基于5G通信技术的无线网络节能降耗技术研究

2021-01-14张蜀晋

数字通信世界 2021年8期

张蜀晋

（山西信息规划设计院有限公司，山西太原 030001）

如今，无线通信的快速发展，移动终端用户的大幅度增加，在为5G技术创新发展注入动力的同时，也使得设备、基站的能耗问题成为制约技术推广的重要因素[1]。由于网络通道的架设需要复杂的设备进行支持，因此5G网络系统的建设需要的功耗极高，超过4G基站的2-3倍，当前，5G通信网络的全方位建设应将能耗控制作为重点，根据设备级、站点级、网络级领域节能技术的研究成果与应用优势分析，对无线网络新技术、新材料与新工艺的应用与推广进行深入探析，为新时期无线通信领域应用技术的优化改革提供助力。

1 设备级5G网络系统节能技术应用方向

1.1 设备高能耗的原因

5G设备使用能耗过高的影响因素较为复杂，包括网络运维通道的增加（从原有的8道扩增为64/32道）、流量规模的提高（从2流增加到16流及以上）、设备发射功率的提升（由100 W提升到200 W及以上）。多方面因素叠加，导致5G网络在额定满载状态下，功耗超过4G的2-4倍，对于网络全覆盖战略的实行有着局限影响。目前，5G基站的主要能耗应用分为AAU、BBU两个环节，其中AAU运行功耗占据总功耗90%左右，按照不同功能模块划分，包括设备功放、电源功耗、小信号以及数字中频四部分。

1.2 节能技术具体应用

（1）降低基础能耗。设备功耗会根据业务负载状态的不同出现动态变化，AAU四个功能模块消耗的电量比例随之转变。通常情况下，当无线网络处于满载运维状态时，功放的实际功耗率最高，大约占据总能耗58%左右；空载状态下，数字中频实际能源消耗比例可以达到46%。因此，当前设备级AAU节能研究主要集中在功放效率的控制及降低基础数字中频模块的空载消耗。

（2）基于BBU集中化系统对机房能耗进行控制。BBU作为设备集中化管理系统，可以通过对机房部分设备的共享，降低设备能耗。设备共享主要应用范围包括：主设备、散热设备、配电设备等。在5G网络大范围铺设工程中，优化创新集中化设备管理模式，成为相关建设与运维单位深化节能技术研究的重要方向。

（3）促进设备升级。在设备升级方面，采用双频4T4R规划方案，能够有效降低电量消耗，节能效果较为显著。基于双频4T4R技术应用，可以针对性地降低OPEX，借助4G用户体验感知的深入研究，提供了更便捷、高效的5G服务，在流量高峰区域采用双频4T4R进行系统扩容，进一步提升了用户感知服务体验，对于争取5G用户有着支持作用。与此同时，在NSA组网状态下，作为5G网络服务的延伸，4T4R能够有效地补充5G网络高频覆盖的空白部分。

（4）积极引进新工艺与技术。在5G系统建设节能技术创新研究方面，相关技术、管理人员还应逐步加强新技术、新材料与新工艺的引进，推进设备层面能耗控制技术的广泛性、多元化应用。首先，在芯片的制作方面，可以采用7 nm新型工艺，对通信芯片进行升级，促进网络级架构优化节能技术的深入研究；其次，由于基站AAU载频功耗在整体能耗中占据较高的比例，因此，在功放模块设计时，可以采用氮化镓材料代替原有的设备材料，在保证功放效率的同时，实现节能效果；第三，AAU设备散热结构设计环节，应尽量选择高导热材料，合理运用散热齿仿生学理念、液冷散热理念等，进行技术创新。

2 站点级5G网络系统节能技术应用方向

站点级功耗控制技术主要是结合网络不同阶段的实际负荷状态、运维需求等，将部分功能关闭，实现节能减耗的控制目标。需要注意，网络功能的关闭控制是以不影响用户业务服务质量为前提的，按照关断形式不同，包括亚帧关断、通道关断、深度休眠三种形式[2]。

（1）亚帧关断控制。无线网络的流量在高峰、低谷时的分布不均衡，科学、合理调配高峰与低谷时段的站点设备、满足用户差异化通信需求，是节能技术研究的重点。近几年，站点级能耗控制技术的发展方向是通过话务负荷状态变化的研究，对配套设备资源进行调控。在基站网络运维设备中，占据最高能耗比例的是功率放大设备，即使没有信号需要输出，也会产生静态运维能耗。针对该种情况，可以采用亚帧关断控制技术，即当下行亚帧没有数据进行发送时，会关闭射频硬件，避免产生静态能耗；当检测到传输数据时，再进行开启。由于关断、重启控制的时间颗粒度检测数值属于微秒级别，亚帧关启操作对网络服务性能的影响极低，但可以降低10%左右的电力损耗，应用前景较为广阔。

（2）通道关断控制。5G网络技术突破的主要方向是信号通道建设的扩增，网络通道的增加，系统流量承载能力的提高，也会导致数字中频、小信号模块能耗的大幅度增加，基带数据计算量更多。通过通道关断对运维能耗进行控制时，需要结合网络通信流量的状态进行，当5G网络处于空载、轻载状态时，容量需求相对较低，基站可以选择关闭部分通道，在检测流量增加时，重新启动。由于通道开关时间颗粒度属于秒级，对用户体验影响也相对较小。需要注意，关闭部分射频通道将会导致阵列与赋形增益的部分损失，尽管利用功率控制手段能够适当弥补，但上行与下行信道的实际容量会受到一定的影响。据实验检测证明，5G网络轻载或空载时，关闭通道可以降低整体能耗的15%左右。

（3）深度休眠。当网络运维状态监测显示系统负荷情况不高时，可以选择4G邻区承载容量，在可接受范围内，将5G用户转移到邻区，让5G设备维持深度睡眠状态，实现控制能耗的目标。处于深度睡眠中的设备，关闭了5G网络的功放、部分数字通路、射频等功能，只维持数字接口通畅服务功能，在需要时，重新启动AAU全部功能。

3 网络级5G网络系统节能技术应用方向

当前阶段，从网络能耗层面实行节能控制时，主要的技术应用方向为多网协作与架构优化两个方面，在网络协作系统建设过程中引进大数据、人工智能等先进的数据算法，对多频网络架设与多种无线网络运维情况进行有效识别，实时控制小区网络的休眠与唤醒装袋，实现了精准节能、动态调整、高效运营的目标[3]。

（1）多网协作能耗控制。5G网络全方位、多元化建设背景下，使得现阶段网络运维模式出现TDD、FDD、NR共存的现象，在部署网络覆盖战略时，需要基于站点TD-LTE共模的特征，制定节能对策。基于多网协作的网络运维特点，运用大数据、人工智能等算法，可以在全面、系统收集海量网络数据的同时，保证网络运维稳定、提升用户实际体验。此外，智能网络控制系统还可以对不同模式、频道下的共覆盖运维情况进行识别，通过内置算法对容量预测，实时进行休眠与唤醒操作，进一步优化能耗控制系统，提升电力能源的整体配置质效。

（2）网络架构优化节能技术。现阶段，无线网络系统的架构主要以C-RAN为主，采用无线接入的模式，在机房中集中管理，同时，还能够针对性地保存远端射频和天线，降低基站设置的数量，在一定程度上减轻了5G网络的铺设成本，对于能耗控制也有着积极意义。基于C-RAN集中建设布局下，可以为BBU基带资源池共享提供支持，从硬件节能的角度降低能耗，典型场景下的实验测试结果显示，集中运维管理模式下的网络架构可以降低5%左右的用电能耗。