5G能源效率:关键概念和潜在技术

5G能源效率:关键概念和潜在技术

减少网络能耗的高能源效率目标是5G的关键要求。它能够降低总投资成本，促进网络连接延伸到偏远地区，并以可持续发展和资源合理利用的方式提供网络的接入。本文为建立高能源效率的5G系统制定了两个设计原则，同时提出了实现这些的关键技术——包括超简设计、先进的波束赋型技术、在无线接口上用户数据和系统控制层面的分离，以及网络功能虚拟化和云计算技术。

5G能源 效率

1 背景

1.1 网络能源效率在5G中的作用

5G是移动通信发展的下一步，它将是网络社会的一个重要组成部分，将有助于实现为任何人、任何事随时随地无限制地获取信息和数据共享的愿景。

能源效率长期以来在移动通信设备上扮演着重要角色。设备的高能源效率使电池寿命延长，并一直是移动通讯变革的一个重要元素。

然而，对于高能源效率的需要也已成为网络基础设施的一个关键点。尽管通信业务量和用户数大量增加，但是降低网络总体能耗仍然是我们的目标。主要原因如下：

●高网络能源效率是降低运营成本的关键，是更好的节点和网络部署的驱动力，从而降低总的投资成本（TCO）。

●高网络能源效率使依赖于大小适中的太阳能电池板作为电源实现在远离电网的情况下进行网络部署，实现最偏远的地区的无线接入。

●高网络能源效率是运营商总目标的一部分，旨在以可持续发展和资源合理利用的方式提供无线接入。

总之，高网络能源效率在5G中扮演着重要角色。

1.2 5G——需求和评估

每个新一代移动通信技术产生之前，会广泛讨论它应该具有什么样的能力，以及需要满足什么样的要求。5G的预期要求和能力比前几代更多样化，它不仅要求为人类提供无处不在的连接，同时也要为各种机器设备提供端到端的通信。

同时，对高能源效率也有比过去更高、更明确的要求。尽管预计会有1000倍的流量增加，但是运营商依然明确提出减少网络总能耗50%的要求。

5G以实现每个地方的高数据传输速率为目标。高数据传输速率为在更短的时间内发送相同或更多的信息提供了可能。这使设备在没有数据传输的更多的时间里可以进入各种节能或睡眠模式。

“无处不在”的5G数据传输速率不仅要提供目前的3G和4G网络同样的覆盖，还要满足更远的覆盖。在非常偏远的地区部署5G需要非常高的能源效率，允许只要一个中等大小的太阳能电池板或其他经济有效的能源技术的部署。5G也应该允许部署在当前宏站的网络结构上，作为提高数据传输速率和网络共享的方式，当其应用时，可以减少并行网络基础设施的建设。尽可能地避免在广域部署场景下，进行宏网的密化，例如在农村地区，将是持续有益的。主要的原因是，即使基础设施节点提供高能源效率，增加更多的站点将不可避免地增加每个站点的固定能源消耗。

5G能力的多样性应用场景的多种要求，已触发了对大量增加的可扩展性和模块化的网络功能的要求。例如，网络应该只支持它应用所需要的功能和相关信令。然而，通用的系统支持仍然必须足够广泛来为特定的能力和应用场景提供支持，如建立网络访问的可能性。

为了被确认为国际移动通信（IMT）技术，无线接入技术（RAT）必须满足由国际电信联盟（ITU）定义的特定要求。下一代IMT技术的需求预计将包括下列技术特性，例如频谱效率、流量、延迟、数据传输速率和网络能源效率。为了能够评估与ITU要求相关的技术，需要定义基于不同场景的系统仿真的通用评估方法。

这种评估方法一个潜在的扩展是，由能量感知无线电和网络技术项目（EARTH）的定义来评估能源效率是可能的。能源效率评估框架（E3F）包括不同类型基站电源配置，一个24h的流量过程统计，并为在一个区域范围内的带有不同场景的加权因子的部署模型，从而强调低流量场景。

图1 不同流量载荷的使用和相应的网络能耗

2 现有技术的能源效率

专注于提供高业务容量和高数据传输速率的产业界现在也意识到，当只有很少或是没有数据要传输和处理的时候高能源效率的重要性。积极的研究工作，包括在电信业多个联合研究项目的活动，对于这方面的理解做出了重要贡献。

2.1 较低的平均流量和大动态的流量变化

峰值流量情况对设计和部署要求很高。然而，就何处以及多么频繁发生的方面，它们其实也比较少出现。事实是，大多数小区和接入节点在大部分时间里传递较小流量，综合起来形成移动网络相对较低的平均流量荷载。

了解流量分布不只是网络计划、部署和规划的关键，同时也是识别移动网络节能最有效点的关键。流量分析要服从以下3个经验原则：

●流量是不均匀分布的。在网络中，5%最多负载的小区共运载总业务量的20%，而50%最少负载的小区只运载总业务量的15%。

●即使是在一个地区，流量分布也有很大的空间差异。因此，即便是在高业务量加载的密集城市地区，也会有特定的地方是低业务量加载。

●业务量增加最多的是那些已经有高业务量加载的地区。这对于正确评估未来业务量增长的必要容量的余量是很重要的。

改善后的规划技术通过减少规划容量和所需容量的差异，来减少能耗、运营成本和资本支出。

2.2 现今业务量对网络能耗的影响很小

移动网络是设计用于连续和高可靠的运行，传统上总是基于“一直开启”的设计，这意味着节点和元件一直是开启的状态以便在需要的时候立即可用。

大负荷的变化，较低的平均业务量和“一直开启”网络运行的综合意味着事实上能源效率的主要限制并不是数据流量，而是设备发现和访问系统所需的基本信令的传输。因此，现有网络的能耗并不取决于负载。

一个典型的LTE网络，小于10%的子帧会被使用（普通的时间和地区），即便是在“极端业务量”情况下也只有小于20%的子帧会被使用——参见图1的左侧部分。即使是在极端业务量水平，与不传输数据时的消耗相比，也只会增加不到10%的能耗。换言之，超过90%的能耗是用于发现和访问网络，参见图1右侧的灰色柱。

2.3 从“一直开启”到“始终可用”

提高能源效率的强烈需求与基于数据包分组服务引入的结合，使访问节点的设计中转向“始终可用”的设计，并更具吸引力。在“始终可用”运行中，所有网络功能和元素并不是“一直开启”，而是只有设备接入网络所需要的功能是一直开启的，同时其他的功能可以在每次需要的时候才被动态激活，因此他们在被需要时仍然是可用的。在实践中，这种方法与传统的“一直开启”的操作方法相比，其优势是元素、子系统和节点可以利用各种先进的节电模式和睡眠模式，从而降低了网络的能耗。

“始终可用”操作对从多个接入节点汇聚的高级节点也很重要。由于高节点容量与可靠性和高冗余度要求的结合，使用今天的专业硬件的全节点的关闭是很罕见的。然而，不同类型的处理器睡眠模式可以被应用于提高能源效率。虚拟化技术结合更通用的硬件也会实现在较少的硬件单元里提供更有效的资源分配，其具有进一步提高节能的潜力。

现有技术和实现已经采取了若干步骤以实现“始终可用”的运行，这方面会在LTE的演进和EPC （EvolvedPacketCore）继续进行。

3 5G的挑战和设计原则

3.1 挑战

5G是一个特殊的机会去超越现存标准及其演化的能源效率的局限性。在现有技术中，能耗的主要部分在于使设备发现和接入网络系统的传输，这一部分具有最大的节能潜力。

对于传输数据时提高能源效率也很重要。这就需要一个更加以用户为中心的系统，在其中每个传输可以特别定制地以灵活、自适应的方式给预定的接收者。从应用的角度来看，一个以用户为中心的系统意味着根据应用的需求增加资源配置的精度——当考虑一个5G系统将会面临的所有可能应用时，这是十分重要的。应用程序需要确定可容许延迟，这会间接影响其承载硬件设备如何积极地节能运作。此外，资源可以动态地适应每个用户，避免网络资源过度供应，也有利于更好地利用在用的资源。

以用户为中心的无线接入网络可以由用户特定的定向传输来获得，例如波束赋形。优化一个特定用户的无线传输必须不能影响接入范围。

如果没有正在进行的用户数据传输就不传输任何信息的系统，无法支持用户的初始接入和移动，这需要额外的广播信息，以便在覆盖区域上传输，例如支持随机访问。

在大区域上的初始接入和接入移动性的基本系统功能的优化，从根本上有别于对基站和用户终端的特定无线链路的优化，这种类型的广播信息传统上与小区有关。然而，初始接入和接入移动性功能并不需要小区。相反，与传统小区的概念不同，它会实现可扩展的、高效的系统设计。

需要注意的是，重新考虑小区的概念对于管理特定的数据传输的先进天线技术带来的复杂性是有益处的。在LTE中，协作多点传输技术已经“绕过”小区概念而专注于传输点而不是小区站点。5G网络需要以更快的适应性来协调更多的站点、天线和频带。在这里，动态优化系统和个人用户之间的无线链路成为要点，而静态小区概念几乎没有用处。

核心网络节点和其他聚合网络节点面临的主要挑战是提高可扩展性和可管理性，从而有效地应对在未来可预见的各种应用。

3.2 设计原则

这些挑战可以被转化为获取移动网络高能源效率的设计原则：

●只在需要的时候激活和传输。

●只在需要的地方激活和传输。

“只在需要的时候激活”意味着从“停滞”和缺省配置状态的动态激活的一种“始终可用”方法，包括节点、功能、子系统和元件。

“只在需要的时候传输”特指非直接与用户数据传输相关的最小发射。对于无线接入来讲，这样的发射包括同步、网络获取、信道估计以及不同类别的系统和控制信息的广播。也可以解释为：尽可能少传输，但按需要来确定多长时间传输。

“只在需要的地方激活”包括“始终可用”的空间区域，也可同时指和上述具有相同含意，但增加扩展到分布式体系构架。

“只在需要的地方传输”指之前讨论的关于专用发射、定向（也称为波束赋形）发射和几个用户的全向广播之间的差别。此外，也意味着是专用发射低功耗短距离发射的首选，也就是说当可行时进行更多的本地化传输。通过添加额外的接入节点，从而减少接入节点与终端设备的距离，也减少特定数据传输速率所需的传输功率。但是，只有在因为增加节点带来能源消耗小于所增加的传输能耗时才能降低网络的能源消耗。

图2 超简设计增强了睡眠模式的潜能：与LTE相比，该例中占空比要低100倍，且有500倍的非连续传输

4 实现优异能源效率的关键技术概念

基于文中讨论的设计原则，提出了网络能源超高效率的一些关键技术概念。

4.1 超简设计

超简设计以“只在需要时传输”的设计原则为目标，目的是最小化一切与用户数据发送不直接相关的传输。

超简设计为系统能源效率带来两个好处：其一，与现有蜂窝技术相比提供了更多的无传输时间，即设备可以拥有更多的时间处于睡眠模式，图2是LTE与一种超简设计的例子在可能睡眠时间上的比较；其二，更长的无传输时间使设备可以进入更广泛、更深度的睡眠，因此这种模式下不仅睡眠时间长，在睡眠时也将更加节省能量，所以更节能。

应该注意到，超简设计能够减小非用户数据相关的传输带来的整体系统干扰水平，从而达到更高的数据传输速率。超简设计适用于并有益于所有类型的部署，包括宏部署。

4.2 先进的天线技术与波束形成

先进的天线技术已经在当前的移动通讯行业扮演着重要的角色，在5G时代将会变得更加重要。先进的天线技术对增大服务覆盖面积和满足数据传输速率的提升都非常重要，它可以通过更好地利用空间域来满足提高数据传输速率的需要。

从能源效率方面考虑，先进的天线技术有几点好处：高速率的数据传输确保了更多的睡眠时间，提升的系统容量在不需要非常密集化的网络中就能服务未来网络中的极端通信量。

对高能源效率来说，多天线技术最让人关注的是利用大量的天线单元进行选择性的波束赋形传输，这就是“只在需要的地方传输”。

选择性波束赋形带来了一些好处：降低了干扰，使网络的整体传输功率减小；扩大了服务覆盖面积，而且在稀疏部署的地方也能提供高速率数据传输，或者它可以使更多的稀疏网络拥有稳定的系统性能。这些都有利于促进网络高能源效率。

4.3 用户数据和系统控制层功能分离

用户数据与系统控制层功能解耦是获取高能源效率的重要手段。系统控制层包含系统信息的提供，以及设备访问系统需要的过程。

无线电接口通过这样一个解耦，把用户层容量和基本系统连接功能分开，这样用户数据可以通过有高密度的接入结点的低层网络去传送，在有需求的时候激活。而系统信息通过附加层提供，设备也在这个附加层上进行初始接入。所以，这就与两个设计原则有关——只在“需要的地方”和“需要的时间”传输。

用户数据与控制层分离对非常依赖波束赋形来传送用户数据的5G部署非常重要。把用户层数据传输与基本系统连接功能逻辑分离和超简设计相结合将会获得无线网络中以用户为中心的更优化的网络。

由于超简设计中只有系统控制层要求是静态的，因此有可能设计一个几乎一切都可以实时动态优化的系统。所以，用户数据与系统控制层功能分离是充分利用先进的天线系统的先决条件，也是获得超简设计益处的先决条件。图3对它们的分离进行了说明。

图3 系统控制层（绿色）与用户数据层（蓝色）的分离使先进的天线技术得到充分利用

进一步，结合了用户数据/系统控制层分离的超简设计也可以为无线接入技术（RAT）的演化提供非常好的灵活性，因为这种分离确保了用户数据层的演变可以在保留系统控制功能的情况下进行，为网络模块化设计和向前兼容性提供好处。

4.4 网络虚拟化功能和云

与无线接入节点形成对照，核心网络节点管理由大量的接入节点汇集起来的庞大数量的通信量以及用户负责。因此，核心网络节点对快速节能装置的需求要低于接入网络节点，这是因为信息高程度的聚集，使负载更可能变成较低的速率。然而，在资源和成本上更有效地管理快速的业务和用户量的增长，以及将来出现的新的应用情形仍然需要高灵活性、适用性和可扩展性。

图4 一个共享的网络基础设施上通过网络切片支持多个使用情况

4.5 一个网络，多个使用情况

传统的网络功能应用和它们运行的特定构建的硬件类型密切相关。5G系统需要处理很多不同的应用和请求。在传统的网络模式中，有大量的不同需求和特点的应用场景，一般都通过分开的物理网络来实现。然而，从能耗和成本的角度考虑，一个单独的物理网络基础设施支持越多的应用场景越好。

这可以通过网络切片来实现，网络切片为在一个共享的物理网络基础设施上创建逻辑分离的网络分区提供了可能性，这使运营商可以根据每个专门的应用需求提供网络连接（见图4）。除了提供连接灵活性以外，网络切片使5G系统能够提供网络化社会大量不同类型的通信需要。这将极大地减小甚至消除专门需求占用的平行基础设施的资源和能量。

当设计一个高度抽象的系统时，网络虚拟化功能和云技术是非常重要的手段，它们能够提高网络的灵活性并允许网络切片。

对于一些网络虚拟化功能，大数据中心的高集中化可以更好地进行基础设施规模缩放控制和减少计算冗余，因此可能将改善能量消耗的状况。然而，另一部分网络虚拟化功能对于延时、适用性以及消除传输拥挤有明确的要求，这有可能对接入网络造成一个功能分散化的对立趋势。云技术可以提供调度灵活性、执行模块化，可以使功能根据延时、吞吐量、本地数据、可用性、高能源效率等需要在最佳地点、最合适的时间下运行。

4.6 网络虚拟化功能和物理主机之间的有效交互

高能源效率依赖硬件和软件之间的相互作用，通过虚拟化对它们进行解耦看起来与之相悖，其实并不排斥它们之间有效的交互。相反，在网络虚拟化里，主要硬件的协调由总控制器处理，这减少了各种专门的硬件存在的多样性，硬件类型更少更通用。网络虚拟化功能将它们的需求告知总控制器，总控制器不仅要确保硬件资源在请求时可用，同时要确保没有被利用的硬件停留在最佳节能模式。

总控制器允许云在可用的硬件子集上巩固网络虚拟化功能的运行，这将以一个较高的利用率运行，而设备剩下的部分可以处在休眠模式或待机模式。在相同的通用硬件上聚集的几个网络虚拟化功能，比如服务器，使当前激活的硬件可以更高效地利用。这样可以根据负荷成比例地快速增加或减小达到资源最好的利用，在低负荷时可以获得高能源效率。

总之，软/硬件通过虚拟化解耦可以使网络功能易于移植到新一代具有先进的节能功能的硬件系统，确保了能源效率的不断提升。

5 结束语

5G需要满足很多需求，一个关键的点是提供网络高能源效率，这对于减小经营成本和总体成本、促进偏远地方网络连接、提供可持续和高利用率的网络连接是非常重要的。

高能源效率需要从根本上改变移动通信行业的设计原则和实施方法。长期以来关注的是提供高传输量和数据传输速率，但是现在通信行业的许多人已经意识到即便只有很小甚至没有数据传输和处理时，高能源效率同样重要。

拥有高能源效率的5G系统的建设需要根据以下两条设计原则：

●只在需要的时候激活和传输。

●只在需要的地方激活和传输。

这样的网络设计具有可扩展性、易于管理、灵活性，有利于真正实现能耗依赖负载，最大程度地节能。

实现的关键技术包括超简设计、先进的波束赋形技术、无线接口上用户数据与系统控制层的分离以及网络虚拟化功能和云技术。

1 Ericsson.White Paper:5G Radio Access-Technology and capabilities.Available at.http://www.ericsson.com/res/docs/ whitepapers/wp-5g.pdf.2,2015

2 NGMN Alliance.NGMN 5G White Paper,Available at: https://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_5G_White_ Paper_V1_0.pdf.2,2015

3 Auer et al.How Much Energy is Needed to Run a Wireless Network?IEEEWirelessCommunicationsMagazine.Synopsis Available at:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.js p?tp=& arnumber=6056691&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee. org%2Fiel5%2F7742%2F6 056680%2F06056691.pdf% 3Farnumber%3D6056691.10,2011

4 Frenger et al.Radio Network Energy Performance:Changing the Game from Power to Precision.Ericsson Review.Available at:http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2014/er-radio-network-energy-performance.pdf.2,2014

5 EricssonWhite Paper:5G Systems-Enabling Industry and Society Transformation.Available at:http://www.ericsson. com/co/res/docs/whitepapers/what-is-a-5g-system.pdf.1,2015

PalFrenger EricssonResearch,Sweden
MagnusOlsson EricssonResearch,Sweden
YlvaYading EricssonResearch,Sweden

5GEnergyEffieiency:KeyConceptandPotentialTechnology

Highenergyperformancetargetingreducednetworkenergyconsumptionisacriticalrequirementof5G.Itenables reducedtotalcostofownership,facilitatestheextensionofnetworkconnectivitytoremoteareas,andprovidesnetworkaccess inasustainableandmoreresource-efficientway.Thispaperdefinestwodesignprinciplesonwhich5Gsystemswithhighenergy performance should be built.Key technologies are proposed to achieve this,which include ultra-lean design,advanced beamformingtechniques,andseparationofuser-dataandsystem-controlplanesontheradiointerface,aswellasvirtualized networkfunctionalityandcloudtechnologies.

5G,energy,efficiency

2015-04-30）