5G基站智能节能方案研究

2021-12-23钱忠

科学与信息化 2021年22期

关键词：功耗能耗基站

钱忠

浙江省通信产业服务有限公司杭州市分公司浙江杭州 310002

引言

现今，5G技术发展普及，为部分行业发展提供新的机遇。为更好保证5G技术应用有效性、稳定性，做好5G基站两大场景节能方案应用，有助于更好降低5G基站运营、维护成本，对于提高5G技术应用水平及加速技术普及具有一定帮助。

1 5G基站总成

5G基站是基于功能划分，将核心网、UE之间进行有效链接，保证协议处理是按照固有的基带逻辑框架而执行的。通过高层与底层的基带协议处理机构、射频机构向基站内的各个处理单元传达指令，保证基站内AAU、BBU、DU、CU等结构，可实现功能化运转，以此来满足不同情况下的信息传输需求。从功能属性来看，高层与底层的基带协议处理机构在具体作用到协议栈时，可由不同种的组合形式，保证各项功能的落实可精准地作用到系统运行中，但目前应用于协议栈驱动最主要的组成方式为PDCP-RLC结构，通过高层、底层的独立处理模式，分别完成RRC与MAC的功能驱动，且两者均可与射频单元的前端对接口相连接。考虑到5G组网多元化的特性，其在建设过程中是建立在原有的4G网络结构之上实现运作的，这就要求整个基站同时满足5G、4G网络的信息传输需求，在设备选取方面，则应保证组网形态的独立化。首先，CU网络结构中，其需要以硬件平台为载体，保证平台可将运算模块、交换模块等功能进行集成，进而为人工智能技术的实现提供技术支撑。其次，BBU网络，其可与CU支持下的DU结构共用一个平台，考虑到DU与BBU之间存在的功能差异问题，可通过软件修改将两者之间的功能进行整合，以此提高功能实现的稳定性与拓展性。最后，AAU网络结构中，其作为5G网络运行的核心，通过与射频模块、天线模块等进行整合，可进一步实现数据信息的高效率传输，但其功能组成具有一定的复杂性，需要密集节点进行支持，以满足不同数据传输场景的需求。

2 5G基站能耗分析

为了满足超高速率、超低时延、超高连接数密度的业务需求，5G引入了NR新空口技术，对基站设备的硬件能力提出了更高的要求，也促使5G基站设备的功耗显著提升。从能耗构成角度分析，5G基站的能耗主要来自CU、DU/BBU、AAU各类设备的功耗。对于CU设备，由于采用通用硬件平台，硬件资源基于容量需求灵活配置，设备功耗与硬件配置规格相关，功耗范围在几百瓦到几千瓦之间，给站点机房供电能力带来了挑战。对于BBU-AAU架构的基站，AAU设备的功耗远高于BBU，单站超过80%的能耗来自AAU，因此，提高AAU的能效水平可有效降低基站总能耗。5GBBU的功耗主要来自基带板、主控板等板卡内部的处理器、ASIC、FPGA等芯片的功耗，以及电源、风扇模块的热耗。与4G相比，由于NR协议实现更复杂，要求支持更高速率、更低时延，驱使板卡内部采用更高运算及存储规格、更大数量的芯片，BBU整机功耗也相应增加。5GAAU的功耗主要来自功放、数字基带、收发信板等关键器件，这几部分功耗占AAU总功耗的70%以上，是影响AAU能耗水平的主要因素，此外，也包含时钟、电源、滤波器等其他模块的热耗。5GAAU在硬件架构方面与4GRRU有很大差别，AAU内部集成了天线阵列，支持更大带宽、更多通道以及部分基带处理功能，架构与功能更加复杂，使得AAU的功耗较4G大幅上升。①5GAAU在sub6GHz频段支持100MHz载波带宽，毫米波频段支持400~800MHz带宽，载波带宽越大，对基带及数字中频芯片的性能要求就越高，功耗也随之增加。②为了支持MassiveMIMO技术，5GAAU的通道数成倍增加，而业界目前支持多通道的数字中频器件还不成熟，单芯片支持的通道数有限，使得AAU集成度不足、功耗较高。③在支持多通道的情况下，5GAAU设备单通道发射功率较小。以64T64RAAU设备为例，在200W总发射功率下，AAU单通道功率为3.125W。由于小功率功放的效率较低，导致AAU整体能效水平并不高。由于设备高性能要求以及芯片技术的成熟度等因素，导致目前5GAAU的能耗依然很高，成为单站能耗的重头。未来随着芯片产业链的发展，AAU设备的能耗存在一定的下降空间。从功耗特征角度分析，在不同的业务场景下，5GBBU与AAU的功耗呈现不同的特征。其中，BBU的功耗与业务负荷关系不大，只与硬件板卡的配置相关，无论是空载还是满载，BBU的功耗均相差不大。AAU的功耗包含静态功耗与动态功耗2个部分，其中，静态功耗取决于设备的硬件性能，与业务负荷无关，动态功耗则随业务负荷波动而变化，业务负荷越高，功耗越大。

3 基站智能节能方案

3.1 数据采集与分析

数据采集需要按照基站业务过程、信令交换原则等，通过对接不同的数据来源库，以一定粒度获取需要的数据源，包括PM、MR、工参、基站配置等数据[1]。然后，对获取的数据进行提取解析、关联汇聚，将原始数据存储到节能方案所需的数据库表格中。另外，需要对数据的规模进行探索分析，对不同规模的数据采取不同的存储方式和处理工具。为了方便后续为基站节能提供深层次支撑服务，需要通过各种技术手段对数据进行组织或分析，包括缺失数值的处理、数据编码、数据标准化、数据降维等。在数据采集和分析的过程中需要建立数据质量评估和监控体系。在数据采集之后，需对数据质量进行评估，确定数据的可用性，以免因数据质量问题影响后续节能策略的分析。在数据处理的过程中需要监控数据处理的步骤、时间、有效性等，避免因数据处理过程的中断或错误导致后续节能分析的错误。

3.2 多张网络覆盖下的节能措施

对于多套网络设备并存的站点，根据话务流量业务走势，进行设备运行控制，如用户少时定时关停其中的一套系统进行节能，做到用户多时容量大，用户少时容量小。以5G/4G同时覆盖的节电措施以及使用场景为例：①由于4G网络具备很好的数据下载速率，因此在业务量超低的时间段，可通过安装定时开关关闭4G或5G基站，从而实现节能效果。②由于5G建设初期终端覆盖率不足和特殊业务场景等原因，部分场景部分时段的5G网络无业务或业务量极低的情况下，在4G/5G重叠覆盖场景的关闭5G基站节能。关闭5G实施条件（关闭5G仅考虑2C场景）：该4G/5G共覆盖区域的站址在该时间段内，5G小区数据流量=0；5G用户数=0；4G/5G网络完全重叠覆盖。

3.3 强化5G基站硬件设备技术优化

在芯片制造方面进行节能优化，将是未来阶段5G基站节能的重要构成。现阶段，我国在微电子领域芯片制造技术水平总体相对良好，但对微电子尖端技术掌握，仍然需要从技术研发上做好进一步突破。未来5G基站制造与应用，需要力求提高5G基站电子芯片制程工艺，降低5G基站电子芯片及电路设备基本能耗，控制5G基站能源应用，提高5G基站总体能耗比，为未来阶段5G时代基站两大场景节能方案的完善充分助力[2]。

3.4 软件节能

第一，符号关断模块。5G基站内AAU结构运行过程中，可通过断续结构的射频形式，增强信号系统的容错性。即为AAU结构在运行过程中，其所产生的信号传输具有一定的周期性，当下行符号没有进行信号发送时，则将自动关闭即时传送功能，如果系统呈现出信息传输属性时，则AAU结构立即运行，两者之间所形成的时间差不会对网络造成接收功能的影响。为此，可对原有的算法进行更新，将用户符号集中在某一个信息节点上进行定位，便可真正实现智能断接处理，以减轻系统运行中的能源消耗。第二，通道关断模块。此类模块的设定主要是针对AAU设备来讲的，受到不同业务的处理诉求，在对其进行业务处理时，为达到相应的节能效果，则需在多业务处理时，保证系统处于多节点频发状态。但考虑到通断关闭时，系统所呈现出的约束性问题，则需适当增加信道控制基数，通过提升信道功放值，保证信号上行与下行传输处于一个均衡状态，以增强实际输入效率。第三，小区关断模块。其主要是针对当前区域内5G信号的覆盖程度，对区域内的容量属性与数据传输属性进行关联分析，确保在整个覆盖体系下，由具体容量决定着小区关断状态，这样便可进一步强化业务容量高与业务容量低之间的权重性，以增强实际节能效果。但在此过程中，应注意的是在针对业务小区进行关断处理时，必须保证业务可全面迁移到覆盖区域内，以满足用户的业务诉求，以真正实现业务域级的处理能力。

3.5 基站关断

基站智能关断是指当本基站上的用户数较少时，将用户迁移到负荷允许的目标基站上，然后关掉本基站，以节约能耗。节电技术能产生可观的节电效益，但也存在一定风险，例如节电技术MAC（媒体接入层）检测周期最小仅能设置为100ms，周期过长，在负荷偏高的区域容易造成资源浪费，影响用户感知。因此，制定合理的应用策略至关重要，这样才能在保障用户感知的前提下起到节能降耗的作用。节电技术的应用主要考虑以下因素：是否安装智能电表或独立电表、话务负荷、话务模型，并基于用户行为特征预测节电区域，用户忍耐度是否强（申告意愿是否强）等。大数据方法为精准测算话务模型、预估话务负荷、预测用户申告行为提供了有力帮助[3]。

3.6 评估体系

智能节能方案需要建立全面的、一体化的评估体系，以保证网络在实施节能策略时不降低网络的运行质量，保证用户的良好体验。智能节能方案的评估体系主要包括指标评估、感知评估、节能评估、操作评估四个方面。指标评估主要是指针对执行节能小区及补偿小区构建实时指标分析机制，确保重要KPI指标满足要求，如指标恶化效果不佳及时进行回退处理。感知评估是指对节能方案实施后对用户感知的分析，构建用户感知指标分析机制，确保不生成牺牲用户感知得来的节能方案。节能评估指对生成的节能方案产生的节能效果进行计算，评估节能效果，并根据评估的节能效果不断优化节能策略。操作评估主要是指对下发OMC的节能指令执行日志进行实时解析、分析，及时发现执行失败的指令，根据关键字段获取小区的实时状态。