TD-LTE主设备节能新技术简介

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

TD-LTE主设备节能新技术简介

胡楠

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

如何在节能减排的大背景下，不断开拓新思路、运用新技术，在不影响网络质量的情况下尽可能的提升设备能效是网络发展的必由之路，本文重点介绍了应用于TD-LTE主设备的几种节能新技术，通过对4G系统架构的分析，从硬件和软件2个方面着重阐述了新技术的原理及节能效果。

节能减排； eNode B； PicoCell； 智能关断； ICT

1 节能背景

伴随着我国经济结构的转型，移动通信领域也面临着空前的发展机遇。目前，4G网络已经进入大规模部署及商用阶段，随着设备基本功能的逐渐完善，提高设备和网络运行效率，逐渐成为业内研究的焦点。

一方面，4G主设备单位载频耗电增长迅速，相比2G/3G设备节能空间大（如图1所示），但目前还没有较成熟的节电技术，急需成熟的节电技术以应对能耗的迅速增长。

图1 4G(LTE)设备节能空间巨大

另一方面，根据测算到2015年，2G基站耗电量占比将为61.1%，3G基站耗电量占比为13.9%，而4G基站耗电量占比已增至22.4%，如图2所示，可见4G设备的能耗占比将会急剧增加。

图2 不同制式网络耗电占比

据悉，3GPP早已开始4G设备节能相关的工作，并参与和推进4G设备节能相关技术的研究，这对于4G网络的低成本部署和运营很关键。

2 节能思路

2.1 4G系统构架

在LTE系统架构中，RAN演进成为E-UTRAN，且只有一个节点：eNode B（如图3所示）。

图3 LTE系统架构

3GPP要求LTE支持的主要特性和性能指标包括支持不同带宽、增强小区覆盖、增强频率效率等等，而由于eNode B是LTE网络的核心组成部分，且其运行时的整体功耗指标将根据用户业务量随时间呈现明显的波动。

2.2 eNode B组成及能耗分布

在LTE网络中，eNode B既是基本的组成单元也是重要的网络节点，既承载语音及数据业务也同时集成了RNC的部分功能，它主要包括2大部分：BBU硬件架构和RRU硬件架构。

BBU关键组件包含基带处理板、主控传输、电源模块等，目前主流厂商的产品大多支持背板设计，DSP及FPGA基本采用主流厂家的成熟产品，功耗较小，每载频耗电量20～40 W

（企标为75 W/载频），所以BBU能效提升空间有限。

RRU关键组件包含PA（功放）、滤波器、数字中频及电源模块等，这其中功放为最大的耗能器件，占基站总体能耗的一半左右，故PA系统的能耗下降潜力较大。

那么，eNode B中的能量是如何消耗掉的呢？根据典型的能量分配比例，则能耗分布如图4所示。

由于RRU整机能效=空口发射功率÷RRU输入功率，那么对于同一硬件平台而言，在线性工作区间内，空口发射功率越大则整机能效越高，相应的输入功率也就增加，因此，降低空口发射功率是有效降低功耗的途径。

此外，随芯片集成度的提升，DPD/CFR等技术逐渐得到大规模应用，eNode B的硬件平台功耗也在不断降低，后续ET及GaN等新材料和技术有望进一步得到应用，有望使设备能效进一步提升。

2.3 硬件节能

之前已经阐述过，eNode B基站耗电的元器件主要包括PA、RF（射频单元）、数字中频及电源模块等，而通过对不同场景下不同站型的测试结果分析来看，其功耗分布如图5所示。

对于一般宏基站来说，PA的能耗占整机功耗的比例大约在40%～70%之间且与基站发射功率和工作状态密切相关，其余模块的功耗占比均较小且相对固定。而对于小型基站或微站而言，BB的能耗所占比例则明显上升，PA所占功耗比例下降且数值相对固定，几乎不随业务量变化。可见，硬件平台的性能提升是重点考虑方向。

图4 射频系统能耗分布图

图5 元器件能耗分布曲线

2.4 软件节能

LTE空口能效提升：

（1）目前的下行功率控制未考虑UE地理位置及业务需要而对功率进行合理限制，存在提升空间；

（2）上行功率控制未考虑网络资源及干扰的时间和空间的动态性而进行的静态的上行发射功率补偿。

LTE组网能效提升：据预测未来10年内小基站数量将为宏基站数量的5～10倍，宏基站和小微基站合理组网可以更好的吸收话务，但由于小基站的能耗在业务低谷期占比较大，所以适时的选择合适的小基站开启和关闭至关重要。

总之，LTE的节能思路应侧重于在时域、频域和空域上减少不必要的发射功率，从而整体上降低设备能耗。

3 TD-LTE节能新技术

目前已经有一些较为成熟且逐步被推广并在现网使用的节能技术，比如智能载频关断、MCPA载频、无机房基站等等，但对于LTE设备而言，由于其网络正处于高速发展阶段，未来对网络整体能耗影响会迅速加大，需采取多种综合措施并加大新设备新技术的引入力度，从而有效控制网络整体能耗激增的趋势。

3.1 Picocell（微微小区）关断

3．1．1 背景及技术原理

为吸收热点地区话务，LTE的网络部署将会以HetNet形式进行布网，系统内将会存在大量的微微小区（Picocell），如果这些Picocell一直处于打开状态，将会增加大量能耗。因此，选择合适的Picocell进行打开和关闭，及时响应业务的需求的变化十分重要。

Macrocell（宏小区）监控其负荷变化，当负荷降低至一定阈值时，Picocell自主关闭或进入休眠态；当Macrocell负荷升高至一定阈值时，通知Picocell进入探测态。Picocell在探测态时可以发送导频信号，同时Macrocell通知UE探测Picocell并将探测结果回传，Macrocell据此决策将最合适的Picocell打开，无需打开的Picocell则进入休眠态。

3．1．2 节能效果分析

在一些话务量有明显周期波动的区域开启此项功能，将会大大减少Picocell无效工作时间，理论测算Picocell功耗可以降低30%以上。而且此方式不会改变现有网络结构，只根据网络负载情况灵活进行调整，所以对网络影响很小，另外由于此技术只需在软件侧开启相应功能即可，因此实现成本也较低。

3．1．3 技术成熟度

目前3GPP已经完成Inter-RAT场景下的Picocell热点关断测试。

厂商支持程度：目前为R11版本功能（规模实验功能版本为R9），预期该功能1～2年左右可以试商用。

3.2 Symbol（符号）关断

3．2．1 应用场景

TD-LTE单模网络场景下，在业务负载不高的情况下，基站在部分符号没有数据发送时，在不影响控制类符号传输和终端接收的情况下，将这些“没有数据发送”的符号周期关闭功放，从而降低系统功耗，以达到节约能耗的目的。

3．2．2 方案流程

小区在一个子帧中，eNode B会动态检测哪些Symbol没有数据发送，RRU在这些“没有数据发送”的Symbol周期内将射频通道和功放关闭，从而达到减少功耗和降低邻区干扰的目的，如图6所示。

图6 符号关断示意图

当然，不是所有符号都可以进行上面的关断操作，比如子帧0的主辅同步信号、PBCH所在的Symbol不能关断（共4个），每个子帧的第1个Symbol包含PCFICH信息，同样不能关闭，另外，每个子帧内的小区参考信号所在的Symbol也不能关闭，其余业务信道占用的Symbol则可根据业务负荷情况开关。

3．2．3 节能效果分析

节能效果：按平均每时隙可关断5个Symbol计算，下行可节约31%×5÷7=22%的发射功率。单纯从发射时间角度来看，由于CRS不能关，节能效果差于子帧级关断；但从全天话务变化来看，该方案可关断的概率高于子帧级关断，因此总体节能效果应更好。

对网络质量影响：干扰降低，无负面影响 。

技术应用成本：较高，需要调度算法和硬件平台改造或升级 。

3．2．4 技术成熟度

技术研究阶段：可行性评估/方案制定已基本完成，待仿真评估。

厂商支持程度：国内一线主流厂家的设备基本具备支持条件，只需在软件侧开启相应功能即可实现。

3.3 通道智能关断

3．3．1 背景及技术原理

与载频智能关断类似，通道智能关断是指当某小区没有UE或是负载很轻时，允许关闭本小区的部分发射通道，以节省能耗。由于该功能是在用户数较少的情况下关闭部分通道，为了保证控制信道覆盖和业务不受影响，系统会自动调整小区用户的传输模式并提升控制信道的发射功率。当检查到业务负载增加后，退出智能关断模式，恢复原有的通道发射状态。

由于通道智能关断是关闭小区的部分发射通道，因此只有在小区配置为多通道发射的场景下（发射天线数为2和8），本特性才起作用。原理示意图如图7所示。

图7 通道智能关断示意图

3．3．2 运行过程分析

对于通道智能关断功能来说，就是当小区没有用户或者业务量比较低时，关闭某些发射通道，同时，为了保证控制信道覆盖和业务不受影响，需要调整小区用户的传输模式并提升控制信道的发射功率3 dB。

为了防止用户频繁接入、退出小区导致小区频繁进出通道智能关断，小区在智能关断特性生效时间段之内退出后，会延迟半小时再检查是否具备再次进入通道智能关断的条件，判决是否进入通道智能关断，方案流程如下：

（1） 识别通道关断时间段；

（2） BBU进行通道关断决策；

（3） 如BBU的决策结果为准备进行通道关断，则给RRU发送通道关断激活指示，用来通知RRU进行通道关断；

（4） RRU发送通断关断激活响应消息；

（5） 设定时间点到，结束通道智能关断。

3．3．3 节能效果分析

假设：典型的忙时负荷8 h，中等负荷10 h，闲时负荷6 h。若忙时RRU功耗为250 W（不采用通道关断），采用通道关断时RRU功耗150 W，则对8通道RRU，关闭4个通道，关断时可以节约40%（100/250）的能耗，全天可以节约7.5%左右的RRU能耗。

3．3．4 技术成熟度

技术研究阶段：待进一步仿真进行效果评估。

厂商支持程度：华为、中兴、大唐等国内主流厂商已支持或近期支持。

4 结束语

在运营商网络整体能耗的不断攀升的背景下，应大力推动4G主设备厂商提升设备自身的节能效率，并积极在全国范围内进行推广，通过精细化及系统化的分级节能管理措施，运用智能云计算等多种方式，进一步推动现有网络的纵深融合，完成从“Always on”到“Always available”的转型。

News

SpeedyCloud迅达云成与GitCafe结成长期战略合作伙伴关系

SpeedyCloud迅达云成创始人兼COO于浩说：“迅达云成自创立之初，就以支持国内开源项目和开源社区为己任，现在的云平台，也借助了很多开源项目，我们也是开源的受益者。因此，我们积极赞助、参与了PyCon China、Perl China、RubyConf China等开源社区的大会，51CTO的云计算架构师峰会、InfoQ的QCon全球技术大会，我们也是主要赞助商，也有同事作为讲师参与演讲。这次能够与GitCafe合作，我们感到非常高兴。不仅能更多地为国内开源技术贡献力量，同时，与GitCafe一起，我们还将推进国内的IT教育，让更多在校学生了解开源项目，了解云计算，为他们的未来发展开拓更广阔的天地。”

GitCafe 创始人兼CEO姚欣宇说：“GitCafe是一个社会化的代码托管、技术写作和分享服务平台，它更是一个由众多想要协作创造些很酷的项目的黑客与创客们组成的社区。我们的最终目标，是致力于利用前沿技术与思想改善教育环境的企业，所有产品最终的目的都是为了教育。同迅达云成的合作，将让我们为大学生们提供国际顶尖的学习环境、培育大学生从校园衔接到IT行业的就业能力，与世界最领先的技术接轨。”

接下来，SpeedyCloud迅达云成将会合作参与GitCafe在教育领域展开的各项活动，提供云主机、云平台方面的产品和技术支持。未来，迅达云成和GitCafe还将公布更多合作机会和可能。

Introduction on new energy saving technology Of TD-LTE main equipment

HU Nan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In the context of energy-saving emission reduction, and constantly open up new ideas, the use of new technology, improve equipment energy eff ciency without affecting the quality of network conditions, is the route one must take the network development. This paper introduces several new energy saving technology is applied to the TD-LTE main equipment, through the analysis of 4G system architecture, emphatically expounds the technology principle and energy-saving effect from two aspects of hardware and software.

energy saving and emission reduction; eNode B; pico; intelligent shutdown; ICT

TN915

A

1008-5599（2014）07-0086－05

2014-04-19