站與UE間的信道狀態(tài)[7]，將不同的通道關(guān)斷狀態(tài)與CSI測量報告一一對應(yīng)，從而獲取到不同通道關(guān)斷狀態(tài)下的信道狀態(tài)。但過多的CSI報告會增加空口開銷，也會導(dǎo)致UE測量能力受限，影響其他用途的CSI報告配置。因此，對于動態(tài)通道關(guān)斷方案中的一個重要研究方向就是CSI測量上報增強。

為了在一組CSI報告中包含多組CSI測量，需要引入Multi-CSI測量上報方案，并與多種天線關(guān)斷狀態(tài)的參考信號的CSI（CSI-RS）配置進行關(guān)聯(lián)，具體可分為如下兩種場景：

場景1：當通道關(guān)斷導(dǎo)致CSI-RS port數(shù)量變化時，不同通道關(guān)斷狀態(tài)可共用同一CSI-RS配置。該公共CSI-RS配置對應(yīng)非天線關(guān)斷狀態(tài)，其他CSI-RS配置為該公共CSI-RS配置的子集，對應(yīng)于有天線關(guān)斷的狀態(tài)。

場景2：當通道關(guān)斷沒有導(dǎo)致CSI-RS port數(shù)量變化時，不同通道關(guān)斷狀態(tài)的CSI-RS需要獨立配置，即每個CSI-RS配置對應(yīng)一種天線關(guān)斷狀態(tài)。

基于64通道基站，我們對動態(tài)通道關(guān)斷方案的節(jié)能增益和用戶吞吐量（UPT）影響進行了仿真評估。當對比基線方案為靜態(tài)通道關(guān)斷時，即靜態(tài)關(guān)斷至48通道、32通道、16通道時，節(jié)能增益分別為7.77%、15.53%、23.53%，UPT損失為1.5%～11.06%；而通過CSI測量上報增強方案輔助的動態(tài)通道關(guān)斷能提供27.09%基站節(jié)能增益，并且UPT損失不到1%。由評估結(jié)果也可以看出，基于Multi-CSI測量上報增強的通道關(guān)斷方案可以在提供較大節(jié)能增益的同時帶來較少的UPT損失。

3.4 動態(tài)功率優(yōu)化及測量上報增強

功率動態(tài)調(diào)整是功率域節(jié)能中的關(guān)鍵技術(shù)?；驹谂c終端交互的過程中，通常使用固定的發(fā)射功率進行下行數(shù)據(jù)發(fā)射。如果基站采用較小的發(fā)射功率，則可能導(dǎo)致小區(qū)邊緣UE無法準確的獲取傳輸?shù)男畔??；静捎幂^大的傳輸功率會帶來功耗額外增加，因此，為了降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，引入動態(tài)的自適應(yīng)功率調(diào)整技術(shù)至關(guān)重要。

當對業(yè)務(wù)信道進行動態(tài)功率調(diào)整時，可能會導(dǎo)致CSI報告/反饋不準確。為了減少對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，基站需要在功率調(diào)整時獲得更準確、更實時的CSI信息，因此我們提出為終端配置多個功率偏移值的CSI-RS配置，與不同功率檔位的CSI-RS配置進行關(guān)聯(lián)，獲取不同功率偏移檔位所對應(yīng)的CSI信息，輔助網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)發(fā)射功率調(diào)整；并引入Multi-CSI測量上報方案，實現(xiàn)一組CSI報告中包含多組CSI測量。

基于最大發(fā)射功率為55 dBm基站，我們對動態(tài)功率控制方案的節(jié)能增益和UPT進行了仿真評估。當對比基線方案為靜態(tài)功率回退時，即靜態(tài)回退功率至53.75 dBm和52 dBm時，基站節(jié)能增益分別為4.38%、10.07%，UPT損失不到2%；而通過Multi-CSI輔助的動態(tài)功率控制方案能提供16.63%基站節(jié)能，并且UPT損失不到1%。由評估結(jié)果可以看出，基于Multi-CSI測量上報增強的動態(tài)功率調(diào)整方案可以在提供較大節(jié)能增益的同時帶來較少的UPT損失。

3.5 基站節(jié)能喚醒機制

基站節(jié)能技術(shù)可以通過減少信號傳輸、增加基站睡眠時間等方案有效地減少基站功耗，獲取基站節(jié)能增益。然而，當沒有終端反饋參與時，僅依靠基站獲取的信息進行基站節(jié)能，可能會對系統(tǒng)性能（如吞吐量、延遲等）和用戶體驗產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致基站節(jié)能方案不能被應(yīng)用。為了在實現(xiàn)基站節(jié)能的基礎(chǔ)上盡可能保證系統(tǒng)性能和用戶體驗，可以考慮引入終端輔助的基站節(jié)能方案，即基站喚醒信號。

基站喚醒信號是UE向基站發(fā)送的上行信號，用以輔助基站在節(jié)能狀態(tài)和非節(jié)能狀態(tài)之間的切換，例如：指示節(jié)能小區(qū)喚醒，觸發(fā)下行公共信號傳輸、指示信號傳輸周期更新等?；締拘研盘柨梢约皶r地將終端的需求反饋給基站，以確?；究焖夙憫?yīng)/服務(wù)，并將對用戶體驗的影響降至最低。

4 結(jié)束語

基站多域節(jié)能技術(shù)的研究，旨在保證網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上，減少網(wǎng)絡(luò)能耗，提高信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展質(zhì)量，促進信息通信行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

1）建立網(wǎng)絡(luò)能耗模型。網(wǎng)絡(luò)能耗模型通過建?；静煌臄?shù)據(jù)發(fā)送、接收狀態(tài)，不同深度的睡眠模式及模式轉(zhuǎn)換期間的相對功耗，來評估各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)。

2）制定評估方法。在對候選節(jié)能技術(shù)的評估中，除了考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)能增益，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵績效指標（KPI）、終端能耗，以及終端復(fù)雜度等。評估方法和能耗模型是選擇能夠平衡節(jié)能效果和網(wǎng)絡(luò)性能影響的節(jié)能技術(shù)的方法。

3）研究并識別出網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)點。從包括時域、空域、頻域和功率域等各個方面使能更動態(tài)、高效、精準的無線傳輸，并通過終端和基站間信息交互的方式提升節(jié)能效果。每種節(jié)能技術(shù)均可匹配網(wǎng)絡(luò)特征靈活設(shè)置觸發(fā)條件，多種節(jié)能技術(shù)之間即可單獨應(yīng)用也可疊加部署。面向5G-A，通過對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)進行優(yōu)化和升級以更好地滿足綠色網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和運營需求。