5G无线网节能关键技术

（中国移动研究院，北京 100032）

0 引言

当前我国已经建成了全球最大规模的5G 商用网络，相比4G 网络，5G 网络带宽大、流量高，5G 设备发射功率高、通道数多，5G 单站额定功耗约为4G 多载波基站的2～3 倍，成为制约5G 网络可持续发展的重要挑战之一。中国移动在5G 节能方面建立了设备、站点、网络三个级别的5G 节能技术体系，进一步引导产业提升数字器件的集成度、芯片处理能力，开展节能软件方案研究和应用。

下文将从5G 基站节能的需求、目标出发，聚焦于软硬件节能技术的研究发展，并根据试验结果提出相应的技术需求和应用场景建议。

1 功耗分布分析和硬件方案

1.1 功耗分布

本论文研究基站硬件功耗模型，分析各模块优化空间和节能方案，提出设备指标，促进基站设备功耗降低。基站功耗可以分为AAU 和BBU 两大部分，AAU 的功耗约占整机功耗的90%，是基站功耗的主要组成部分。5G AAU 主要模块包括基带上移、数字中频、收发信机以及PA 等，AAU 整机功耗的大小和基站负荷相关（由于PA引起）[1-2]。

功耗随着业务负载的变化而变化，各功能模块的功耗比例也随之发生变化。如图1、图2 所示，在满载条件下，PA 占比接近60%，是AAU 功耗最主要来源；在空载条件下，PA 占比下降至30%，与数字中频、收发信机共同构成AAU 功耗主要来源。因此，在设备级节能技术领域，不仅要提升功放效率，降低功放功耗，在5G 初期负载较低的情况下，更需要降低小信号和数字中频模块的基础功耗[3]。

图1 AAU能耗分布图

图2 AAU模块功耗变化趋势

1.2 硬件节能方案

（1）PA效率提升

如图3和图4所示，材料和工艺决定了峰值效率，并且器件工艺的选择与功率和频率都有一定的关系，因此我们在5G AAU PA效率提升方案中主要引入新材料、新设计[3]：1）新材料：2.6G 64T产品可选择LDMOS和GaN两种工艺器件，2.6 G单通道高功率和4.9 GHz产品选用GaN。2）新设计：多级Doherty架构兼顾满载和低负载高效率，使用低成本LDMOS 工艺已比较成熟，使用GaN工艺，因构建复杂架构目前仍面临较大成本压力和技术难题，需要进一步突破。

图3 材料工艺和峰值效率的关系曲线

图4 器件工艺选择与功率和频率的关系

除此之外，本论文中还提出了PA 效率提升的新方案：基于以最小资源调度单元为周期的PA 供电电压调整方案。1）包络跟踪技术（ET）是提升PA 效率的方案之一，包络跟踪技术的本质是供电电压的跟踪信号的包络，供电电压同信号包络同步骤变化，从而实现节能。因为PA 的静态功耗与输入信号的大小无关，与供电电压相关，供电电压越高，静态功耗越大；PA 的效率随输入信号的变小而降低，当随输入信号变化同时调整静态工作点时，可以有效提升PA 的工作效率。需要指出的是，ET 技术对硬件挑战巨大，后续需要和产业协同推动支持。2）基于通信信号特点，提出PA 工作状态以最小调度单元为周期（如图5 所示）、基于查找表的形式跟踪信号，以实现PA 效率的提升，后续将持续推动产业的发展。

图5 基于查找表的最小调度单元更新方案

（2）芯片集成度提升

在芯片集成度提升方面，本论文重点调研分析了基带、数字中频以及收发信机的发展趋势，通过优化硬件资源配置和算法等实现有效资源匹配业务的弹性状态，从而推动数字器件工艺和集成度进一步提升，推动功放器件演进[3]。1）基带芯片的趋势，基带实现以ASIC为主流方案，目前主流单片支持3载波，16/7 nm工艺，在增强方案中基带处理芯片将单片支持6载波NR @64通道，芯片工艺优化为5～7 nm。2）数字中频的趋势，目前单芯片主流支持16通道，主流工艺为16 nm/7 nm，在增强方案中单片支持通道将提升，工艺进一步优化为5/7 nm。3）数模转换的趋势，收发信机主流是4T4R，主流厂家是ADI和TI，收发信机主流方案为零中频架构，支持的通道数为4T4R，带宽200 MHz，在增强方案中数模转换芯片集成度下一代产品将支持8通道，功耗将进一步优化为16 nm。

2 无线网节能关键技术

2.1 亚帧静默

（1）技术原理和理论分析

基站检测到部分下行亚帧（下行符号）无数据发送时，在此周期关闭功率放大器等射频硬件，达到降低静态功耗的目的；待检测到有数据调度时，再启动射频硬件使其恢复正常。亚帧关断或开启的时间颗粒度为μs级别。

如图6所示，5G单模设备的增益分析：与下行相关的信号/信道有 SSB/DMRS/CSI-RS/PDCCH，当其占用最少资源时，可获得最大节能增益。由于5G调度最小颗粒度为符号，因此可关闭未占用符号上的PA等以实现节能。经计算，20 ms周期内最少占用符号数166个，占总DL符号占比为：166/(7×14×4)=43%，相当于有57%的符号可关断。以20 ms的周期进行考虑，DL总RB数为107 016个，SSB、CSI-RS、PDCCH、SIB1占用166个符号，166个符号当中，最多有39 837个RB可以用于承载数据，相当于可承载39 837/107 016=37%的下行业务量。

如图7所示，4G/5G共模设备的增益分析：4G和5G联合调度，在某个符号位置上，既无4G信号传输也无5G信号传输的情况下才可进行关断。4G和5G的下行信道和参考信号的部分位置重叠。20 ms周期内下行信道和参考信号最少占用符号数242个，占总DL符号占比为：242/(14×7×4)=62%，相当于有38%的符号可关断。

以20 ms为周期，联合调度时这242个符号没被占用的RB，最多可承载57%的下行业务量。

图6 5G单模设备亚帧静默增益分析

图7 4G/5G共模设备亚帧静默增益分析

（2）试验结果

根据理论分析展开了相应的外场测试验证，测试结果分析如下：小区PRB越低，亚帧静默节能效果越好。1）5G单模设备如图8所示：空载时可达约30%节能增益，随着负荷的升高，亚帧静默的节能效果逐渐降低。2）4G/5G双模设备如图9所示：相比单模设备，节能效果明显下降，与理论分析有一定差异，后续需进一步推动算法优化。此外，测试验证发现，亚帧静默对业务面时延基本无影响（双向时延在-1～-1.5 ms，几乎可忽略不计）。

图8 5G单模设备亚帧静默节能效果

图9 4G/5G双模设备亚帧静默节能效果

（3）应用建议

建议亚帧静默功能在除高铁、小区合并以外的所有5G基站全时段开启。对于只工作在5G状态时，建议配置为符号级别颗粒度的亚帧静默；对于4G和5G同时工作时，建议同时配置4G亚帧静默和5G符号级别颗粒度的亚帧静默，后续将推动设备支持4G/5G联合调度，进一步降低设备功耗[4]。

2.2 通道静默

（1）技术原理和理论分析

通道静默指多通道基站（64/32通道）在低负荷时通过关闭基站部分射频通道，从而降低基站功耗的技术。当网络处于轻/空载时，若射频模块的所有发射通道仍处于工作状态，网络承载能力过盛、且存在能耗浪费，考虑关闭射频模块的部分发射通道，降低基站功耗。通道关断或开启的时间颗粒度为s级别。

目前采用的主流方式是静默50%的通道。射频通道关闭将导致阵列增益、赋形增益均有损失，可通过开启Power boosting等方案补偿，但对广播信道、业务信道仍可能存在影响，关闭的通道数越多，节能效果越明显，但是对网络性能影响越大。

SSB性能分析：对于64通道来说，8波束分时发送，SSB水平维度具备约100°、垂直维度具备24°的覆盖能力（如图10所示）；对于32通道来说，功率降低一半，损失3 dB，赋形增益损失3 dB，总体相比于64通道共损失6 dB增益。

图10 64通道SSB覆盖范围示意图

如表1 所示，CSI-RS 性能分析：对于64 通道来说，按照8P4B 方式发送CSI-RS，实现水平维度2×50°、垂直维度2×12°的覆盖范围；对于32 通道来说，覆盖范围与64 通道保持不变，赋形增益无损失；但功率降低一半，因此总体有3 dB 性能损失。

表1 CSI-RS性能分析

（2）试验结果

根据外场测试结果，通道静默可获15%～35% 节能增益，小区PRB 越高，节能效果越好。通道静默会影响小区边缘用户速率，64/32 通道静默成32/16 通道后，边缘用户下行速率下降20～40%，小区好、中点用户速率基本无影响，建议在对边缘速率要求不高的场景启用通道静默，如图11 和图12 所示：

图11 5G单模64通道设备通道静默效果

图12 5G单模64通道设备小区边缘用户下行速率

（3）应用建议

建议在64/32 通道基站覆盖区域（农村等站间距较大的场景除外）全时段开启，设备只工作在5G 状态时，在网络参数低于下限值（网络下行PRB 利用率低于10% 且RRC 最大连接用户数低于5）开启通道静默、当网络参数高于上限值（网络下行PRB 利用率高于20% 或RRC最大连接用户数高于10）关闭通道静默。在开启通道静默时应同步开启Power boosting 功能，保证广播信道覆盖不收缩；当4G 和5G 同时工作时，需要4G 和5G 同时按照上述条件配置。

2.3 浅层休眠和深度休眠

（1）技术原理和理论分析

1）浅层休眠

浅层休眠是基站关闭5G AAU 的功放等模拟器件，AAU 进入浅层休眠状态从而降低功耗。AAU 进入浅层休眠状态之前，要将在线用户迁移到相邻AAU，确保用户持续得到服务。AAU 从浅层休眠状态恢复至正常状态，所需时长在30 s 以内。

2）深度休眠

深度休眠是基站关闭5G AAU 的功放、射频以及数字通路，仅保留最基本的光接口通信模块、时钟恢复单元、部分电源和控制逻辑，AAU 进入深度休眠状态从而降低功耗的技术，如图13 所示。AAU 进入深度休眠状态之前，要将在线用户迁移到相邻AAU，确保用户持续得到服务。AAU 休眠或回复的时间颗粒度为分钟级（5～10 分钟）。开启深度休眠后，基站完全不提供5G 网络服务，对于4G/5G 共模设备，2.6 G 4G 和5G 一起不提供服务，需要保证在本区域内还有其它LTE 频点提供服务，否则会出现覆盖空洞，设备休眠时间越长，节能效果越明显，但是对网络性能影响越大。

图13 深度休眠功能模块示意图

（2）试验结果

经过外场试验后发现，浅层休眠和深度休眠对大多数BBU 的影响不大，相较于空载，浅层休眠的节能效率约为20%～50%，深度休眠的节能效率约为40%～80%，如图14 所示。浅层休眠的开启和关闭时间颗粒度为秒级，约为15 s 以内。深度休眠的开启和关闭时间为分钟级，约为5-10 分钟，且深度休眠不影响用户掉线率。

图14 浅层休眠和深度休眠实验结果

（3）应用建议

1）浅层休眠

应分时段按照不同策略全网应用浅层休眠功能。在0-6 时（新疆地区顺延2 个小时），当设备只工作在5G状态时，当5G 业务量极低时（网络下行PRB 利用率网络负荷低于5% 且RRC 最大连接用户数低于4）开启该功能；当4G 和5G 同时工作时，当5G 业务量极低时（网络下行PRB 利用率网络负荷低于5% 且RRC 最大连接用户数低于4）且4G 业务量网络下行PRB 利用率低于20%时开启该功能。当同覆盖区域4G 业务量大于30% 且5G终端RRC 最大连接用户数量大于1 时，通知5G AAU 从浅层休眠状态恢复至正常关闭该功能。

在6-24 时（新疆地区顺延2 个小时），当设备只工作在5G 状态时，5G 业务量极低时（网络下行PRB 利用率低于5%且RRC 最大连接用户数等于0）开启该功能；当4G 和5G 同时工作时，当5G 业务量极低时（网络下行PRB 利用率低于5% 且RRC 最大连接用户数等于0）且4G 网络下行PRB 利用率低于20% 时开启该功能。当同覆盖区域4G 业务量大于30% 且5GRRC 最大连接用户数大于1 时，通知5G AAU 从浅层休眠状态恢复至正常。

2）深度休眠

应分时段按照不同策略全网应用深度休眠功能。在0-6 时（新疆地区顺延2 个小时）应用该技术时，应参考上一周网管统计数据（或软采数据），对于该时段同覆盖的4G 网络中5G 终端始终为0 的5G 小区在0 时启动该功能，在6 时关闭该功能。

3 结论

本论文介绍了从软件和硬件两个方面介绍了5G 无线节能技术的关键进展，硬件部分主要从硬件架构和器件设计方面优化功耗：一是进行功耗分布分析，研究基站硬件功耗模型，分析各模块优化空间和节能方案，提出设备指标，促进基站设备功耗降低；二是大力推动具有更高效率的GaN 功放的应用,实现功放PA 效率提升，进一步降低整机功耗。软件部分主要介绍了亚帧静默、通道静默、浅层休眠和深度休眠等功能的技术原理、理论分析，并且在现网开展测试验证，根据验证结果给出相应的现网规模部署应用建议。