5G基站节能技术研究

朱朝晖

（中国电信股份有限公司昆明分公司，云南 昆明 650051）

1 研究背景

作为我国新型基础设施建设的重要组成部分，5G通信网络近两年在我国获得了快速的发展。根据工信部的数据，截至2021年12月底，我国累计建成并开通5G基站总数为142.5万个，覆盖全国所有地级以上城市。然而，由于5G基站相比于4G使用了更大的带宽和更多的通道，随之带来的是5G基站的功耗相比4G基站也大幅提高。中国通信标准化协会的数据显示，目前运营商的5G基站主设备空载功耗约为2.2～2.3 kW，满载功耗约为3.7～3.9 kW，是4G基站的3～4倍。随着5G基站数量的大幅增加，电费在运营商的OPEX支出中所占比例不断增加。在当前运营商营收不断下滑的大环境下，5G网络能耗问题已成为运营商不得不面对的棘手问题。

基于以上背景，本文首先讨论了5G基站能耗的组成和关键因素，然后介绍和对比了目前常见的几种5G基站节能技术，最后对目前5G基站节能技术的应用现状、发展前景和面临的挑战进行了分析。

2 5G基站能耗关键因素

2.1 5G基站能耗组成

5G基站由AAU和BBU组成。AAU从架构上其实是集成了4G基站的RRU和天线两个部分，主要完成基站的数字中频处理、信号功率放大和发射。5G基站的BBU则与4G类似，完成信号基带处理。

某运营商对大量5G基站在不同负荷下的实际功耗进行了测算，5G基站在不同业务负荷情况下的功耗均值如表1所示。

表1 5G基站实测平均功耗

从测试数据可以看到，随着负荷的增加，BBU功耗变化不大，而AAU功耗则上升较快。AAU功耗在整站功耗中的占比在90%左右，如图1所示。

图1 5G基站功耗组成

2.2 AAU能耗分析

在5G中，AAU集成了一个天线阵列，需要支持的通道数从4G的4/8通道大幅增加到了32/64通道，支持的带宽也由4G的20 Mb/s增加到100 Mb/s，同时AAU还集成了部分基带处理功能，以上因素共同导致了5G AAU设备功耗大幅增加，达到4G RRU的3～4倍[1]。AAU设备中耗能的功能模块主要有：功率放大器、数字基带单元（包括数字中频、基带模块）、小信号模块、电源管理模块。AAU的功耗随着负荷的变化而变化，这几个主要功能单元的功耗分布和比例也随负荷发生变化，如图2所示[7]。可以看到，功放模块功耗随着基站负荷增加增长迅速，在AAU功耗中的占比空载状态从15%增长到满载状态的58%，这部分功耗在AAU整体功耗中占比很大，需要重点关注。而数字中频单元和小信号模块的功耗值随着负荷的增加变化不大，功耗比例由于功放功耗的增加相应下降，这部分功耗属于相对固定的基础功耗，这部分功耗也需要关注，特别是在低负荷状态下时，这部分反而是AAU的主要能耗单元。电源管理单元在整体功耗中占比较小，节能的潜力不大。

图2 AAU主要模块能耗分布

2.3 BBU能耗分析

从无线网络功能的角度而言，5G基站系统包括射频和基带两部分功能，而后者又由物理层、第二层（MAC、RLC、PDCP等子层）以及第三层（如RRC）等协议功能层构成。BBU主要完成基带功能，上行方向接收AAU传送过来的天线数据，进行天线数据的解调、成帧，然后通过NG接口将业务数据和控制数据传输给5GC。对于下行方向，BBU通过NG接口接收来自5GC的业务和控制数据，进行解帧、基带数据的调制，然后通过eCPRI接口将天线数据传输给AAU。

BBU功耗与基站负荷无关，也就是说，当BBU配置的基带板数量一定时，BBU功耗基本稳定。下面以下挂两个5G 64TR 100 Mb/s S111基站的BBU为例，此时BBU配置两块5G基带处理板，其他耗电模块包括主控板、电源/监控板、风扇单元。各部分功耗分布与占比如图3所示。

图3 BBU主要模块能耗分布

可以看到，基带板是BBU的主要能耗单元，功耗占到BBU功耗的80%以上。

2.4 5G能耗关键因素小结

从以上的分析可知，5G基站设备能耗中占比较大的器件主要有功率放大器、数字中频模块、小信号模块和基带板，在满载情况下，这部分器件的功耗可以占到基站设备整体功耗的90%左右。基站节能技术的研究主要聚焦于对以上部件的改进，从研究方向上主要分为硬件改进和软件算法改进。硬件改进主要利用目前最新的硬件制造工艺，如更高制程的芯片工艺，采用高集成度ASIC芯片代替FPGA芯片，用小型化氮化镓（GaN）功率放大器代替LDMOS功率放大器等[5]。而软件算法改进则是利用软件控制使基站射频、中频、基带器件在基站、通道或载波空闲时临时关闭或休眠，从而实现降低能耗的目的。

3 5G基站节能技术

3.1 硬件节能技术

3.1.1 高制程芯片工艺

越高制程的芯片生产工艺代表在相同的体积的硅片上能集成更多的晶体管，同时也带来功耗的降低。目前业界主流5G设备厂商均已推出7 nm制程的基站芯片。2019年1月24日，华为公司在北京发布了7 nm制程的5G基站芯片——天罡。该芯片可带来2.5倍的运算能力提升，实现AAU尺寸缩小超50%，质量减轻23%，功耗节省达21%。2020年6月6日，中兴通讯虚拟化产品首席科学家屠嘉顺首次对外披露了芯片方面的最新进展，中兴通讯已经发布了基于7 nm技术3.0版本的多模基带芯片和数字中频芯片，这些产品可以实现相比上一代产品超过4倍的算力提升和超过30%的AAU功耗的降低，同时他还表示，2021年发布的基于5 nm的芯片会带来更高的性能和更低的能耗。

3.1.2 高集成度ASIC芯片

在5G初期，为了加快研发进度，几乎所有基站厂商都选用了FPGA芯片。FPGA是一种半定制芯片，它的最大特点是开发周期短、使用灵活、可以随时更改设计，但为了实现通用性，FPGA芯片需要配置大量冗余单元。随着5G基站设计逐步稳定和产量提升，采用专用的ASIC芯片替代FPGA将是更为经济的选择。相比FPGA，ASIC芯片具有更高的集成度，可以根据特定的功能需求进行设计，因此可以实现更高的工作频率和更低的功耗，在相同规格下，ASIC芯片功耗可以比FPGA芯片降低30%以上。前面提到的华为的天罡芯片和中兴的基带及数字中频芯片都是专用的ASIC芯片。诺基亚也在2020年6月宣布与博通公司合作进行5G芯片的研发工作，为其5G产品打造包括处理器在内的定制芯片组。可见，随着企业朝绿色低碳高质量发展转变和“碳达峰、碳中和”目标不断推进，相信5G基站中会有越来越多的FPGA芯片被替换为更加节能的ASIC芯片。

3.1.3 氮化镓功放GaN

在基站中用于放大射频信号的功率放大器有两种技术路线，一种是基于硅工艺的LDMOS技术，另一种是基于III-V族化合物半导体工艺的GaN技术。LDMOS是早期功放最常用的技术，工艺成熟、价格低廉，在3G、4G时代得到了广泛的应用。但LDMOS技术工作频率存在极限，最高有效频率在3 GHz以下，而GaN技术则是一种更为先进的射频功放技术，它在高频段具有良好的性能，并且具有大带宽、高线性度、高功率密度、低功耗等特点。GaN功放在4G时代开始崭露头角，在5G时代，5G网络的高频段和大带宽特点推动了GaN功放的普及，但由于GaN功放造价较高，技术难度大，供货受到国外供应商的制约，目前在3 GHz以下频段的部分共模5G设备上，LDMOS功放仍在使用。

3.2 软件节能技术

无线业务存在明显的潮汐效应[2]，在凌晨等空闲时段，基站的实际负荷很低。根据这一特点，我们可以通过定制软件算法，使5G基站在空闲时可以自动关闭部分硬件资源实现降低功耗的目的。根据关闭的资源种类不同，可以分为符号关断、通道关断、载波关断和深度休眠等多种软件节能技术[2]。

3.2.1 符号关断

符号关断的原理是当AAU检测到下行符号无任何数据承载（包括业务数据和公共信令）时，实时将射频模块中的PA等射频器件关断以降低射频模块功耗，当AAU检测到下行符号有承载数据时，可快速将对应的射频器件重新开启以满足数据传输的需求。5G技术可以实现从时域和频域两个维度进行资源调度，因此，在开启符号关断时，可以调整调度算法使数据先进行时域集中，即采用“扩频域，压时域”的思路使数据集中在少量的符号内发送完成，这样有更多的空闲符号可以进行关断。符号关断的原理如图4所示。

图4 符号关断原理

符号关断有基本和增强两种模式。在增强模式下，AAU将没有用户数据发送的子帧配置成MBSFN子帧，减少专用参考信号的发送次数以实现关闭更多的符号，原理如图5所示。

图5 增强模式符号关断原理

由于符号级关断并不影响数据的实时发送，因此对网络性能无影响。

3.2.2 通道关断

MassiveMIMO技术可以显著提升5G小区容量。在64通道AAU中，最多可以支持16个下行数据流。通道关断技术的思路是在基站负荷较低的情况下，主动关闭部分下行发射通道，从而达到降低功耗的目的，如图6所示。

图6 通道关断原理

关断控制逻辑的选择可以是固定的时间段或设定流量门限值。在关断通道的同时基站自动调整小区公共信道的发射功率，以尽量保证基站的覆盖和业务不受影响。根据实验室测试结果，通道关断技术可以实现约15%的功耗降低。

3.2.3 载波关断

对于多载波基站，一般可以将载波分为基础覆盖层载波和容量层载波，基础覆盖层载波一般选择频率较低，覆盖效果较好的频段。比如，目前电信5G网络中，在双频覆盖区域，2.1 GHz频段作为基础覆盖层载波，3.5 GHz频段为容量层载波。移动5G网络在引入700 MHz频段后，大概率会将700 MHz频段作为基础覆盖层载波，2.6 GHz频段为容量层载波。针对双载波5G基站，载波关断的思路是：当基站整体负荷低于某一门限时，基站将容量层载波承载的用户迁移到基础覆盖层载波，并关闭容量层载波，从而达到节能的目的[3]，如图7所示。

图7 载波关断原理

载波关断的前提是两个载波间有基本相同的覆盖区域。载波关断后，由于基础覆盖层载波所能提供的带宽有限，因此对高速业务有一定的影响。

对于4G/5G共模的基站，如果4G/5G小区覆盖区域大致相同，还可以利用4G小区作为基础覆盖层，当5G小区负荷很低时，将5G用户迁移到4G小区并关断5G小区。当业务量增加到某一门限时，再次打开5G小区并将5G用户迁回。这种4G/5G协同的载波关断方法可以进一步降低5G基站功耗，但对用户体验有较大影响，应慎重使用。

3.2.4 深度休眠

在地铁、商场、写字楼、体育馆、展览馆等特殊区域，夜间往往处于零业务状态，此时可以关断5G AAU的大部分有源器件的供电，基站进入休眠状态，从而实现降低AAU空载功耗的目的。进入休眠的AAU并非完全关闭，仍会定期与核心网进行信令交互，维持最低的功耗值，但是不提供业务。当后台网管系统检测到周边用户开始增多时，可以随时唤醒AAU，恢复正常工作。

实测结果显示，5G二期主力AAU的深度休眠降耗高达80%以上，符号关断叠加深度休眠后全天可实现降耗30%以上，且在节能期间网络各项性能保持稳定[4]。

4 基于AI的5G基站节能技术

5G基站软件节能的本质是在低业务时段释放出部分空闲资源，从而降低基站能耗。但是，节能往往伴随着网络性能的下降，比如通道关闭、载波关闭、深度休眠等节能技术可能会造成用户峰值速率的下降，用户接入时延变长、通信质量变差等不良影响。基站节能比越高，网络性能下降越大，因此，我们需要找到基站节能效果和网络性能的平衡点，在可接受的网络性能下降程度范围内获取最佳的节能性能。

节能的开启一般参照简单的模型或人工预先设定好的门限，模型或门限往往根据经验值设置，仅划分少量场景类型，参数偏保守，节能效果有限，并不能很好地适应如今复杂多变的环境，无法解决不同环境下各基站节能策略的独立选择性问题，难以在用户体验和节能效果间达到平衡。利用AI技术，通过历史数据学习构建模型，同时引入实时数据不断训练修正模型，进而能够在当前环境下进行节能场景的识别、负荷的智能预测、节能策略的智能推荐，在保证用户体验的条件下，基站能达到智慧节能的效果[3]。

5 5G基站节能技术应用现状和未来展望

早在2018年，华为公司就发布了PowerStar节能解决方案，灵活使用符号关断、通道关断和载波关断技术，利用AI构建节能和性能的关联模型，动态调节节能参数，在保证网络性能的同时，充分挖掘网络节能潜力，实现基站节能10%以上。

在2021年10月14日结束的2021全球移动宽带论坛上，华为公司又发布了GreenSite和PowerStar2.0两大创新解决方案，提升网络能效，降低网络能耗，助力运营商打造绿色低碳5G网络。GreenSite解决方案通过引入高集成化射频硬件、站点室外化去空调和整站协同软硬件融合创新，实现能效20倍提升。PowerStar2.0智能节能解决方案在1.0的基础上，实现毫秒级的节能关断控制颗粒度，并引入基站和网络双智能化，通过多维协同，在典型网络配置下，进一步降低网络能耗25%以上[6]。

中兴通讯公司在2020年发布了《Powe rPilot 4G/5G网络节能降耗技术白皮书》[7]，在原有负荷预测AI节能的基础上提出业务导航AI节能，在保障用户体验的前提下，实时识别业务、分析业务能效，主动将业务导航到最合适的网络层进行承载，保证每比特数据能耗最低，整网能效比最佳，节能效率翻倍。目前，中兴通讯的PowerPilot技术已在天津、徐州等全国多个城市使用，并取得良好的效果。

在运营商方面，中国联通在2019年世界移动通信大会上发布了《中国联通5G 基站智能节能技术白皮书》[8]，提出了5G基站设备能耗演进目标和节能技术方案规划和演进路标。中国移动也在2020年i-Green智能无线节能技术研讨会上发布了《5G基站节能技术白皮书》，从5G基站节能的需求、目标出发，聚焦于设备级、站点级、网络级节能三大技术领域，提出相应的技术需求和应用场景建议，以及中国移动5G基站节能技术的总体路标要求。

随着“碳达峰，碳中和”目标的确立，未来通信行业将更加专注于绿色、低碳发展路线。如何在保证5G网络高质量建设的同时，达到有效的节能提效、降低成本，即完成碳中和的“软着陆”，已然成为国内信息通信行业和5G产业链的共同诉求。可以预见，随着运营商和厂家对5G基站节能技术的研究不断深入，将会有越来越多的节能创新技术得到发展和应用。

6 结束语

AAU功耗占5G基站功耗的90%，在AAU功耗中，功放、数字中频和小信号模块又占了绝大部分。目前主要研究和应用的5G基站节能技术包括硬件和软件两个方向，其中，硬件节能需要进行设备更换，高制程芯片方面又受到当前国际环境的制约，在整体进展上相对缓慢。软件节能技术由于投入小、见效快，当前推进速度较快，特别是和AI技术融合后，可以大幅减少网络运维人员在历史数据分析、参数设置等方面的工作量，有利于技术的快速推广。■

附录

AI：Artificial Intelligence，人工智能

OPEX：OPerating EXpense，运营成本：指的是企业的管理支出、办公室支出、员工工资支出和广告支出等日常开支。

AAU：Active Antenna Unit，有源天线单元

BBU：Building Base band Unite，室内基带处理单元

RRU：Remote Radio Unit，远端射频单元

MAC：Media Access Control，媒体介入控制层

RLC：Radio Link Control，无线链路层控制协议

PDCP：Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议

5GC：5G Core Network，5G核心网

eCPR I：enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口

ASIC：Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路

LDMOS：Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体

PA：Power Amplifier，功率放大器

MBSFN：Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播/组播单频网络

MassiveMIMO：Massive Multiple Input Multiple Output，大规模天线技术