面向多层无线网络的基站协同节能*

刘通，田波，袁振宇

（中国电信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

5G已成为推动数字经济发展的重要引擎，但5G基站能耗高达4G基站的2～3倍，基站节能技术对推进5G节能降耗、践行“双碳”战略具有重要意义。在业界共同关注下，符号关断、通道关断、载频关断、深度休眠、智能硬关断等节能技术在5G网络上应用，取得了一定的效果，如表1所示。符号关断、通道关断属基站软节能技术，节能期间仅关闭部分资源，对基站性能影响较小，基站仍处于正常服务状态，主流厂家基站网管均具备符号关断、通道关断的自动触发能力，当达到预设条件时，基站将自动触发启动或退出节能，也可以通过第三方AI平台进行节能策略部署，因此应用相对广泛。载频关断、深度休眠、硬关断属基站硬节能技术，节能期间将关闭主要射频器件，不再发射信号，基站实际上处于退出服务状态，因此有限应用于部分可以短时关闭5G的场景。

表1 现网部分型号基站不同节能方式的节能效果统计（基于现网负荷）

鉴于4G和5G网络将在相当长的时间内共存、协同演进，基站节能技术也在4G网络上得到应用，但普遍采用4G或5G独立节能模式，不仅4G/5G网络间没能有效协同，同一网络内的不同频点也未做策略区分，节能收益没有最大化。根据现网不同节能方式的收益分析，基站硬节能技术在节能效果上显著优于基站软节能技术，若能通过4G/5G网络间的有效协同，以满足用户业务需求为衡量标准，把4G/5G网络视为一个整体，在保障用户感知的情况下将部分5G业务转移到4G网络承载，硬节能技术可在5G网络得到更大范围应用，将大幅提升5G基站节能收益。

1 多层无线网络基站协同节能机制

为满足网络覆盖和业务发展需要，充分发挥各频点的优势，电信运营商普遍采用了多频组网模式，比如中国电信4G网络使用了800 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz等频点，5G网络使用了3.5 GHz、2.1 GHz等频点。通常，将某些覆盖能力较强的频点定位为基础覆盖频点，用于提供连续的信号覆盖，而将某些用于增加容量、分担业务的频点定位为容量频点，解决区域性或局部热点的容量需求，同一网络的不同频点之间、不同网络的频点之间通过重选、切换等技术进行协作，实现覆盖互补、业务分担的目的。从频点视角来看，每一个频点都构成了一层逻辑网络，4G/5G无线网络本质上是由多个频点叠加构成的多层网络，如图1所示。

图1 多层无线网络示意

1.1 协同节能场景

多层无线网络基站协同节能的前提是多个频点共覆盖同一区域，鉴于无线网络中多频共站址属主流场景，因此多层无线网络的基站协同节能主要针对共站址的多个频点小区间的协同节能，在不降低网络服务能力、保障客户感知的前提下，尽可能多的对基站实施硬节能，以获取更大的节能收益。

在目前的网络架构下，多层无线网络基站协同节能的场景包括4G网络内部各频点间协同、5G网络内部各频点间协同、4G和5G网络频点间协同，其中最具典型性的当属4G和5G网络频点间的协同节能，即在满足用户业务需求的前提下，对5G网络实施硬节能，将用户和业务转移到4G网络承载，实现节能收益最大化。

当前5G业务尚处于发展初期，2021年5G分流比首超20%，根据对某地市当前5G网络负荷的统计，在一天连续24小时中82.4%的时段基站PRB利用率低于10%，如图2（a）所示，可见5G网络处于轻载状态，硬节能技术具备应用的基础。为满足5G业务快速发展需要，在考虑基站节能的同时也要满足业务发展对5G网络的要求，对于有5G用户、有5G业务的基站应主要针对夜间（22时—6时）低零流量时段进行硬节能，分析硬节能时段时应在PRB利用率基础上增加流量因素。以某地市为例，按照PRB利用率＜10%且流量＜500 MB/扇区/小时进行统计，可硬节能3小时以上的扇区占比达60.4%，如图2（b）所示。由此可见，多层无线网络4G/5G基站协同节能有较大的应用空间。

图2 某地市5G网络3.5 GHz基站（64T64R配置）硬节能时段分析

1.2 节能优先级机制

多层无线网络的基础覆盖频点、容量频点在基站协同节能时应予以区别对待，基于此设计了节能优先级（ESP，Energy_Saving_Priority）机制。通过为多层无线网络的每个频点赋予唯一的节能优先级，在进行基站协同节能判决时，节能优先级高的频点优先进行节能。为确保网络基础服务能力，设置基础网络（BNI，Basic_Network_Identify，取值为0、1）、基础频点（BFI，Basic_Frequency_Identify，取值为0、1）标识，对标记为基础网络的基础频点可设置为不允许硬节能，避免因过度节能导致网络出现覆盖空洞。

例如，在中国电信当前的4G/5G网络架构下，可以配置4G网络为基础网络，4G网络的800 MHz为基础频点，提供网络基本的覆盖和VoLTE语音业务承载。节能优先级按5G 3.5 GHz频点＞4G 2.1 GHz频点＞4G 1.8 GHz频点＞4G 800 MHz频点设置，即优先对5G节能，最后对4G 800 MHz频点节能，且800 MHz频点不允许硬节能，如图3所示。

图3 节能优先级示意

1.3 负荷转移评估机制

基站硬节能时，小区实际上处于退服状态，因此需要先对其它频点能否有效承接硬节能频点业务进行评估，作为多层无线网络基站协同节能的主要判决条件。基站PRB利用率反映了空口时频资源的占用情况，是基站负荷的最直接反映。基站调度PRB资源用于传送系统消息、用户数据等，其中系统消息占用的PRB与基站的配置相关，主要涉及TDD/FDD双工方式、载波带宽、时隙配比（仅TDD）、波束配置、SSB周期、SIB1周期、OSI周期、寻呼配置等；用户数据占用的PRB主要与数据量大小相关，但也受信号质量、MIMO等因素影响。

基站系统消息占用的PRB可以进行理论计算，以当前5G网络主流配置：TDD双工，100 MHz带宽，30 kHz子载波，上下行时隙配比为3:7，SSB波束7个，SSB周期20 ms，SIB1周期20 ms，空口时隙结构及系统消息发送位置如图4所示。

图4 5G空口时隙结构及系统消息发送位置

按20 ms时长为例计算如下：

20 ms可调度下行RB总数：10 ms/帧，20 slot/帧，则RB总数=2×14×273=7644；

SSB占用RB数：频域20个RB，时域4个slot，则RB数=20×4=80；

SIB1占用RB数：频域32～48个RB，时域每周期发送次数与SSB波束个数相同，1个slot上发送1次，则RB数=48×7=336；

OSI开销较小，Paging随业务量变化且资源占用较少，可暂不考虑；

则系统消息基本开销=（80+336）/7644=5.44%。

现网实际统计数据与上述计算结果相符，如图5所示。在流量接近0的情况下，基站PRB利用率约在5.5%左右。

图5 某分公司5G基站下行PRB利用率与流量关系（3.5G 100MHz带宽、64T64R配置）

上述理论分析和现网实际话务统计均表明PRB利用率是反映基站负荷的直接指标，但系统开销占用了一部分PRB，因此在进行负荷转移时应先扣除开销部分，再按照不同网络、不同频点的资源配置进行折算。以4G/5G网络间的协同节能场景为例，因5G频谱效率较4G高，在相同带宽下的数据传送能力更强，还需考虑频谱效率的差异，经验值一般取1.5，负荷转移算法示例如下：

5G转移到4G的折算负荷=（5G小区PRB利用率-5G小区系统消息开销）×（5G小区载频带宽/4G小区载频带宽）×频谱效率折算系数。

2 多层无线网络基站协同节能流程

多层无线网络基站协同节能包括负荷协同、故障协同。以4G/5G网络频点间的协同节能场景为例，负荷协同是指5G网络进行硬节能时，4G网络应能有效承接5G网络转移负荷；故障协同是指当4G网络出现故障时，5G网络不应执行硬节能，若正在执行应立即唤醒5G网络，以保障不出现覆盖空洞而影响网络服务能力和用户感知。

负荷协同流程主要包括共覆盖判断、负荷转移评估、执行硬节能、负荷监控、硬节能退出等环节，故障协同流程主要包括故障监控、节能状态调整等环节。故障协同流程需嵌入负荷协同流程，作为负荷协同流程的异常情况处理流程，以4G/5G网络频点间的协同节能场景为例，如图6所示。

图6 4G/5G网络频点间的协同节能流程

其中，4G小区是否可以承载5G小区转移负荷、4G小区是否高负荷，通过4G小区PRB利用率进行判断。根据4G网络运营的经验，一般取PRB利用率门限为60～70%（可根据用户感知速率要求进行优化设置），即当4G小区PRB利用率+5G小区转移负荷＜60%时，4G小区可以承载5G小区转移负荷；当4G小区PRB利用率＞70%时，4G小区判为高负荷。为避免因瞬时高负荷触发协同节能异常终止，一般4G小区PRB利用率大于70%需持续一定时间才判为高负荷。

在5G小区执行硬节能过程中，监控子流程将持续运行，一旦出现4G小区故障、4G小区高负荷，以及硬节能时间到，将立即唤醒5G网络，及时提供服务、分担业务。

3 多层无线网络基站协同节能应用

中国电信安徽公司自主研发了基站智慧节能系统，综合运用多种节能技术实现了多层无线网络基站协同节能。其中符号关断24小时开启；通道关断通过AI算法预测时间窗口，在中低流量时段开启；5G深度休眠、基于智能开关的5G智能关断等硬节能在4G/5G共址共覆盖站点全面应用，负荷、故障协同嵌入硬关断流程，在夜间低零流量时段开启，具体策略如表2所示。

表2 基站智慧节能系统多层无线网络基站协同节能策略配置

当前，基站软、硬节能做到5G基站即开即部署，节能策略做到“一站一策”。从现网实际统计来看，配置了相应节能策略的小区，通道关断平均节能0.8小时/小区，深度休眠平均节能5.2小时/小区，智能关断平均节能5.1小时/小区，安徽全省年节约电费超3千万元，相关创新成果申报发明专利2项，荣获中国电信集团科技创新成果贡献奖。

4 结束语

通过对无线网络结构分析，提出了4G/5G无线网络实质上是由多个频点叠加构成的多层网络论断，在进一步分析各种基站节能技术利弊和收益的基础上，建立4G/5G无线网络基于负荷、故障的协同节能流程，在4G/5G独立节能基础上进一步提升基站节能效益，同时保持网络服务健壮性。随着双碳战略的深入推进，多层无线网络的基站协同节能将成为下一阶段基站节能的重要模式，在负荷、故障协同的基础上，未来还将进一步研究基于感知的协同，丰富协同节能场景、优化协同机制，持续提升基站节能效益。