5G基站技术节能策略分析与研究

周普成，蔡文科

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着移动通信技术的发展，移动网覆盖范围不断扩大，容量持续增加，基站设备数量越来越多，消耗的电能也越来越多。电信运营商5G网络已开始规模商用部署，热点、终端以及业务的快速增长将会导致更高的能耗，移动网电费成本将会进一步提升。

传统基站节能主要采用现场关电、时控开关以及小区闭塞等手段，但这些手段比较粗放，无法兼顾用户感知。进入5G时代，由于5G基站采用了64T64R大规模阵列天线，支持更大的带宽等因素导致其能耗较4G基站更高，其次5G频段高，单站覆盖范围小，要达到4G网络的覆盖效果，5G基站部署规模将是4G基站的2～3倍。设备功耗更大，站点数量更多，电量消耗必将更大，5G功耗过高已成为目前网络运营的痛点，研究5G基站技术节能势在必行。

1 基站节能基本原理

基站节能根据实现原理可分为符号关断、载波关断、通道关断以及深度休眠技术，不同节能技术节能原理如下。

1.1 符号关断原理

5G NR低频系统中，一个无线帧10 ms，每个无线帧由10个无线子帧构成，每个无线子帧1 ms，每个无线子帧由2个时隙构成，每个时隙0.5 ms。每个时隙在Normal CP情况下由14个符号构成。NR系统在实际通信过程中，基站不是任何时候都处于最大流量的状态，所以对于子帧中的符号，不是任何时刻都填满了有效信息。基站在没有数据发送的符号周期时刻关闭PA电源开关，在有数据发送的符号周期时刻打开PA电源开关，可以在保证业务不受影响的情况下降低系统功耗，这种节能方式称之为符号关断节能，另外由于符号关断节能利用了DTX技术，这种节能方式也被称为DTX节能。

1.2 载波关断原理

在5G NR多制式多层覆盖的场景下，容量层小区提供热点覆盖，基础覆盖层小区提供连续覆盖。当容量层小区负荷较低时，将UE迁移至基础覆盖层小区和关断容量层小区以达到节能的效果，当基础覆盖层小区负荷升高时，唤醒容量层小区。这种根据容量层小区和基础覆盖层小区负荷变化触发的节能方式称之为载波关断节能，其原理如图1所示。

图1 载波关断节能原理

载波关断节能按覆盖关系可以分为NR小区覆盖NR小区场景和LTE小区覆盖NR小区场景两种。

1.2.1 NR小区覆盖NR小区场景

NR小区覆盖NR小区场景如图2所示。图中，NR Cell A为容量层小区，NR Cell B为基础覆盖层小区，当Cell A负荷较低时，将UE迁移至Cell B，关断Cell A，Cell A节能，当Cell B负荷升高时，唤醒Cell A。

图2 NR小区覆盖NR小区场景

1.2.2 LTE小区覆盖NR小区场景

LTE小区覆盖NR小区场景如图3所示。图中，NR Cell B为容量层小区，LTE Cell C为基础覆盖层小区，当Cell B负荷较低时，将UE迁移至Cell C、关断Cell B，Cell B节能，当Cell C负荷升高时，唤醒Cell B。

图3 LTE小区覆盖NR小区场景

1.3 深度休眠原理

为了达到极致的节能效果，考虑在话务闲时，关闭尽量多的AAU硬件以降低能耗。配置基站深度休眠的定时策略，当休眠时间点到达时指示AAU进入深度休眠，节能时间结束时退出基站休眠模式。无用户期间，AAU只保留基本的eCPRI链路，其他所有器件全部进入节能状态，实现最大程度节能。

1.4 通道关断原理

NR系统中，当小区负荷较低时，根据小区的负荷水平，采取不同颗粒度关闭发射通道，接收通道也可同时关闭，实现节能。通道关断后，可对广播和数据信道做功率补偿，以保障网络的覆盖及性能。通道关断节能原理如图4所示。

图4 通道关断节能原理

记NR低频小区天线数为AnrNum，当满足设定的通道关断条件时，可关闭ChoffNum个通道，对应的关闭通道数量占总天线数量的比例为ChoffProp。小区的上行和下行通道关断是独立配置的，由通道关断模式来控制，支持只关闭下行发射通道和上下行通道同时关闭两种关断模式。针对AnrNum=64的机型，通道关断的粒度设置为16，即支持关闭16、32以及48个发射或接收通道。对于AnrNum=64的NR小区，目前系统中硬件和天线的映射关系如下。

（1）TRX SOC与天线映射关系，4个天线映射到1个芯片，如图5所示。

图5 TRX SOC与天线映射关系

（2）中频FPGA与天线映射关系，8个天线映射到1个中频FPGA，如图6所示。

图6 中频FPGA与天线映射关系

（3）PA模块与天线映射关系，每个天线映射到1个PA模块，如图7所示。

图7 PA模块与天线映射关系

关闭通道的选择需要结合硬件与天线的映射情况来选择，相同硬件资源的通道关闭才能达成节能的效果。

2 节能策略和试点区域选择

2020年，某市电信运营商的5G网络已实现密集城区和普通城区的室外连续覆盖，5G选用的主设备厂家为中兴通讯。综合考虑当前已建成的5G站点分布、厂家技术实现能力以及5G业务时段性规律，在2020年6月至7月之间就该市浦北、浦南、开发3个市辖区分别开展符号关断、深度休眠及符号关断配合深度休眠的节能策略试点。

统计全网5G话务量指标如图8所示，可以明显发现0：00-6：00话务量较低，为低业务时段。

图8 全网5G小时级话务统计

剔除目标区域内医院、交通枢纽以及重点园区等5G业务重点保障场景关联5G站点，确定本次实施节能试点小区数和策略如表1所示。

表1 本次实施节能试点区域、小区数及策略

3 节能效果评估

能耗统计方法中，5G网管可统计平均功率值，根据时间可计算统计周期消耗电量，该值与实际测量值基本相当，故直接使用该值计算5G基站设备能耗情况。主要根据各节能策略开启的时间节点，统计开启前后的电源平均功率并作对比，并以此计算节能效果。

3.1 符号关断节能效果

取7月20日-7月30日期间的试验数据，符号关断节能策略全天开启，对比开启前后区域全部节能实施站点平均功耗下降了17.17%，如图9所示。

图9 5G符号关断节能效果统计

3.2 深度休眠节能效果

取7月20日-7月30日期间的试验数据，深度休眠策略开启时间段为0：00-6：00，对比策略开启前后0：00-6：00同时段区域全部节能站点平均功耗下降了53.69%，对比0：00-24：00全天区域全部节能站点平均功耗下降了12.7%。0：00-6：00同时段节能对比如图10所示。

图10 5G深度休眠同时段节能效果统计

0：00-24：00，全天节能对比如图11所示。

图11 5G深度休眠全天节能效果统计

3.3 符号关断+深度休眠节能效果

取7月20日-7月30日期间的试验数据，符号关断及深度休眠混合策略，对比开启前后区域全部实施节能站点功耗下降了21.16%，如图12所示。

图12 5G符号关断+深度休眠混合策略节能效果统计

4 结 论

经过6月-7月期间多次试验表明，对比3种节能策略，符号关断生效时段可节能17.17%，深度休眠生效时段可节能53.69%，0：00-6：00折算到全天可节能12.70%，符号关断+深度休眠混合策略可节能21.16%。

在保障5G感知不下降的前提下，为了实现更好的节能效果，建议全网实施5G符号节能，在夜间低流量非重点保障站点可差异化叠加时段性深度休眠，为电信运营商大面积推进绿色无线网络建设打下坚实基础。