5G基站能耗分析与节能探讨

胥栋

国网上海市电力公司浦东供电公司 上海 200120

引言

2020年3月，工业和信息化部发布《关于推动5G加快发展的通知》，提出全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障，充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用，支撑经济高质量发展。根据工信部的估算：2020年年底全国5G基站数将超60万个，实现地级市室外连续覆盖、县城及乡镇有重点覆盖、重点场景室内覆盖。随着5G移动通信网络的大规模部署，人与人的连接逐步向万物互联发展，5G移动通信网络提供更快的速率、更大的容量和更广泛的连接，然而5G通信设备功耗问题给网络建设和运维带来了极大的困扰，一方面，由于5G需要使用频率更高的毫米波频谱资源，这使得5G基站数量相比4G而言将增长2~3倍；另一方面，由于5G天线采用Massive MIMO 天线阵列的方式，5G单站功耗是4G单站的2.5~3.5倍。AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因，目前单站满载功率近4000W，需对现网电源、配套进行提前扩容[1]，因此针对5G基站的节能技术研究具有非常重要的现实意义。

1 5G基站能耗分析

5G基站主要由CU/DU（集中单元/分布单元）和AAU（有源天线单元）组成。CU/DU一般集中安装在C-RAN机房内，主要用基带数字信号处理，能耗比较稳定，受业务负荷影响较小。AAU一般分散安装在塔桅上，主要负责信号发送和接收，能耗随着业务负荷的增加将大幅增加，据运营商测试数据显示AAU空载时的能耗为满载的60%左右。5G AAU引入了Massive MIMO技术，从空间维度来提升系统信道容量和信号覆盖范围，相比4G RRU大幅增加了通道数，目前运营商主流AAU以64通道和32通道为主，最大可实现16流MU-MIMO，是4G的4倍。目前5G带宽以100MHz为主，是4G的5倍，在5ms单周期模式下，使用2T4R终端，理论下行峰值速率可达1.7Gbps，是4G峰值速率0.3Gbps的5.67倍。更多的通道数和更大的带宽都将导致5G AAU的能耗比4G RRU高很多，根据2019年下半年某运营商给出的数据，5G基站整体能耗是4G基站的2～3倍。

2 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。

2.1 符号关断原理

5G NR 低频系统中，一个无线帧10ms，每个无线帧由10个无线子帧构成，每个无线子帧1ms，每个无线子帧由2个时隙构成，每个时隙0.5ms。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。

2.2 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。

2.3 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eC PRI 链路，其他所有器件全部进入节能状态，实现最大程度节能。

3 5G基站低功耗控制策略

3.1 基站智能节能方案

传统的软件节能方案主要依赖于话务统计经验，无法实现实时、跨网络、灵活智能的节能管理全天候跨网络智能化节能，管理效率与节能小区数量成反比，管理难度高、节能效果欠佳。随着计算机硬件性能大幅提升及AI技术的日益成熟，智能节能技术将突破传统节能方案的实现瓶颈，可通过在网管系统增加AI模块用于智能节能控制，实现4G/5G多制式网络智能协同，支持网络区域级、单基站、单扇区不同颗粒度的智能节能，并且达到高效、实时、灵活的基站能耗管理目标。基站智能节能方案主要通过自动采集4G/5G基站的业务量、性能数据、工参数据、运行指标、告警数据、B域数据等，按场景、区域、基站性质对基站进行分级管理，利用AI算法对历史业务量数据进行建模，通过业务量模型对基站进行业务预测，根据业务预测结果为基站制定差异化的节能策略，自动生成节能任务通过指令下发基站，在业务空闲时实施符号关断、通道关断、载波关断、小区休眠、电源关断等操作，在业务高峰时则自动将节能模式切换为正常模式，从而达到全天候、跨厂家、多网协同的系统级节能效果。

3.2 关断技术

根据基站负载情况，动态休眠或者关闭部分子模块能够有效地减少基站能耗。为此，相关的关断技术研究也层出不穷，主要包括：基于用户量的整体休眠技术、基于应用场景的开关技术、基于业务类型的载波关断技术[2]、通道和时隙休眠等技术。以上各种低功耗控制技术对降低5G基站功耗都有一定的效果，就单基站而言，这种效果可能并不明显，但是从庞大的基站总量和长远的时间周期来看，关断技术对降低基站功耗贡献巨大。

3.3 电压调节技术

在非线性电路器件中，电压和电流关系呈非线性，器件单元功耗值与电压大小与功耗值存在密切关联，在电压调节技术中，包括静态电压平衡技术和动态电压调节技术。静态电压平衡技术，通过调整设备的偏置电压。在不同偏置电压下，功放模块的静态功耗不同且呈非线性，从而减少静态功耗。在保证一定功放线性度及相同输出功率下，一般功放偏置电压越低，静态功耗越小。当设备的偏置电压设置成低电压时，其最大输出功率会变低。这需要5G-NR基站调度器根据实时业务量判断，调节调度RB个数或控制总的基带输出功率。通常情况下，电路元件正常工作电压为一个电压范围，动态电压调节技术就是在此电压范围内，如何在保证信号质量的情况下，合理调节电压值，以保证电路元件处于最优功耗状态。

3.4 软件

软件节能主要是基于业务负荷状态对基站资源进行合理调度，可以采用亚帧关断、MIMO通道关断、深度休眠、智能开关断电、载波关断等技术方案[3]：①亚帧关断：在低业务时段进行时隙级的资源关断、唤醒，通过关闭功放等射频器件，节省设备静态能耗。②MIMO通道关断：在低业务时段关闭部分射频通道，通过射频链路主要器件断电（功放+收发信机）来节省设备功耗。③深度休眠：在低业务时段仅保留接口等必要模块，通过射频链路主要器件断电（功放+收发信机+数字中频等，仅剩电源、时钟、接口等模块）节省设备功耗，可大大降低设备功耗。不影响用户体验，可快速唤醒。④智能开关断电：实现对4G/5G不同系统或不同制式无线网络设备供电的分路管理，实现智能分时下电，空闲时完全关闭AAU实现零功耗。该技术节能效果最佳，同样缺陷也很明显，由于要频繁开关设备，对设备可靠性要求很高，且关闭期间用户无法连接5G网络，用户体验较差。

3.5 网络规划

网络规划是提高资源利用率，降低网络建设成本的必要手段。通过规划合理的站间距，精准的覆盖方案，以最少的基站达到最优的覆盖效果。

5G建设初期以城区和县城高业务热点区域的连续覆盖为主，应充分利旧现有站址，优先采取收编现有天面的方式为5G腾出空间，达到快速部署和低成本建设的目的。由于64通道产品设备成本、功耗较高，可根据具体场景规划选择32通道、8通道宏基站产品，降低基站能耗。5G频率高，导致传输损耗大、绕射能力差，因此微基站将成为5G建设的全新模式。与宏基站相比，首先微基站发射功率更低，PA非线性失真较小，功耗效率更高。其次微基站覆盖距离近，多分布于热点区域，用于信号传输的能量损失更低，因此微基站具有更高的能效。目前5G还处于连续覆盖阶段，微基站主要用于对高容量、高价值的室内重点场所以及宏站难以覆盖的重要商业街区等特殊场景补充覆盖。到了深度覆盖和厚度覆盖阶段，微基站将成为解决覆盖和容量问题的关键，也是实现5G绿色节能发展的关键。

3.6 评估体系

智能节能方案需要建立全面的、一体化的评估体系，以保证网络在实施节能策略时不降低网络的运行质量，保证用户的良好体验。智能节能方案的评估体系主要包括指标评估、感知评估、节能评估、操作评估四个方面。指标评估主要是指针对执行节能小区及补偿小区构建实时指标分析机制，确保重要KPI指标满足要求，如指标恶化效果不佳及时进行回退处理。感知评估是指对节能方案实施后对用户感知的分析，构建用户感知指标分析机制，确保不生成牺牲用户感知得来的节能方案。节能评估指对生成的节能方案产生的节能效果进行计算，评估节能效果，并根据评估的节能效果不断优化节能策略。操作评估主要是指对下发OMC的节能指令执行日志进行实时解析、分析，及时发现执行失败的指令，根据关键字段获取小区的实时状态。

3.7 节能策略生成与执行

在不同的时间段，不同的区域，基站的使用率是不同的，为了更好地达到节电效果，需要实时地更改节能的策略。根据不同节电策略对网络的影响以及节电效果配置不同的生成时间段以及持续时长，通过策略为抓手使节能效果与网络性能达到最佳状态。节能策略需智能化地设定节能模型的优先级、生效时长、节能阈值等。节能策略的执行需与设备厂商硬件网管OMC对接，实现节能调度任务下发、节能方案执行等功能。如图所示，策略执行主要是将生成的节能策略转化为可在 OMC执行的指令，然后获取节能小区的互斥权限，判断该小区是否正在执行与节能指令互斥的操作，并且对节能小区的现网状态及告警进行查询解析，如果节能小区不存在互斥操作且状态正常，则执行小区节能关断操作并且同步相应网元，执行完成后需释放小区的互斥权限并且检查小区执行后的状态及告警。

4 结束语

5G 移动通信网络及大连接高带宽等新兴业务大规模部署，基站数量成倍增长，随之而来的铁塔站址租金、能耗电费等维护成本大幅提升，到目前为止能耗电费是无线网运营成本中仅次于铁塔租赁费用的第二大开支。如何节能是5G建设的重点研究方向之一。针对5G基站的节能技术研究具有非常重要的现实意义。