基于SSB配置策略的5G基站节能方案研究

张 新，张建国

（1.浙江邮电职业技术学院 电子与通信工程学院，浙江 杭州 312366；2.华信咨询设计研究院有限公司 研发部，浙江 杭州 310014）

4G 宏基站（1 个BBU+3 个8 通道的RRU）的功耗不超过2 KW，5G 宏基站（1 个BBU+3 个64T64R的AAU）满负荷的功耗是4～5 KW，AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。由于5G 基站使用的频率较高，单基站覆盖半径小，5G 基站的数量也将多于4G 基站的数量，这进一步带来5G 基站功耗的上升，会给运营商带来较大的成本压力。

5G 基站功耗高的原因主要有三点：1）更高的速率，5G NR 的峰值速率是20 Gbps，相比于4G 的1 Gbps，增加了20 倍，为了满足这个要求，5G NR 需要更高阶的MIMO 方案、更高的调制阶数（如256 QAM）以及灵活的参考信号配置、灵活的波束管理。2）更大的信道带宽，对于FR 1，支持的信道带宽最大为100 MHz；对于FR 2，支持的信道带宽最大为400 MHz，后续版本也有可能支持800 MHz。3）为了提高波束赋形增益，5G 宏基站使用AAU，每个AAU 含有的功放数量（64 个或32 个）远远高于4G 宏基站的每个RRU 的功放数量（8 个或者4 个）。以上三个因素要求5G 基站具有更快的基带处理速度、更快的编解码速度、工作频率范围和动态范围更大以及数量更多的功放，因此会导致5G 基站的功耗显著高于4G 基站。除此之外，低时延和灵活的定时、多系统共存也带来了5G 基站功耗的上升［1］。

本文接下来从SSB 的配置策略、载波智能关断、通道智能关断、深度休眠等几个方面来分析降低5G 基站功耗的措施。

1 SSB 的配置策略

为了让UE 接入小区，不管是否发送数据，基站都需要持续发射PSS、SSS、PBCH 以及参考信号，在空闲状态下，基站的功耗主要用于发射这些符号，因此优化PSS、SSS、PBCH 以及参考信号的设计，能从根本上降低基站在空闲状态下的功耗。

5G NR 的PSS、SSS、PBCH 以及PBCH 的DM-RS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）同时发射，称为SS/PBCH 块（SS/PBCH Block），在没有混淆风险的前提下，也简称SSB（Synchronization Signal Block，同步块）。每个SSB 在频域上由连续的20 个RB（240 个子载波）组成，在时域上由连续的4个OFDM 符号组成，SSB 在时频域上的示意图见图1［2-3］。

图1 SSB 在时频域上的示意图

LTE 的CRS（Cell-specific Reference Signal，小区专用参考信号）分布在整个信道带宽，而SSB 在频域上只占整个信道带宽的一部分，因此有利于降低5G 基站的功耗。接下来以中国移动在2.6 GHz 频段上的NR 配置和LTE 配置为例，来分析PSS、SSS、PBCH 以及参考信号占用的资源［4-5］。

在2.6 GHz 频段，NR 的主要配置如下：信道带宽是100 MHz，子载波间隔是30 kHz，共计有273 个RB，上下行转换周期是5 ms，5 ms 内共计有10 个时隙，上下行时隙配置是7:2+6:4:4。假设在10 ms 周期内配置2 个SSB 突发，每个SSB 突发有8 个SSB，则SSB 共计占用240（个子载波）×4（个OFDM 符号）×16（个SSB/10 ms）=15 360 个RE。10 ms 周期内，NR 的下行共计有681 408 个RE，NR 的SSB 占下行信号的比例是15 360/681 408=2.25%［6］。

在2.6 GHz 频段，LTE 的主要配置如下：信道带宽是20 MHz，子载波间隔是15 kHz，共计有100个RB，上下行转换周期是5 ms，上下行时隙配置是3:1+10:2:2，CRS 配置为2 个天线端口。在10 ms周期内，PSS 和SSS 各发送2 次，每个PSS 和SSS 占用中心的72 个子载波，因此PSS 和SSS 共计占用72（个子载波）×2（个OFDM 符号）×2（次/10 ms）=288 个RE；PBCH 在频域上占用中心的72 个子载波，在时域上占用4 个OFDM 符号，在10 ms 内发送1 次，因此PBCH 共计有72（个子载波）×4（OFDM 符号）×1（次/10 ms）=288 个RE；对于普通子帧和特殊子帧，每个RB 分别有16 个CRS 和12 个CRS，因此共计有16（个RE/RB）×100（个RB）×6（个普通子帧/10 ms）+12（个RE/RB）×100（个RB）×2（个特殊子帧/10 ms）=12 000 个RE，再减去PBCH 重复计算的24 个RE，CRS 共计占用11 976 个RE。在10 ms 周期内，LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 共计占用288+288+11 976=12 552 个RE。在10 ms 周期内，LTE 的下行共计有124 800 个RE，LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS 占下行信号的比例是12 552/124 800=10.06%。

通过以上分析可以发现，NR 的SSB 占下行信号的比例远远小于LTE 的PSS、SSS、PBCH 以及CRS占下行信号的比例，因此可以降低5G 基站的功耗。除此之外，通过增加SSB 周期和减少SSB 数量，还可以进一步减少SSB 占用的资源，从而降低5G 基站的功耗，从理论上讲，在空闲状态下，5G 基站的功耗可以小于4G 基站的功耗。

NR 的SSB 周期可以配置为5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms 和160 ms，默认值是5 ms。为了达到降低基站功耗的目的，SSB 周期配置可以大于5 ms，配置较长的SSB 周期的缺点是增加了UE 开机后的搜素复杂度及搜索时间，UE 搜索时间增加不一定影响用户的体验，这是因为智能手机开机/关机的频率大大降低，开机搜索时间的增加并不会严重影响用户的体验，此外，NR 使用了比LTE 更稀疏的同步栅格，在一定程度上抵消了由于SSB 周期增加所导致的搜索复杂度的增加。

在网络部署的时候，为了降低5G 基站的功耗，对于以下几个场景，SSB 周期配置可以大于5 ms。

（1）载波聚合的场景，由于UE 在主载波上接收同步信号、系统消息、发起随机接入和接收寻呼消息，UE 只是在辅载波上接收和发送数据，因此辅载波的SSB 周期配置可以大于5 ms，甚至不配置SSB。

（2）宏微基站协同场景，由于微基站主要是作为宏基站的容量补充，其覆盖范围小，接入的UE 较少，SSB 周期配置也可以大于5 ms。

（3）业务负荷波动大的场景，如覆盖居民区的5G 基站，白天用户数较少，覆盖商务楼的基站，夜间用户数较少，因此可以根据业务负荷统计，在用户数少的时间段，SSB 周期配置大于5 ms。

在一个SSB 突发内，SSB 的数量也可以灵活配置，通过减少SSB 的数量，可以进一步降低5G 基站的功耗。对于微基站，由于覆盖范围较小、波束较宽，SSB 的数量可以配置的少一些。对于容量型的基站，SSB 的数量也可以配置的少一些。

假设SSB 周期由5 ms 增加到80 ms，SSB 的数量由8 个减少到1 个，则SSB 占用的资源将降低到原来的1/128，因此可以显著降低5G 基站的功耗。

1 个SSB 突发内的多个SSB 在时域上较为集中，极大地方便了时隙、符号的关断。还是以中国移动在2.6 GHz 频段的SSB 配置为例，1 个SSB 突发最多分布在4 个时隙内，如果SSB 周期是5 ms（10 个时隙），则其余4 个下行时隙（含特殊时隙）没有SSB，如果SSB 周期是80 ms（160 个时隙），则其余124个时隙（含特殊时隙）没有SSB，因此可以根据业务负荷情况，智能的关闭这些不发射SSB 的时隙、符号。根据测算，通过时隙、符号智能关断，可以降低5G 基站功耗5%左右。

2 降低5G 基站功耗的其他措施

除了通过SSB 的配置来降低5G 基站功耗外，还可以通过载波智能关断、通道智能关断、深度休眠等措施来降低AAU 的功耗，进而降低5G 基站的功耗。

2.1 载波智能关断

载波智能关断适合于载波聚合场景，其基本原理是根据5G 基站的业务负荷，动态地开启和关闭辅载波或辅载波的一部分信道来降低AAU 的功耗。

载波智能关断有两层含义：第1 层含义是彻底关闭辅载波，这种方式能彻底降低辅载波的功耗，缺点是频繁开启和关闭辅载波需要较多的信令负荷，且辅载波从开启到传输数据之间需要的间隔较长，因此影响用户体验。第2 层含义是关闭辅载波的一部分信道。如可以不配置SSB，UE 通过同一个小区内的主载波的SSB 获得辅载波的同步。此外，由于频繁的发送PDCCH 会消耗基站功率，辅载波也可以不配置PDCCH，PDCCH 全部配置在主载波，通过跨载波调度技术，由主载波的PDCCH 承担起调度辅载波的PDSCH 和PUSCH 的功能。这种方式的优点是在不影响用户体验的前提下，也可以显著降低辅载波的功耗，进而降低AAU 的功耗［7］。根据测算，载波智能关断，可以降低AAU 功耗12%～18%左右。

2.2 通道智能关断

通道智能关断的基本原理是：对于容量型基站，当基站的业务负荷较少时，在不影响覆盖的前提下，通过关闭一部分通道的方法来降低AAU 的功耗，如对于64T64R 的AAU，关闭1/2 的通道后，以32T32R 的方式收发信号。需要注意的是，通道智能关断不适合覆盖型基站，因为关闭一部分通道后，会减少AAU 的波束赋形增益，导致5G 基站覆盖半径变小，小区边缘的UE 将无法接入5G 基站。根据测算，通道智能关断可以降低AAU 功耗10%～15%左右。

2.3 深度休眠

深度休眠的基本原理是：当基站的业务负荷较少时，关闭AAU 的功率放大器、基带处理单元、收发信机、数字中频等器件，仅保留eCPRI 和电源部分的功能。深度休眠适合于容量型的宏基站和微基站场景，关闭这些基站导致的覆盖空洞由其他宏基站覆盖，随着业务负荷的增加，通过5G 基站之间的信令交互来开启这些容量型基站。根据测算，深度休眠可以降低AAU 功耗50%以上。

除了采取以上措施降低5G 基站功耗外，还可以通过呼吸式电源管理、采用更高效率的电源模块、室外柜分区进行温度控制、功放采用氮化镓材料、提高芯片的制程工艺、引进更先进的散热方法等措施来降低5G 基站的功耗。总之，通过各种技术措施和管理策略，可以显著降低5G 基站的功耗，节约运营商的运营成本。