2020年10月10日第37卷第19期Telecom Power TechnologyＯｃｔ． １０，２０２０，Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． １９ doi：10.19399/j.cnki.tpt.2020.19.012研制开发5G基站节能技术研究李玉秀（京信通信系统（中国）有限公司，广东 广州 510000）摘要：在5G时代，新的业务不断涌现，同时设备连接数量也在不断的增加，使得移动数据流量增长迅猛。调查显示，在全球移动数据流量方面，我国的增速已经明显超出平均水平。鉴于未来的发展中，各种业务和数据流量增长迅猛的态势，我国予以5G网络发展更高的重视度，加快探究的步伐，随之也会加重移动通信网络的能耗。目前，我国倡导绿色低碳发展，未来移动通信行业会朝着节能降耗的方向发展。基站设备能耗属于无线网络能耗构成中占比较高的一部分，基站节能属于无线网节能降耗关键。因此，分析了5G基站节能技术，提出相应技术应用举措。关键词：5G；基站；形态；能耗；节能技术About 5G Base Station Energy Saving Technology ResearchLI Yuxiu（Jingxin Communication System （China） Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）Abstract：In the 5G era，many new services and a large number of device connections have continuously emerged，causing a significant growth trend in mobile data traffic. The growth rate of my country’s mobile data traffic is above the global average. In order to effectively cope with the rapid growth of business and data traffic in the future，my country has accelerated the pace of development of 5G networks，which will also increase the energy consumption of mobile communication networks. At present，China advocates green and low-carbon development. In the future，the mobile communication industry will develop in the direction of energy saving and consumption reduction and increasing network energy consumption. The energy consumption of base station equipment is a relatively high part of the energy consumption of wireless networks，and base station energy saving is the key to energy saving and consumption reduction of wireless networks. This paper analyzes 5G base station energy-saving technologies and proposes corresponding technology application measures.Keywords：5G；base station；form；energy consumption；energy saving technology0 引 言无线网络的能耗较多，其中占据比重较大的是基站设备能耗。为了达到最大限度地减少无线网能耗，就要加强基站节能工作。从4G发展到5G，移动通信技术、产品都产生了显著变化，而且5G无线网络支持更高速率、更大连接密度以及更低时延，以应对数字化生态给网络带来的诸多挑战。同时，5G基站具有更高的硬件处理能力，支持更大带宽、更多通道数、更复杂的空口协议，设备架构更加繁杂，功能趋于多样化，功耗也随之增加，因此做好5G基站节能工作是一个巨大的难题。1 5G基站形态及其耗能分析1.1 5G基站概况5G基站负责提供跟UE、核心网间的通信，划分成3个模块，即高层基带协议处理单元、底层基带协议处理单元级射频单元。其中，NR协议栈功能是通收稿日期：2020-08-29作者简介：李玉秀（1984-），女，广东广州人，本科，主要研究方向为电子信息科学与技术。过高层基带协议处理单元、底层协议处理单元一起实现的，双方功能切分方案多样化，切分点较多的方案中，常采取的就是位于PDCP-RLC上的策略，处理RRC/SDAP/PDCP层协议在高层基带协议处理单元完成，获取核心网间回传接口。RLC/MAC/PHY协议功能是通过底层基带协议处理单元进行的，产生跟射频单元之间的前传接口。5G射频单元实施射频处理功能，其对eCPRI接口作出支持，也会实现基带物理层功能[1]。1.2 5G基站形态类型5G基站的物理形态较多，主要包括DU（Distributed Unit）（实现底层基带协议功能）、CU（Central Unit）（实现高层基带协议功能）、基带处理单元（Base band Unit，BBU）（分为CU和DU）、有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）及射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）等，可以让组网更加灵活，适配多样化的部署场景。在2G时代，基站主要是被称作基站收发台（Base Transceiver Station，BTS），网络由基站子系统以及终端、核心网、承载网组成。其中，基站子系统涉及了基站收发台（BTS）和基站控制器（Base Station Controller，BSC）。随着有源天线系统（Active Antenna System，AAS）技术的成熟，5G基站首先把BBU的一部分物 2020年10月10日第37卷第19期李玉秀：5G基站节能 技术研究Telecom Power TechnologyＯｃｔ． １０，２０２０，Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． １９ 理层处理功能下沉到RRU，RRU和天线（64/32通道）结合成为AAU。然后再把BBU拆分为CU和DU，同时CU还融合了一部分从核心网下沉的功能，作为集中管理节点存在。CU/DU分离的初衷，就是为了可以通过该架构利用一个CU来控制多个DU，实现基带处理资源的共享。AAU设备产生Massive MIMO 技术，包括射频单元、天线单元，构建相应的有源天线阵列，其支持eCPRI 接口，把一些底层基带功能在AAU转移。AAU设备规格繁杂，可以支持64T64R、16T16R以及32T32R等通道数[2-4]。1.3 5G基站能耗分析5G中纳入NR新空口技术，有效地满足了超高速率、超低时延、超高连接数密度业务需求。这对于基站设备硬件能力具有新的标准，相应增加了5G基站设备功耗。5G基站产生的能耗，通常就是源于各类设备的功耗，包括CU、AAU以及DU/BBU等。针对CU设备，依靠硬件平台进行硬件资源的合理配置。设备功耗与硬件配置规格关系密切，而CU设备可产生百瓦至千瓦的功耗，增加了站点机房的供电压力。针对BBU-AAU架构的基站，产生功耗最大的就是AAU设备。因此，增强AAU的能效水平，可以明显地缓解基站能耗的总体数量。5G BBU功耗的发生部位较多，其中板卡内部处理器以及FPGA等芯片上是产生频率较高的位置，会提升BBU的整机功耗。5G AAU的功耗就是产生于一些关键的器件，包括数字基带、收发信板等，也涉及到了电源、滤波器等热耗。5G AAU内部架构不仅复杂，而且具有多样化的功效，其中涉及到天线阵列，可以形成更大带宽和部分基带处理效果，其功耗明显多于4G功耗。AAU功耗特征如图1所示。图1 AAU功耗特征2 5G基站节能技术探究2.1 硬件节能技术提升基站硬件性能是有效减少基站能耗的关键。5G芯片产业链发展迅速，并且对关键器件的集成度发展在不断的健全，功能不断完善，使得硬件具有更好的节能效果。硬件节能要经过一定的途径，即设备硬件架构、工艺流程、集成度演进完成工作，可以将AAU、BBU功耗明显降低。首先，将硬件架构设计进行优化，促进硬件能效水平增强。5G时代，用ASIC专用芯片代替高功耗器件，可提升硬件平台集成度，确保具有更好的应用功效，大大降低了设备功率，推动了半导体工艺的演进发展，使得设备具有更可靠的集成度，提升了应用性能。其次，基站设备中，采取14 nm技术比较常见，未来将会采取10 nm或7 nm技术，推动芯片工艺发展的同时，会将功耗最大限度降低。最后，漏压调节、GaN、Doherty等新技术，促进封装工艺不断提升，是提高功放效率的重要举措。2.2 基于AI的智能节能技术在5G时代，会产生共存多制式网络形式，同时云化的网络架构相继进步，会提升网路结构复杂程度。多制式网络间协同，最大限度地节约能源，减少消耗，在网络节能上，一直是一项关键内容，要大力地研究此工作。目前，应用人工智能技术（Artificial Intelligence，AI）比较常见，并且这项科技发展迅猛。未来，发展AI的智能化节能技术成为关键的方向，必然受到更高的关注。通过AI技术能够展开分析线网的繁杂数据，形成业务模型，进行预测业务等。此外，AI算法能够自动化识别节能小区，灵活地选取节能方案，有利于推广应用软件节能特性。基于AI的智能化节能技术的实现，具体如下。首先，通过网管接口，不同制式和频段的基站设备上报给网管平台诸多业务性能数据，如KPI、MR等。其次，AI平台得到数据以后就会展开分析数据，由机器学习展开。再次，对于结果展开相应的分析以后，识别节能基站、生成节能策略。最后，AI平台向节能基站传达节能内容以及方法，此时基站就会被及时地触动，处于节能状态。此外，业务负荷状态是在时刻的转变状态中，AI平台可以对节能策略进行优化调整，促进节能效果不断提升。图2为基于AI的智能基站节能图。能耗小区流量预测当前流量预测流量流量载波关断门限忙时闲时忙时21:00时间21:15图2 基于AI的智能基站节能2.3 软件节能技术无线网业务具有潮汐效应，可为软件节能技术提供参考。软件节能技术虽然不能降低静态功耗，但 2020年10月10日第37卷第19期Telecom Power TechnologyＯｃｔ． １０，２０２０，Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． １９ 考虑到业务分布特征，基于网络闲时一些硬件资源，减小AAU的动态功耗。软件节能技术涵盖了很多典型的软件特性，其中关键的就是符号关断、通道关断及小区关断特性。符号关断特性就是经不连续发射功放，促进AAU功耗削弱。符号关断的比例相关联于基站调度方式，为了将节能成效提升，可以优化调度算法，在特定符号中对用户数据集中地调度传输，将空闲符号比重增加，达到最优的节能效果。多通道AAU设备上采取通道关断特性，有助于充分发挥应用效果，转变业务量时射频通道节能效果更好。网络性能是需要大力保障的，通道关闭时，控制信道的发射功率，适当地增强功率，把上行接收通道打开，避免影响接入终端的顺利接入。小区关断特性可以应用到多层网络覆盖且是相同区域场景里面，可以对于小区的覆盖情况、容量状态进行了解，辨别容量层低业务小区后关断，达到节能功效[5]。场景的状态，建立起相应参数数据，以适应节能不同的需求。5G网络不断发展的时期，应该联系起5G业务、产业链发展状态，分阶段进行基站节能技术的 部署[6]。4 结 论5G网络当前已经拥有商用部署条件，但对于5G基站设备的功耗方面还有待进一步的研究解决，要应对好基站节能这一挑战。5G基站的节能可从两方面着手，一方面是改善基站设备的能效水平，另一方面就是部署软件节能特性，在AAU闲时，有效控制产生的能耗。应用软件节能技术减小基站能耗环节，会明显影响到网络覆盖，并破坏网络容量性能。因此，将来的研究中，要重视不断提升软件节能特性，采取先进的策略，如智能调度、网间协作等，让用户业务性能更加完善。参考文献：[1] 吕 婷，张 猛，曹 亘，等.5G基站节能技术研究[J].邮电设计技术，2020（5）：46-50.[2] 邢剑卿.NR基站智能节能技术应用研究[J].广东通信技术，2020，40（5）：46-49.[3] 梁力维，李荣聪.基于AI的5G基站节能技术研究[J].移动通信，2019，43（12）：32-36.[4] 屈彬彬.5G时代基站两大场景节能方案的应用分析[J].中国新通信，2019，21（22）：100.[5] 王胜远，王运武.5G+教育：内涵、关键特征与传播模型[J].重庆高教研究，2020，8（2）：35-47.[6] 张志荣，许晓航，朱雪田，等.基于AI的5G基站节能技术研究[J].电子技术应用，2019，45（10）：1-4.3 节能技术的应用策略硬件节能技术应用于基站节能降耗上，节能效果更理想可靠，并且是有效提升基站能效水平的关键。5G产业链发展的进程不断推进，加快此方面的研发速度，可使基站硬件平台得到更好的完善与优化，产生更理想的硬件节能目标。软件节能技术即为减少AAU的动态功耗，不会很明显幅度的影响到BBU功耗。业务负荷能够显著影响到软件节能成效，如果基站负荷越低，就会得到更高的节能目标，关断门限设置越低、节能特性生效的时间越长，就会产生更好的节能增益。鉴于此种现象，实践应用环节，应该遵循节能（上接第37页）5.2.1 占地面积测算模型（1）维护面积：目前的设备由于集成度大大提高，因此对于散热要求较大，新规划列设备列间距至少不低于1 m，单台设备维护面积取设备宽度为600 mm。（2）冗余系数：除设备占地外，另有走廊、消 防、器材放置等非有效使用空间，冗余系数取1.4，即冗余面积占设备维护面积的40%。（3）传输设备单子架面积：600 mm×300 mm。（4）除了主设备以外，还需要配置列头柜及ODF等配套设备，配套设备与主设备数量按1:1计算。（5）计算公式：传输设备占地面积=主设备数量×2×0.54×1.4（m2）。（6）补充说明：传输从层级上主要分为城域网、省内干线（二干）、省际干线（一干）三部分。每部分均在机房里单独成列。5.2.2 功耗测算模型（1）单台设备功耗：目前基本发展为100 Gb/s 速率设备，计算时均考虑满配或者远期功耗，其中PTN按5 000 W/架，OTN光机柜按2 000 W/架，电机柜按8 000 W/架。（2）计算公式：传输设备总体功耗=PTN设备数量×5 000+OTN光设备数量×2 000+OTN电设备数量×8 000（W）。6 结 论本文介绍了在一张光缆网体系之下，如何使用量化模型对综合业务区进行规划分析，对资源配置提供了一个科学标准，对网络前期的投资建设及后期的优化调整具有很大的指导意义。