5G基站节能方法研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯5G基站节能方法研究陶涛(中邮建技术有限公司 江苏南京 210000)摘要：5G基站建设是信息社会生产力发展的技术支撑，在提倡碳中和、绿色环保、节能降耗的时代背景下，为了更好地降本增效，在5G设备功耗远高于4G设备情况下科学实现节能减排，基站节能势在必行。该文介绍了5G站点的设备构成，结合无线网络环境，综合分析5G能耗，重点阐述了目前5G的几种主要节能技术，给出了各类节能技术的应用原理和具体实施方法。关键词：5G 基站 能耗 节能方式中图分类号：TN915文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)20-0034-04Research on Energy-Saving Methods for 5G Base StationsTAO Tao(China Communications Technology Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu Province,210000 China)Abstract:The construction of 5G base stations is the technical support of the development of productive forces in information society.Under the historical background of advocating carbon neutrality,green environmental protection,energy conservation and consumption reduction,in order to better reduce cost and increase efficiency and scientifically realize energy conservation and emission reduction when the power consumption of 5G equipment is much higher than that of 4G equipment,it is imperative for base stations to save energy.This paper introduces the equipment composition of 5G stations,comprehensively analyzes 5G energy consumption in combination with the wireless network environment,focuses on several main energy-saving technologies of 5G at present,and gives the application principles and specific implementation methods of various energy-saving technologies.Key Words:5G;Base station;Energy consumption;Energy-saving method目前，5G基站单站址能耗高的问题一直是技术需要挖掘和攻关的重要课题。信息时代，5G技术的成熟应用必须走节能降耗的路径，必须从原理、方法选择、处理对策等多方面进行探索与应用研究，以实现5G基站的高质量发展、可持续发展。1 5G 基站设备1.1 5G设备硬件结构目前，5G基站站型越来越丰富，根据发射功率、收发模式和覆盖能力，可细分为宏站、微站、皮基站（pRRU）和飞站（Femto）等类型。不同站型其覆盖能力和适用场景都存在一定差异。一般宏站设备主要由室内基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）组成，而微站一般分为室外微站和室内微站，室外微站同样由BBU和AAU组成，主要覆盖道路、居民小区楼间对打、城中村等场景，室内微站BBU+远端射频单元（Remote Radio Unit，RRU）+分布系统或BBU+AAU两种形式，而皮基站是一种新型室分，主要为BBU、pHUB和pRRU组成适用于高价值室分场景。飞站、满格宝等则主要是应用于低价值补盲场景，是一种低成本方案，主要应用于4G场景，5G场景应用不多1。1.2 5G设备硬件功能BBU主要负责基带数字信号处理，AAU内部结构是将射频单元与天线单元集成在了一起，构成有源天DOI：10.16661/ki.1672-3791.2303-5042-2931作者简介：陶涛（1982），男，本科，工程师，主要从事移动通信无线网络规划与优化相关的项目实施与技术研究工作。34SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION线阵列，可将基带数字信号转换成模拟信号，接着调制成高频射频信号，通过功率放大器（PA）放大功率，最后通过天线发射出去。BBU的功率比较稳定，不受业务量增大的影响。而AAU就不一样了，随着业务量的增加，功耗也随之大幅增加。1.3 C-RAN与D-RAN为进一步保障5G的低时延、低能耗目标，演进推出了 D-RAN 和 C-RAN 两种组网模式，如图 1 所示。D-RAN为传统组网模式，因BBU和RRU/AAU共址，需求较多的光纤和光模块连接。C-RAN为BBU集中布放模式，多个基站的BBU通过引入彩光和波分集中放置在同一个C-RAN机房内2，RRU/AAU则通过拉远方式安装，所需的光纤和光模块连接大幅减少。2 5G 基站能耗分析为了满足5G增强移动宽带（eMBB）、低时延高可靠（URLLC）、大规模物联网业务（mMTC）的业务需求，5G引入了NR新空口技术，该项新技术对5G基站的设备硬件能力要求非常高，直接促使5G设备功耗显著提升3。中国移动通信现有5G网络使用的频段集中在2.6 G和4.9 G频段，存在频段高、覆盖差等问题，700 M频段作为广电共享的移动通信黄金频段，具有传播损耗小、覆盖能力强的优势4。根据5G基站的构造，5G基站能耗主要来自BBU、AAU等设备，具体如图2所示。设备功耗与其设备配置规格密切相关，设备功耗范围通常在几百至几千瓦之间（如表1所示），给机房供电能力带来了严峻挑战。通常情况下BBU+AAU架构的基站，单个5G站需1个BBU和3个AAU，AAU的功耗要远高于BBU的功耗，单站至少70%的能耗均来自AAU。显而易见，降低5G基站能耗最高效的手段就是增强AAU的能效水平。除BBU和AAU等主设备功耗外，还有一部分额外功耗存在，即从市电引入（交流）开始到直流供电的整个转换过程中会额外损失掉的能耗，同时也包括机房空调等制冷设备所消耗的电量。目前，各大运营商都已投入了大量资金进行5G网络建设投资，重点是为抢占5G市场积极布局5。传统基站降耗的主要办法是减少传输功耗，例如：通过在业务闲时关闭部分射频载波来实现节能减排，因为BBU功耗小于功率放大器和射频部分功耗，对于传统2G、3G、4G基站，由于基站的计算能力较小，通常传输功耗大于计算功耗。3 5G基站节能具体实施5G基站节能主要分主设备节电功能、小区关断和拉闸下电3种。主设备节电功能非常依赖厂家设备支持的节电功能，主要包括符号关断、定时载波关断和射频通道智能休眠。小区关断则是通过指令下发将小区关闭，可利用在话务闲时开启小区深度休眠达到节能目的。拉闸下电是在话务闲时通过远程控制 RRU/AAU方式直接下电，达成RRU/AAU定时节电的效果。表2为小区关断及AAU下电的节点系数。除小区关断和拉闸下电外，设备级节电功能均受到设备厂家功能License及设备版本限制，同时考虑成本因素未全面铺开试点，待后期条件具备后再评估。图1 两种组网模式图2 5G站点能耗构成表1 不同设备的功耗（单位：W）设备名称5G BBU4G BBUAAURRU最大功耗2 0006501 300600典型功耗1 1005001 000550表2 5G-NR的节电数据（单位：度/小区/小时）网络5G-NR节电功能小区关断（单模）小区关断（双模）只关5G小区关断（双模）只关3DMIMO小区关断（双模）5G和3DMIMO均关AAU下电节电系数0.20.060.180.220.63注：数据为试点验证数据。35SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯节电功能License需求，需要根据设备级节电功能的对比后决定，具体如表3所示。目前，5G所有设备级节电功能均需要License支持，需单独购买，小区关断和拉闸下电均不需要厂家License支持。以下分别介绍目前几种主要实施节能技术。3.1 符号关断5G RRU/AAU中的射频器件能耗最多，如功率放大器即使在没有信号输出的情况下，同样会产生大量的静态能耗。为降低系统的总能耗，且保持信令数据传输的完整性，引入符号关断功能可有效降低基站能耗。具体如图3所示。在符号关断功能开启后，当基站侧检测到符号无数据业务承载时，会即时关闭RRU/AAU射频模块，从而降低系统能耗。而当基站侧检测到符号有数据业务承载时，则会即时打开RRU/AAU射频器件，以保证数据传送完整性。符号关断可应用于多数应用场景，对场景无特殊要求，建议全网开启。符号关断功能开启需要设置符号关断开关参数，该参数可以控制符号关断功能开启或关闭，建议打开该开关。如果同一射频单元（通常包括AAU、RRU和pRRU）下绑定了多个NR小区，则所有NR小区均需打开该开关。3.2 定时载波关断定时载波关断，顾名思义是在指定时间段开启的一种节能功能特性。在一些固定时段基站会处于轻载或空载状态，但设备依然处于运行状态，基站仍在持续耗电。定时载波关断功能可实现在设置的时间段内让射频模块处于载波关断状态，达到闭塞载波节能的目的，如图4所示。开启了定时载波关断功能的小区将无法继续为已驻留用户提供正常业务，也无法为覆盖范围内新用户提供接入服务。因此，定时载波关断功能更适用于多层网覆盖场景下针对容量层小区开启以达到节能的目的。当前5G主要为单层网覆盖，建议优先考虑在轻载或空载场景，或不需要提供业务的场景中开启该功能，如夜间的地铁、会展中心、场馆等。定时载波关断功能开启关键参数主要包括节能开关、节能策略索引、启动时刻、结束时刻和节能类型等。节能开关参数控制定时载波关断功能开启或关闭，节能策略索引唯一确定某时间段的节能策略映射的功能特性，在启动时刻和结束时刻共同设定载波关断功能的生效时间段，节能类型表示节能的策略类型，一般建议配置 TIMING_CARRIER_SHUTDOWN。3.3 射频通道智能休眠射频通道智能休眠功能是一种通道级的节能特性机制。在某些时间段内基站可能处于轻载或空载状态，但是射频模块的发射通道仍处于工作状态，基站仍在持续消耗大量电能。射频通道智能休眠特性可在设定的时间段内，根据小区所承载的业务量自动调整通道的收发功能状态，即自动休眠该小区的部分发射通道，从而达到节能的目的，如图5所示。当射频通道智能休眠功能生效后，还会自动调整小区的公共信道发射功率，目的是尽量保证基站的覆盖和业务不受影响。但由于射频通道智能休眠生效后会导致小区的部分发射通道转为休眠状态，这对小区覆盖会造成一定影响，用户的峰值速率也可能随之会下降，因此建议在站点较为密集的区域且存在轻载或空载情形的小区开启该项功能。开启射频通道智能休眠功能需要在网管上打开节能开关（Power Saving Switch）的子开关射频通道功能开关（RF_SHUTDOWN_SW），再通过设置射频通道智能图3 符号关断原理图4 定时载波关断原理 图5 射频通道智能休眠原理表3 设备级节电功能的比较节电功能符号关断定时载波关断射频通道智能休眠小区关断拉闸下电是否需购买License是是是否否量纲每小区每小区每小区每小区每RRU/AAU36SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION休眠的开始时间和结束时间来明确生效时间段，时间粒度为天级，即影响每天同时段节能特性。如果同一小区需要在多个时段开启该项休眠功能，则可通过节能策略索引和节能类型参数进行唯一确定。当小区下行PRB利用率小于或等于射频通道智能休眠功能的下行PRB利用率启动门限（DlPrbThld）且当前时间进入射频通道智能休眠功能生效的窗口期，小区就会自动进入射频通道智能休眠模式。而处于射频通道智能休眠状态的小区，若当前时间已超出了设定的生效时间窗，或小区下行PRB利用率大于下行PRB利用率门限与下行PRB利用率偏置门限之和，小区将自动退出射频通道智能休眠模式。其中，下行PRB利用率偏置门限用于防止射频通道智能休眠功能出现乒乓切换。在功能开启时间窗的设置方面建议选择话务闲时（如凌晨1 006 00），并根据小区及周边邻区的用户数、业务量和PRB利用率等指标，按需设置开启时间、结束时间和下行PRB门限等参数。3.4 5G小区关断5G小区关断功能通过指令下发方式实现，利用小区话务闲时休眠达到节能目的。当5G小区内用户较少时，5G小区基于一定业务量判断原则启动小区关断功能特性操作，该操作并不会区分容量层和覆盖层。功能启动的业务量判断条件为基于连续一周每日凌晨1 006 00小时级小区总流量小于100 MB（低零流量小区判断门限，参考各省不同运营商自身规则）或小区内最大用户数小于5个。5G小区关断功能有两种方式：一种是关断小区操作，即在网管上去激活小区；另一种是开启小区节能开关里的5G小区关断功能。3.5 5G拉闸下电根据不同覆盖场景小区的负荷特征和变化规律，针对一定连续时间段内满足业务量低且RRU/AAU射频单元功耗较高的小区，通过串联安装智能电表方式来远程控制RRU/AAU直接下电，可达到立竿见影的节能效果。根据这一特征，可主要应用于某些具有周期性规律的场景，如寒暑假期间的高校、无活动安排期间的场馆、淡季期间游客量极少或封闭的景区。5G拉闸下电建议选择连续一周出现规律性的零流量时段且每日零流量时段大于 3 个的 RRU/AAU。需要特别注意的是需清楚5G RRU/AAU是否反向开通LTE，反向开通LTE的5G站点需同时评估共模的LTE站点负荷情况。但智能电表在应用中也存在一些局限性，例如：一般配置的上电和下电时间段比较固定，对网络突发的业务恢复或业务量剧增情况无法及时恢复正常状态，有一定滞后性。此外，智能电表自身也会存在一定的故障率，无法及时或按时上电恢复情况时有发生，需要例行监控拉闸下电小区的运行状态。再者RRU/AAU设备的频繁上电或下电过程，会严重影响设备的硬件性能，长期将缩减设备工作寿命。3.6 5G能耗监控5G基站能耗监控统计机制一般采用累加法机制，如某设备厂商网管性能模块上就定义了“基站各单板测量累加的基站制式能耗_ VS.EnergyCons.BTS.Adding.NR”的指标项，该指标统计通过累加5G基站所有模块消耗的能耗得到该制式消耗的基站能耗值。在5G单模基站中，该指标值统计的就是整站能耗；在4G和5G多模基站中，该指标统计的是整站能耗中的一部分，多模基站能耗统计以整站为观察点6。4 结语5G网络是基于当前及面向未来通信变革和全球研发的热点，在今后的发展中，应注意频谱重耕、5G“宏杆室”三层立体组网方案的规划与设计，从日常维护中，从网络测试、方案制订、工程实践、节能减排等方面不断加强实践应用与研究。总体来说，5G基站节能可以通过符号关断、载波关断、射频通道智能关断、小区关断等多种软件节能技术手段实现，充分降低AAU/RRU的闲时功耗，但目前软件节能技术在实际应用中可能会对网络覆盖和容量造成一定影响。因此，在方案实施过程中应该仔细评估，并对相关规则不断进行修正完善。此外，还需协同设备厂家对软件节能特性做进一步的优化与增强，通过智能调度、网间协作等方式保障用户的业务性能，相信未来还将产生更多、更高效的节能措施和手段。参考文献1 吕婷,曹亘,张涛.5G基站架构及部署策略研究J.移动通信,2018(11):72-77.2 郑黎明,刘培国,王宏义,等.无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展J.电子与信息学报,2023,45(7):2293-2310.3 姜大洁,袁雁南,周通,等.面向6G的通感算融合服务、系统架构与关键技术J.移动通信,2023,47(3):2-13.4 米飒.移动通信系统NR700M组网研究D.秦皇岛:燕山大学,2022.5 朱原.吉林移动5G业务发展战略研究D.长春:吉林大学,2021.6 师进超.云南移动5G网络优化策略及应用研究D.南京:南京邮电大学,2022.37