基于5G的无线网络节能降耗技术

2022-08-17刘博文

通信电源技术 2022年8期

刘博文

（吉讯股份有限公司，河北保定 071000）

1 5G通信内涵及技术架构

现代通信工程中，人们将第五代移动通信技术称为5G。作为基于第四代移动通信技术发展起来的新通信手段，5G通信在信息内容获取与传输层面取得了极大的突破，同时通信的效率大大提升。为了保证5G通信的整体效果，应在考虑信息传输效率的基础上，实现对通信可靠性的有效控制[1]。

相较于传统的网络通信模式，5G通信在网络技术架构上具有复杂性特征，其不仅包含无线接入云、智能化控制云的应用，而且还涉及高效转发云的运作。在实际运行中，5G通信以IMT-2020网络作为网络基础，融合使用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）以及云技术等新型技术，这使得5G通信具备多种无线制式接入的能力，能实现无线接入点的系统性控制。在实际应用中，基于回传链路控制手段的应用，5G网络结构能更加高效地利用无线资源，不仅提升了数据传输的效果，还可以实现对云功能的控制和优化[2]。

2 基于5G的网络节能技术

5G的各种节能技术会带来不同程度的节能效果，具体技术方案所带来的节能效果指相对于未采用该方案所带来的能耗降低，其实际效果跟技术的运用情况、使用范围以及持续时间等因素有关。可用于实现5G网络节能的技术多种多样，从层次上划分主要包括基础级节能技术和人工智能（Artificial Intelligence，AI）级节能技术。其中基础级节能技术是5G网络节能的具体实现方式，AI级节能技术则是从5G网络整体层面对各种基础级节能技术进行的进一步智能调度。5G网络节能技术架构如图1所示。

图1 5G网络节能技术架构

基础级节能技术包括器件工艺级（如芯片技术、器件散热等）、软件级（如符号关断、通道关断、载波关断以及深度休眠等）和工程应用级（如极简建站、基于计算的无线接入网构架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）和室内基带处理单元（Building Base Band Unit，BBU）整合建站等）。基础级节能技术是5G网络节能的基石，可以独立应用，也可以组合实施。网络级节能技术主要是基于全网业务及负荷预测数据，通过网络间协同及负荷调度等手段自动配置合适的站点和时间，制定合适的节能策略，实现全网节能[3]。

器件工艺级节能技术主要通过提升芯片工艺制程来降低基础能耗，基带芯片由28 nm演进为10 nm、数字中频芯片由28 nm演进为7 nm、射频芯片由28 nm演进为14 nm等，芯片内核以专用集成芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）取代现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），每一次演进都带来了芯片功耗的大幅降低。除此之外，新型器件（如新型滤波器、新型功放器件等）、创新散热技术、新型材料以及优化工艺的应用也会带来芯片功耗的大幅降低。

工程应用级节能技术包括极简建站，通过合理取消机房，减少了空调等设备的用电。C-RAN模式和BBU整合建站，通过合并机房和BBU机框，减少了空调和基站设备的使用等，大幅降低能耗。

软件级节能技术包括符号关断技术、通道关断技术、载波关断技术以及深度休眠技术等。其中，符号关断技术包括基础关断和增强关断。基础关断技术指当基站下行符号无数据发送时，关闭相应功放等器件实现节能。增强关断技术是在基础关断的基础上，当基站低负荷时采用符号汇聚和集中发送等策略实现节能降耗。通道关断技术指当基站低负荷时，以不同颗粒度关闭基站相应的上、下行通道实现节能，通道关闭后可对广播、数据信道补偿。载波关断技术指在基站覆盖满足需求的前提下，关闭容量层，一般采用设定时间定时进行载波关断。深度休眠技术指仅保留基站有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）/射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）的电源模块和增强型公共无线接口（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）/公共无线接口（Common Public Radio Interface，CPRI）等接口功能，其他功能模块均关闭，以大幅降低基站能耗[4]。

在5G网络基础级节能技术中，设备级的节能主要体现在新器件、新工艺以及新材料的使用上。新器件和新工艺的更新是持续性的改进，是一个渐进发展的过程。站点级节能主要体现在基站部署方式和无线信号的动态调整上，可以在建网方式调整和优化无线链路数据算法的基础上部署实施。例如，基于C-RAN模式的站点部署对机房的要求较高，需要做好前期的规划工作，对已建成基站进行C-RAN模式的改造是各大运营商基站建设演进趋势。对于软件级的节能，部署难度小，可结合业务及负荷分析通过参数配置制定相应的节能策略。基于全网预测的AI网络级节能可实现节能效果的最大化，实现最优节能和最佳网络体验的平衡，部署难度小，具备较好的实施条件。对于网络级的节能，需要对全网用户数据进行智能化计算。

3 基于5G的无线网络节能降耗技术要点

3.1 时域节能技术

3.1.1 极简公共信号发送

5G新空口系统中的公共信息主要包括同步信号块单边带（Single SideBand，SSB）消息、系统消息、寻呼信息以及相应的调度信息等，其中SSB包括主辅同步信号和物理广播信道。为了保持用户的初始接入，5G协议要求SSB发送周期至少为20 ms。此外，5G新空口系统部署的频点比4G系统高，需要以波束赋形的方式来发送公共信号。由于一个波束覆盖范围较小，因此基站需要以时分复用的方式轮询发送多个公共信号波束，以达到全方位覆盖的要求[5]。

在中轻载场景下，尽管业务数据较少，但由于需要传输SSB和SIB1，基站无法有效进行时域关断来降低功耗，因此减少SSB和SIB1传输是实现基站节能的一个重要手段。

在一种降低公共信号时域占比的多载波方案中，基础成员载波（Basic Component Carrier，BCC）提供全套的SSB消息、SIB消息以及其他容量成员载波（Capacity Component Carrier，CCC）上的SIB消息，这样可以保证CCC上不需要发送（System Information Block，SIB）消息。CCC上还可以发送简化的SSB消息，这里称为发现参考信号（Discovery Reference Signal，DRS），以供用户对CCC进行同步和测量[6]。通过这种CCC上极简的公共信号发送方案，可以极大程度地降低CCC上的公共信号时域占比，尤其适用于空载和轻载场景。此外，用户从BCC上获取CCC上的系统消息时，还可以直接在CCC上发起随机接入，缓解BCC上初始接入的拥塞问题[7]。

3.1.2 符号关断和汇聚调度

在轻载场景下，对于没有业务的时间段，基站可以动态进行符号关断，以达到节能的目的。此外，在业务到达后推迟一段时间，将多次业务积攒在一起统一发送或者推迟到与公共信号一起发送，即汇聚调度。需要注意的是，汇聚调度需要预测业务到达时间，且根据业务需求决定最大推迟发送时间，否则会导致用户的感知数据速率下降。

3.2 空域节能技术

在符号关断的基础上，还可以考虑多天线通道关断。相比于符号关断，多天线通道关断的关断粒度进一步细化到空域通道的维度，即在业务负载匹配的情况下，即使不关断符号，仍然可以关断其中一部分通道，以达到节能目的。与4G基站相比，5G基站通道数目急剧增加，通道关断不仅可以降低功放功耗，还可以降低通道的静态功耗。与符号关断相比，通道关断在保证服务连续性上更具优势[8]。

（1）半静态通道关断。基站会根据一段时间内的业务和负载预测长时间关断一部分通道，由于业务到达的随机性，即使在中轻载下，不同发送时间单元（Transmission Time Interval，TTI）上的信息传输速率利用率也会有较大波动。半静态通道关断虽然可以保证服务连续性，但是在某些传输速率占用较高的TTI上会造成数据传输时延增加，用户体验降低。但好处是半静态关断的实现较为简单，而且可以匹配不同通道开启下的信道状态信息（Channel State Information，CSI）的测量和上报配置[9]。

（2）动态通道关断。相较于半静态通道关断，动态通道关断可以提供更精细粒度的调整，匹配业务负载和需求，但是基站的通道配置动态变化会造成很多测量和调整无法及时收敛。例如，在CSI测量时刻，用户的基站状态是32通道，但是到数据传输时刻，就变为16通道，则测量上报的CSI不再匹配激活通道数的变化。此外，典型的开环链路自适应技术需要一定的时间才能收敛，但是基站通道不断动态变化会造成开环技术难以收敛，进而影响系统传输效率和用户业务体验。基于此，需要针对动态通道关断下的CSI不准确问题进行进一步评估并研究相应的解决方案[10]。