5G基站节能方案

2021-03-16祝海云沈佳成居新星

通信电源技术 2021年19期

祝海云，沈佳成，居新星

（中国电信股份有限公司金华分公司，浙江金华 315000）

0 引言

网络规模越建越大，运营商能耗持续增长，以中国工信部发布的数据为例，2015年相比2011年运营商能耗增长近40%，而2020年相比2015年，能耗增长将达到60%左右。随着5G的建设以及5G有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）的大规模商用，相比于3G、4G主用的遥控射频单元（Remote Radio Unit，RRU），由于AAU的功耗较大，其能耗也将成倍的增长。5G定义了增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大规模物联网（massive Machine Type of Communication，mMTC）、超可靠低延迟通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）3大业务类型，使得5G小包突发性的业务不断增多，基站24 h不间断地工作，5G站点的日均能耗也将是4G的两倍多[1]。

3GPP在5G时代引入了大规模天线（Massive MIMO）和更大射频带宽等关键技术，5G支持更高的数据速率、更大的数据流量，因此需要更多的传输带宽，高频段的部署将是5G未来扩展的主要频段[2]。而高频段传输特性限制了站点的覆盖范围，从而使5G站点部署较为密集，而且增加站点所带来的能耗将会给运营商带来巨大的运营成本压力[3]。

1 如何节能

5G基站主要由基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）、AAU、馈线、散热系统等组成。BBU和AAU是5G基站的主要部分，AAU就是RRU+天线的组合。BBU由电源板、风扇、基带板以及主控板组成[4]。AAU主要由数模转换（Digital to Analog Conversion，DAC）、射频单元（Radio Frequency，RF）、功率放大器（Power Amplifier，PA）以及天线等部分组成，主要负责将基带数字信号转为模拟信号，再调制成高频射频信号，然后通过PA放大至足够功率后，由天线发射出去。

在整个基站系统中，负责处理信号编解码的BBU的功耗相对较小，而RRU/AAU和散热系统是功耗的主要来源。从射频模块的能耗分布来看，大部分能耗集中在PA上，占比约80%，同时也有20%的其他能耗。传统符号关断、载波关断以及通道关断就主要是针对PA做的节能方案，本文主要介绍在传统节能的基础上采用节能调度+深度符号新技术来降低基站的能耗。

2 基站节能方案

2.1 现网基站节能方案

现网基站节能技术主要根据网络负荷情况，将暂时空闲的射频资源进行关闭，从而进行基站节能[5]。根据用户业务是否受影响可以分为符号关断、射频通道智能关断以及射频深度休眠。

2.1.1 符号关断

符号是时频域资源的一个概念，其在时域上占有一定长度，频域上占据整个载波的带宽。14个符号组合为1个时隙，时隙构成子帧，10个子帧构成1个无线帧，从而形成基带信号，再经过调制可形成射频信号。符号可以用来承载数据、传输信息，其在时域上处于连续不断的传送状态，当符号没有承载数据时，如果基站继续发送无数据的符号，就会产生无效能耗。而射频模块的PA用于放大射频信号的功率，以增大射频信号的覆盖范围。符号关断示意如图1所示，当符号没有承载数据时，可通过符号关断功能实时快速关闭PA，以减少能耗；当符号有承载数据时，可通过符号关断功能实时快速打开PA，以保证数据传送的完整性[6]。

图1 符号关断示意

2.1.2 射频通道智能关断

基站在某些时间段处于轻载或空载，但射频模块的发射通道仍处于工作状态，造成了基站能耗的浪费。如图2所示，射频通道智能关断可在设定的时间段内，当小区处于轻载或空载时，基站自动关断本小区的部分发射通道，从而达到节能的目的[7]。同时基站会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。由于阵列增益和功率增益损失，信道质量指示（Channel Quality Indication，CQI）会下降，若秩不变，则调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）会下降；若秩下降，则MCS可能会抬升，也可能会下降，导致下行频谱效率降低，传输相同数据量所需的下行资源块（Resource Block，RB）会增加，所以下行利用率会抬升。

图2 射频通道智能关断示意

2.1.3 射频深度休眠

射频模块是基站必不可少的一部分，其主要完成射频信号的接收和发送、基带信号的调制解调、数据处理、功率放大等。当射频模块下存在用户时，保持工作可以为用户提供网络服务；但若射频模块下不存在用户时，继续保持工作就会产生无效能耗。射频深度休眠示意如图3所示，固定时段无业务场景时，基站可使射频模块处于休眠状态，当到达配置的休眠时间时，基站会先禁止新用户接入，切换在线用户。若射频模块上小区切换在线用户后仍有用户在线，基站会在等待时长超时后强制休眠小区，射频模块进入深度休眠。射频模块深度休眠与射频模块侧其他节能功能（如符号关断、通道关断等）同时开启时，会优先进入射频模块深度休眠节能功能。射频模块进入深度休眠后不再发射信号，会导致覆盖区域内无线信号变差，出现用户体验（User Experience，UE）掉话、无法接入等现象[8]。

图3 射频深度休眠示意

2.2 深度符号+节能调度

2.2.1 深度符号

基站设备中，除PA外，射频模块的无线射频芯片的能耗也较多，在没有信号输出时，无线射频芯片也会产生静态能耗。为进一步降低基站能耗，同时又能保证数据传送的完整性，开启深度符号关断后，基站能够实时检测下行符号周期内是否有承载数据，在没有承载数据的下行符号周期内关闭无线射频芯片。深度符号示意如图4所示。

图4 深度符号示意

2.2.2 节能调度

在现网中，对于小包业务占比较高的场景，有较多下行子帧只调度了少量RB，而这些子帧由于有数据发送，无法进行符号关断。对于多载波共射频通道场景，由于各载波业务分布的随机性，各载波公共可关断的空闲子帧较少。调度节能功能通过降低系统消息和寻呼的发送频度换取更多的无数据发送时间窗，并在该时间窗内进行符号关断，进一步提升符号关断的节能效果[9]。

节能调度功能可通过如下4种方式获取更多无数据发送的符号，并进行符号关断，从而达到节能的目的。

（1）剩余最小系统信息广播周期动态调整。当基站检测到网络处于轻载或空载时，延长剩余最小系统信息（Remaining Minimum System Information，RMSI）广播周期，以获取无数据发送的符号[10]。当基站检测到网络处于常规负载时，恢复RMSI广播周期。RMSI广播周期动态调整示意如图5所示。

图5 RMSI广播周期动态调整示意

（2）寻呼帧数量动态调整。当基站检测到网络处于轻载或空载时，减少寻呼周期（T）内的寻呼帧（Paging Frame，PF）数量，以获取无数据发送的符号。当基站检测到网络处于常规负载时，恢复寻呼周期内的寻呼帧数量。PF数量动态调整示意如图6所示，在进入节能调度状态下默认生效。

图6 PF数量动态调整

（3）符号汇聚。基于物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）数据的大小，对一个时隙内有PDSCH数据的符号按照“扩频域，压时域”的原则调度汇聚，即在一个时隙内支持将时域上的部分PDSCH数据调度汇聚到最少7个有PDSCH数据的符号所在的频域上，以最大限度获取无数据发送的符号。符号汇聚示意如图7所示。

图7 符号汇聚示意

（4）时隙汇聚。以增加一定的调度时延为代价，把PDSCH数据调度汇聚到主信息块（Master Information Block，MIB）、系统信息块（System Information Block，SIB）、其他系统信息（Other System Information，OSI）或Paging对应的时隙上发送，使PDSCH数据的调度在时域上更集中，以获取无数据发送的符号。如图8所示，时隙汇聚在进入节能调度状态下默认生效。

图8 时隙汇聚示意

3 节能效果

3.1 当前节能效果

3.1.1 符号关断

选取现网64T的30个小区做节能效果试点，其中开启符号关断单小区的平均能耗约为11.25 kW·h，未开启符号关断的能耗约为12.5 kW·h，节能效果约为10%，如图9所示。

图9 开启符号关断能耗统计

3.1.2 射频通道智能关断

选取26个小区进行RF通道效果评估，其中在射频通道智能关断生效时间段内，开启时间段内单小区节约能耗为0.3 kW·h，现网开启通道关断的同时开启符号关断，整体大约节能度数为1.5 kW·h，节能效果约为12.1%。试点区域射频通道智能关断节能效果如图10所示。

图10 开启射频通道智能关断能耗统计

3.1.3 射频深度休眠

选取26个小区进行AAU深度休眠效果评估，其中在AAU深度休眠生效时间段内，开启时间段内单小区节约能耗为0.9 kW·h，现网开启通道关断的同时开启符号关断，整体大约节能度数为1.9 kW·h，节能效果约为15.2%。试点区域AAU深度休眠节能效果如图11所示。

图11 开启射频深度休眠能耗统计

3.2 节能调度+深度符号的创新方案节能效果

将义乌精品网内已开通符号关断的296个AAU进行节能新特性下发，将生效时间设置为07：00-23：00点。结合3天的AAU的能耗来看，整体节电度数为311 kW·h，节能效果较开启符号关断再提升14.45%，节能效果如图12所示，生效时间内无线接通率、掉话率、CQI优良率、用户数以及流量无明显波动。