NR基站智能节能技术应用研究

1 引言

随着5G时代到来，各类新业务层出不穷、应用场景不断涌现、设备连接向海量连接的发展趋势不可逆转，不断推动移动数据流量爆发式的增长。2010年到2020年，中国移动数据流量增速增长约300倍[1]，国内重点城市及其热点地区的移动数据流量增速更大。为了满足未来5G业务及数据流量迅猛增长的发展要求，5G网络不仅需要使用更多的频谱资源、更大的系统带宽，也采用新型多址、大规模天线阵列、超密集组网等新技术来大幅提高移动网的总容量[3]，为国内数字经济发展奠定坚实的基础。

5G基站数量的成倍增长，大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO)技术的引进使得5G能耗大幅增加，5G耗电量预计将是4G的3～5倍[2]。为应对全球能源短缺与环境保护所面临的挑战、响应国家节能减排号召、建设资源节约型社会[4]，节能降耗必然成为通信行业不可忽视的首要需求，因此针对NR基站的智能节能技术研究势在必行。

目前，主要的5G基站软件节能技术有符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠。根据通信业务在时间和空间分布上的不同特征以及网络负荷的变化，在保证用户感知体验的前提下，引入人工智能调度平台，通过灵活动态的调度策略对基站进行载频、通道、符号或者整机休眠等不同的关断节能策略，以尽可能增加设备低功耗模式工作时间，最大限度提升基站设备资源利用效率。

2 符号关断

在5G基站设备中，AAU的射频器件如功率放大器（Power Amplifier，PA）的能耗最多，在没有信号输出时，射频器件也会产生静态能耗。为降低系统能耗，同时又能保证数据传送的完整性，引入符号关断功能。

智能符号关断功能通过业务数据量监测，主动将数据业务调度到指定的符号上，在剩余的无有效信息传输的符号时间，智能调节功放栅压或关闭PA达到降低功耗的目的。

符号关断功能在网络低负荷时通过不连续发射来降低功放模块消耗的总功率。当符号关断功能开启时，在下行符号没有用户数据发送的时候，基站设备通过主动关闭射频部分中功放模块的发射功率来实现节能的目的。

如图1所示，符号关断功能通过动态检测符号有无数据发送，在符号没有数据发送时，实时关闭对应符号周期内的AAU射频器件，因此对网络性能没有影响。

图1 符号关断工作原理示意

该方案适用于时延不敏感的场景，基站能根据业务量的变化，数据链路层实现集中调度(集中调度会导致时延有少许增加)，AAU判断子帧是否有数据发送，无数据发送时，关断射频通道。对于必要的控制信道和信号，基站仍保持原有的发射周期和功率。从而，当基站业务量恢复到正常时，符号关断功能终止，功放模块能够立即进入工作状态，保证了5G网络性能不受影响。

3 通道关断

当小区处于无业务或者业务负荷较低时，在系统设定的节能时间段，可以按照不同的颗粒度进行通道关闭以实现节能，如针对64T64R AAU可以随话务容量的逐步降低，如图2所示，由64T64R先降阶至48T48R，最后降阶至16T16R。且通过对剩余开启通道功率谱抬升实现覆盖补偿。

通道关断开关打开，在设置的节能时间段内监测当前上行/下行资源块(ResourceBlock，RB)利用率，如果满足条件，触发执行通道关断操作，参数控制选择关闭通道的策略，关闭部分TRX通道节能，涉及PA、部分TRX的关断。当不满足条件或到达节能结束时间时退出通道节能状态。

图2 通道关断工作原理示意

该方案适用于夜间低负荷场景，并且小区远点用户很少的情况下。此外，基站实施通道关断时，一方面需要考虑发射功率的降低对网络关键性能指标(Key Performance Indicators，KPI)的影响，另一方面还需要考虑上行接收性能以避免误估业务负荷的情况。因此，建议分开考虑上下行通道关断功能，以达到更好的5G性能。

4 4/5G协同载波关断

根据国内网络建设部署原则，在4G基础覆盖完善的情况下，5G网络一般作为容量层承载高速需求的数据业务，在夜间话务需求较低的时刻，可以关闭5G射频发射，仅保留4G覆盖满足用户需求，如图3所示。

由于当前5G为3.5 G单载波，因此载波关断考虑的是系统间的载波关断，即4G/5G间的协同，通过获取4G基站和5G基站负荷，根据5G历史负载情况，设置关断策略（门限，时间）。若5G负载低于特定门限，则关断5G载波；如果发现LTE负载高于特定门限时，打开5G载波。根据5G的组网方式有以下两种载波关断特性。

（1）NSA场景下，通过EN-DC X2接口，实现低业务时段关闭5G载波；

（2）SA场景下，通过网管平台，实现低业务时段关闭5G载波。

图3 4/5G协同载波关断工作原理示意

针对双载波或多载波同覆盖的组网场景，在网络较闲、小区业务量较低的情况下，可以通过载波关断技术实现基站节能目标。具体地说，一个载波配置为覆盖小区，其他载波为容量小区，这些小区形成一个同覆盖小区组。当同覆盖小区组的RB占用率小于载波关断门限并满足迟滞时间后，通过负载均衡机制触发用户从容量小区切换到覆盖小区，然后关断容量小区的载波。当同覆盖小区组的RB占用率回升，大于载波开启门限并满足迟滞时间后，开启容量小区的载波，并启动负载均衡机制，使得容量小区和覆盖小区的负荷恢复到节能前的水平。这样可以在闲时阶段减少天线发射功率，从而达到基站节能的目的。

以NR的NSA方式组网时，可认为其中的NR是容量制式，LTE是基础覆盖制式。如果NR业务量比较低，则可以智能地关断NR，同时把流量转移到LTE上。一旦LTE业务超过门限，再唤醒NR小区。这样一来，整个网络的功耗随着业务量变化而变化。载波关断恢复时间在分钟级，关闭的器件为PA、TRX、DPD芯片（DPDIC）和部分数字基带。载波关断适合跟踪网络流量的慢速变化包络。

5 深度休眠

深度休眠功能主要用于室内覆盖分布式皮站(Pico Radio Remote Unit，pRRU)，特别是商场、地铁等典型潮汐场景。在业务空闲时，pRRU设备进入深度休眠模式，如图4所示，数字器件大部分功能关闭不再提供服务，或者直接下电，当业务量增加并超过预定门限，则通过BBU设备激活pRRU设备，灵活实现基站设备节能功能。具体地说，设定深度休眠的启动时间和停止时间，以及检测周期(如15 min)，检测是否有终端驻留和发起业务。如果到达节能启动时间，pRRU下无业务且无终端驻留，则启动深度休眠(pRRU掉电或低功率运行)；如果有业务或有终端驻留，则下一个周期再执行检测；如果到达节能停止时间点，则BBU触发pRRU恢复到正常工作状态。

图4 深度休眠工作原理示意

6 智能节能技术

传统的节能技术主要还是依赖简单的模型或人工设定好的门限来决定开关与否，其参数设置相对保守，导致节能效果有限。所有参数都是由基站统一设置，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。利用人工智能技术，如图5所示，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。

图5 智能节能技术流程模型

通过收集历史时空特性数据分析无线资源利用率变化规律，对覆盖小区的KPI进行监控和评估，利用人工智能技术充分考虑网络覆盖、用户分布、场景特征并根据历史和实时数据对无线资源利用率进行预测和评估，给出具体的节能配置策略，保障网络性能的同时有效降低能耗。

7 小结

预计到2025年，通信行业将消耗全球20%的电力[5]，电费将成为决定运营商经营能力的重要因素。本文针对NR基站四种节能技术进行深入研究，并创新性引入人工智能调度应用平台，通过对现网的配置、性能统计、MR等基础数据，采用人工智能算法，在系统性能和节能效果间达到最大平衡，实现最优的网络节能降耗，提升网络运营发展效益。