5G 接入网机房节能技术研究

［富越 张振］

1 概述

5G 基于SDN 与NFV 的新型网络架构，接入网采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术，可支持大带宽、低时延、海量连接等多种智能业务场景。与4G 相比，5G 移动网络的速率、时延等性能指标有数十倍的提升，但能耗也随之进一步加剧。预计至2025 年通信行业将占据20%的电力能源消耗，高能耗带来的巨大运营成本，是运营商及通信行业亟待解决的问题。

接入网机房承载了无线网中基带处理和射频等设备，其能耗在移动通信网络中占比最高。5G 接入网设备的功能更复杂，硬件处理能力更强大，功耗比4G 网络设备提高数倍。节能减排，综合考虑接入网机房中网络设备及配套设施的节能方案，是未来5G 网络发展必须面临的问题。

2 5G 无线网结构

2.1 网络架构

为支持高速率、低时延和海量连接的业务需求与挑战，5G 采用NFV 和SDN 技术，使网络功能与物理硬件实体解耦，控制功能和转发功能分离，以通用硬件代替传统的专用硬件，从而提高资源利用率，降低网络基础设施的建设成本与能耗。基于NFV 和SDN 技术，5G 网络架构进一步扁平化，主要包含转发、控制、接入3 个功能平面。核心网具备转发和控制功能，其中转发平面从网络中心下移到网络边缘，以提供高效智能的转发控制功能。

无线接入网只包括gNB 一级网元，采用了NR 新空口技术与Massive MIMO 大规模天线技术。5G NR 新空口协议栈结构如图1 所示，以4G/LTE 协议层结构为基础，控制面保持不变，用户面在分组数据汇聚协议（PDCP）层上增加数据适配协议（SDAP）层，主要负责Qos 流与数据无线承载之间的映射，并为数据包添加QFI（Qos flow ID）标记。

图1 5G 空口协议栈结构

MIMO 技术可增加信道容量，提升频谱效率。4G 无线网络系统一般采用2×2MIMO 或4×4MIMO，在相同时频资源中可并行传输2 或4 个数据流。5G 网络主流配置为64×64MIMO，最大支持16 或32 个数据流，相对于4G 网络可成倍提升频谱效率。

2.2 基站形态

5G 接入网元gNB 将传统的基带处理单元BBU 拆分为DU 与CU 部分，射频天线与射频拉远单元RRU 集成为AAU。接入网元由传统的BBU、RRU 两级结构向集中单元（CU）、分布式单元（DU）、有源天线（AAU）三级结构演进。5G 空口协议映射至基站设备的物理形态如图2 所示，CU 实现高层基带协议即PDCP、RRC/SDAP 层协议的功能，并提供接入网与核心网间的回传接口；DU 实现底层基带协议即RLC、MAC、PHY 层协议的功能，并提供基带处理与射频单元间的前传接口。CU与DU 通过F1 接口连接，可基于NFV/SDN 技术高效实现密集组网下的集中控制与负载管理，增强小区间协作。AAU 实现基带信号与射频信号的转换和部分基带物理层底层功能。

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图2 5G 基站设备形态

CU 设备基于通用硬件，支持软、硬件解耦和虚拟化技术，将BBU 设备中非实时部分的功能分割出来，负责处理接入网络中非实时协议与服务。DU 设备可与BBU共硬件，负责处理原BBU 设备中物理层协议和实时服务。AAU 设备集成射频单元与天线单元，由有源天线阵列构成，支持Massive MIMO 技术，可根据区域业务量可支持64、32、16 等不同通道数。

综合考虑不同场景业务需求、建设环境及传输配套等因素，接入设备可灵活部署。CU 与DU 设备在网络中可分离布放，也可以合设，即集成在同一个物理设备中同时实现CU 和DU 的逻辑功能。如图3 所示，根据设备的布放方式，5G RAN 主要包括分布式无线接入网（D-RAN）、集中化无线接入网（C-RAN）和CU 云化3 种部署形式，详见图3。

图3 5G RAN 部署形式

由于DU 用以实现底层基带协议，有较高的实时性要求，难以实现虚拟化，且CU 虚拟化存在高成本的问题，因此5G建设初期较多采用CU/DU 合设的部署方案。同时，受限于站址密度大、建设成本高、维护工作繁重等问题，5G RAN 建设初期将大量采用C-RAN 部署形式，且延续4G网络中BBU集中部署的方式，将BBU处理资源集中化、开放化和云计算化，形成BBU 基带池，以达到节约末端投资和减少维护成本的效果。

3 能耗分析

虽然基于Massive MIMO 技术，5G 网络每bit 的耗电量大幅下降，其能效比相对于4G 网络提升了几十倍，但面对海量数据及超密集组网建设，5G 网络能耗的绝对值已显著增加。在移动通信网络中，约80%的能耗来自于接入网基站，而5G 接入网基站的能耗可分为网络设备能耗与机房配套设施能耗。

3.1 网络设备能耗

5G 基站设备主要包括CU、DU/BBU、AAU，设备部署方式不同中，基站的能耗也不同。当CU 与DU 分离布放时，基于通用硬件平台实现的CU 设备可根据部署需求灵活配置容量，1 个CU 设备可管理几十到几百个DU设备。因此不同配置的CU 设备在规格、体积方面也不同，设备功耗在几百瓦到几千瓦之间。

CU 与DU 合设时，设备的物理形态类似4G 网络的BBU 设备，可称为5G BBU。5G BBU 设备可沿用4G BBU 的组成结构，基于ASIC、FPGA 等专用芯片，由主控传输板与基带处理板等处理器构成。5G BBU 设备需采用更大数量的芯片，以完成高速运算和存储，因此单台设备功耗较4G 有所增加，约为300 瓦。

AAU 设备由功放、数字中频、收发信板及电源等其他模块组成。5G 无线网的大带宽对AAU 数字中频芯片的性能提出了更高要求，使其功耗也随之增大。AAU 集成大规模大线阵列，通道数量成倍增加，但目前可支持多通道的数字中频器件并不成熟，使AAU 集成度不高，功放及数字信号处理器件的功耗会随着业务负荷的增大而增大。当业务满载时，AAU 设备功耗可达1 200 千瓦。

以CU/DU 合设，并采用D-RAN 无线接入部署的方式进行测算，区域采用3 扇区覆盖，则单基站5G 网络设备的能耗约为3.9 千瓦，当3 家运营商共站址时，功耗可达12 千瓦。

3.2 配套设施能耗

机房内配套设施主要包括交直流电源系统、动环监控系统、照明系统、空调系统等。交直流电源系统的能耗主要体现在外市电引入和机房内电缆的线损、供电系统节点导致的高次谐波与能量损耗、开关电源整流效率等方面。动环监控与照明系统的能耗较小且固定，不会随着机房内网络设备功耗的增大而增大。

综上所述，当三家运营商共站址时，5G 接入网单站总能耗将近16 千瓦；如果再考虑与其他2G/3G/4G 制式共存，则单站总能耗最高可达30 千瓦。目前全国5G 基站数量已近60 万，通信网络的能耗成本进一步增大，为运营商及通信行业带来巨大的压力，5G 基站节能已成为通信行业必须考虑的问题。

4 节能技术

4.1 网络设备节能

4.1.1 硬件优化

5G 基站中网络设备功耗主要来自AAU 与BBU 设备。提升AAU 与BBU 硬件设备的性能，是降低网络运行功耗最基本的措施。设备硬件性能的提升主要受芯片处理能力和器件集成度的影响。

当业务满载时，AAU 功放模块的功耗约占AAU 总功耗的58%，采用新材料、新技术如氮化镓（GaN）芯片、Doherty 功放等优化AAU 功放模块设计，提升工作效率。BBU 设备内部基带信号处理器可采用ASIC 专用芯片替代FPGA 等高功耗器件，从而提高性能，降低基带信号的处理功耗。当前网络设备的芯片一般采用28 nm 或14 nm 技术，随着5G 芯片技术与工艺的不断提升，尽快采用10 nm或7 nm 技术，可减少硬件基础功耗近50%。

5G 收发通道数由4G 的8/4 增加为64/32，当前芯片所支持的通道数有限，造成设备运行功耗大幅度提升。提高数模转换、数字中频、基带处理芯片的集成度，可有效降低信号收发与处理的功耗。

4.1.2 软件控制

在不影响用户感知体验的前提下，根据无线通信业务的潮汐效应，综合考虑业务在时间、空间的分布特征及网络负荷变化等因素，通过软件控制功能，动态调整关断部分资源，保障设备在低功耗状态下有效运行，以达到节能效果。软件控制节能技术主要包括符号关断、通道关断、深度休眠和载波关断等。

基站检测到部分下行符号无数据发送时，关闭AAU的功放功能，当出现有数据符号时开启AAU 功放功能。符号关断和开启时间在微秒级别，以不影响通信网络性能。通过优化基站的调度算法，集中收发数据在特定符号内，可增大无数据符号的比例，以获得最佳的符号关断节能效果。

AAU 集成大规模大线阵列，通道数量成倍增大。根据覆盖区域业务量变化情况，在业务负荷较低时关闭部分射频通道，当业务负荷恢复或增大时再重新开启已关闭的通道，从而降低射频通道的收发功耗。通道关断和开启时间在秒级，以不影响基站的覆盖能力。当覆盖区域的业务负荷降低至一定阈值时，可采用AAU 深度休眠功能，即只保留基本的数字接口电路，关闭AAU 功放、大部分射频与数字通路功能，进一步降低AAU 设备运行功耗。深度休眠状态的恢复时间可控制在5 分钟内。

载波关断实现网络区域级的节能。当区域同时内存在利用频点1 实现无缝覆盖的基础层和利用频点2 实现热点覆盖的容量层时，通过判断区域内覆盖和容量情况，关闭低业务的容量层载波，达到节能效果。

4.1.3 AI 节能

随着5G 网络的发展与演进，通信业务量剧烈增涨，且将出现多网络制式共存的场景。在5G 网络建设初期，通硬件优化与软件控制技术可在一定程度上实现节能降耗的效果，但硬件优化受限于关键器件的产业发展，软件控制技术受限于低业务场景。随着5G 后期业务量的增大，传统节能技术的效果不再明显，且软件控制的关断特性多通过人工进行设置，难以实现跨网络的节能效果。

人工智能（AI）是未来新技术的发展方向，基于AI的智能化节能技术是5G 网络解决未来高能耗的主要方向之一。AI 技术可对现网中的大量数据进行分析，建立业务模型，有效实现业务预测，并形成基站的节能策略。基站根据下发的策略自动触发进入节能状态，从而实现创新网络运营运维模式，达到智能化跨网络的节能效果。

4.2 配套设施节能

5G 基站机房的配套设施能耗主要来源于交直流供配电系统和空调系统。供配电系统可通过优化配置结构、减少供电节点等措施减少电能在线路及设备上的谐波损耗；通过配置具备休眠功能的高效整流模块提高交直流转换效率，减少电能损失。机房中配套设施的节能重点在于空调系统，空调系统的配置应综合考虑机房建筑环境、设备空间布放、机房内气流组织等多种因素，以达到高效制冷、节能降耗的效果。

4.2.1 外界冷源

通过对机房建筑环境的分析，可最大程度利用外界冷源，减少空调带电运行时间。当外界环境温度低于室内，空气中无腐蚀性气体，且灰尘、雾霾等固体颗粒数较少时，可采用新风系统或热管空调等直接利用外界冷源的制冷技术，使机房空调能耗降低至零。

基站位置附近有连续稳定可利用的废热和工业余热时，空调系统可采用吸收式冷水机组，利旧废热和余热为机房提供制冷。如图4 所示，液态制冷剂在蒸发器中吸热蒸发，气态制冷剂在吸收器中被吸收剂吸收，吸收剂由溶液泵送至发生器，加热发生器分离出气态制冷剂，气态制冷剂在冷凝器中被冷凝成液体，再经节流后进入蒸发器。制冷剂在蒸发器中蒸发吸热，对循环水进行冷却，为机房提供冷源。

图4 吸收式冷水机组

吸收式制冷机利用“废热制冷”技术，将各种工厂的废热作为制冷机的动力热源，不仅减轻了工业污染，也降低了基站制冷的能源消耗。

4.2.2 云舱模块

5G 建设初期大量采用C-RAN 部署形式，即在接入网机房内集中放置BBU 设备，形成BBU 基带池；同时，为满足业务带宽、时延特性等网络要求，部分接入网机房还需部署边缘云设备。

以单运营商部署10 台BBU，单机柜放置5 台BBU进行测算，则3 家运营商共站址时BBU 机柜数量为6 台，加上其他网络制式设备柜、服务器机柜等，机房内机柜数量达10 台以上。在大型C-RAN 机房，BBU 设备数量有50～100 台，则机房内机柜数量将达到20 台以上。当机房中机柜数量较多时，除了合理配置空调的规格型号外，更需提高机房制冷效率。通过优化气流组织、精确送风等技术，提高机柜散热效率，避免出现局部热点等问题。

机柜数量增加，但不同运营商或不同制式间的机柜尺寸不尽相同，因此在机房内可建设云舱模块。如图5 所示，云舱封闭冷通道形成冷池，提高空调制冷效率；单机柜功耗未超过6 千瓦时，可采用架空地板下送风方式。

图5 云舱模块示意图

相对于传统制冷方式，云舱模块制冷方式提升了配电、运维、温控等子系统的可靠性、节能性和智能性，可使机房PUE 值低至1.5 左右，节能效果明显。

5 结束语

5G 已进入商用，降低网络的能耗与运营成本对运营商及通信行业的发展具有重要意义。网络设备的硬件优化与软件控制技术具有一定的节能效果，但受限于硬件产业的发展和场景业务量的大小，因此AI 技术的应用是未来5G 网络节能的主要研究方向。大量网络设备的部署也给接入网机房带来配套设施的能耗，在BBU 集中放置的C-RAN 机房利用外界冷源或采用云舱模块的技术，可在保障设备运行制冷需求的同时降低机房配套设施的能耗。

本文对5G 接入网基站机房的节能技术进行了探讨，而核心汇聚机房的节能降耗技术还需进一步研究。