5G基站节能技术研究

李玉秀

（京信通信系统（中国）有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

无线网络的能耗较多，其中占据比重较大的是基站设备能耗。为了达到最大限度地减少无线网能耗，就要加强基站节能工作。从4G发展到5G，移动通信技术、产品都产生了显著变化，而且5G无线网络支持更高速率、更大连接密度以及更低时延，以应对数字化生态给网络带来的诸多挑战。同时，5G基站具有更高的硬件处理能力，支持更大带宽、更多通道数、更复杂的空口协议，设备架构更加繁杂，功能趋于多样化，功耗也随之增加，因此做好5G基站节能工作是一个巨大的难题。

1 5G基站形态及其耗能分析

1.1 5G基站概况

5G基站负责提供跟UE、核心网间的通信，划分成3个模块，即高层基带协议处理单元、底层基带协议处理单元级射频单元。其中，NR协议栈功能是通过高层基带协议处理单元、底层协议处理单元一起实现的，双方功能切分方案多样化，切分点较多的方案中，常采取的就是位于PDCP-RLC上的策略，处理RRC/SDAP/PDCP层协议在高层基带协议处理单元完成，获取核心网间回传接口。RLC/MAC/PHY协议功能是通过底层基带协议处理单元进行的，产生跟射频单元之间的前传接口。5G射频单元实施射频处理功能，其对eCPRI接口作出支持，也会实现基带物理层功能[1]。

1.2 5G基站形态类型

5G基站的物理形态较多，主要包括DU（Distributed Unit）（实现底层基带协议功能）、CU（Central Unit）（实现高层基带协议功能）、基带处理单元（Base band Unit，BBU）（分为CU和DU）、有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）及射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）等，可以让组网更加灵活，适配多样化的部署场景。在2G时代，基站主要是被称作基站收发台（Base Transceiver Station，BTS），网络由基站子系统以及终端、核心网、承载网组成。其中，基站子系统涉及了基站收发台（BTS）和基站控制器（Base Station Controller，BSC）。随着有源天线系统（Active Antenna System，AAS）技术的成熟，5G基站首先把BBU的一部分物理层处理功能下沉到RRU，RRU和天线（64/32通道）结合成为AAU。然后再把BBU拆分为CU和DU，同时CU还融合了一部分从核心网下沉的功能，作为集中管理节点存在。CU/DU分离的初衷，就是为了可以通过该架构利用一个CU来控制多个DU，实现基带处理资源的共享。AAU设备产生Massive MIMO 技术，包括射频单元、天线单元，构建相应的有源天线阵列，其支持eCPRI 接口，把一些底层基带功能在AAU转移。AAU设备规格繁杂，可以支持64T64R、16T16R以及32T32R等通道数[2-4]。

1.3 5G基站能耗分析

5G中纳入NR新空口技术，有效地满足了超高速率、超低时延、超高连接数密度业务需求。这对于基站设备硬件能力具有新的标准，相应增加了5G基站设备功耗。5G基站产生的能耗，通常就是源于各类设备的功耗，包括CU、AAU以及DU/BBU等。针对CU设备，依靠硬件平台进行硬件资源的合理配置。设备功耗与硬件配置规格关系密切，而CU设备可产生百瓦至千瓦的功耗，增加了站点机房的供电压力。针对BBU-AAU架构的基站，产生功耗最大的就是AAU设备。因此，增强AAU的能效水平，可以明显地缓解基站能耗的总体数量。

5G BBU功耗的发生部位较多，其中板卡内部处理器以及FPGA等芯片上是产生频率较高的位置，会提升BBU的整机功耗。5G AAU的功耗就是产生于一些关键的器件，包括数字基带、收发信板等，也涉及到了电源、滤波器等热耗。5G AAU内部架构不仅复杂，而且具有多样化的功效，其中涉及到天线阵列，可以形成更大带宽和部分基带处理效果，其功耗明显多于4G功耗。AAU功耗特征如图1所示。

图1 AAU功耗特征

2 5G基站节能技术探究

2.1 硬件节能技术

提升基站硬件性能是有效减少基站能耗的关键。5G芯片产业链发展迅速，并且对关键器件的集成度发展在不断的健全，功能不断完善，使得硬件具有更好的节能效果。硬件节能要经过一定的途径，即设备硬件架构、工艺流程、集成度演进完成工作，可以将AAU、BBU功耗明显降低。首先，将硬件架构设计进行优化，促进硬件能效水平增强。5G时代，用ASIC专用芯片代替高功耗器件，可提升硬件平台集成度，确保具有更好的应用功效，大大降低了设备功率，推动了半导体工艺的演进发展，使得设备具有更可靠的集成度，提升了应用性能。其次，基站设备中，采取14 nm技术比较常见，未来将会采取10 nm或7 nm技术，推动芯片工艺发展的同时，会将功耗最大限度降低。最后，漏压调节、GaN、Doherty等新技术，促进封装工艺不断提升，是提高功放效率的重要举措。

2.2 基于AI的智能节能技术

在5G时代，会产生共存多制式网络形式，同时云化的网络架构相继进步，会提升网路结构复杂程度。多制式网络间协同，最大限度地节约能源，减少消耗，在网络节能上，一直是一项关键内容，要大力地研究此工作。目前，应用人工智能技术（Artificial Intelligence，AI）比较常见，并且这项科技发展迅猛。未来，发展AI的智能化节能技术成为关键的方向，必然受到更高的关注。通过AI技术能够展开分析线网的繁杂数据，形成业务模型，进行预测业务等。此外，AI算法能够自动化识别节能小区，灵活地选取节能方案，有利于推广应用软件节能特性。基于AI的智能化节能技术的实现，具体如下。首先，通过网管接口，不同制式和频段的基站设备上报给网管平台诸多业务性能数据，如KPI、MR等。其次，AI平台得到数据以后就会展开分析数据，由机器学习展开。再次，对于结果展开相应的分析以后，识别节能基站、生成节能策略。最后，AI平台向节能基站传达节能内容以及方法，此时基站就会被及时地触动，处于节能状态。此外，业务负荷状态是在时刻的转变状态中，AI平台可以对节能策略进行优化调整，促进节能效果不断提升。图2为基于AI的智能基站节能图。

图2 基于AI的智能基站节能

2.3 软件节能技术

无线网业务具有潮汐效应，可为软件节能技术提供参考。软件节能技术虽然不能降低静态功耗，但考虑到业务分布特征，基于网络闲时一些硬件资源，减小AAU的动态功耗。软件节能技术涵盖了很多典型的软件特性，其中关键的就是符号关断、通道关断及小区关断特性。符号关断特性就是经不连续发射功放，促进AAU功耗削弱。符号关断的比例相关联于基站调度方式，为了将节能成效提升，可以优化调度算法，在特定符号中对用户数据集中地调度传输，将空闲符号比重增加，达到最优的节能效果。多通道AAU设备上采取通道关断特性，有助于充分发挥应用效果，转变业务量时射频通道节能效果更好。网络性能是需要大力保障的，通道关闭时，控制信道的发射功率，适当地增强功率，把上行接收通道打开，避免影响接入终端的顺利接入。小区关断特性可以应用到多层网络覆盖且是相同区域场景里面，可以对于小区的覆盖情况、容量状态进行了解，辨别容量层低业务小区后关断，达到节能功效[5]。

3 节能技术的应用策略

硬件节能技术应用于基站节能降耗上，节能效果更理想可靠，并且是有效提升基站能效水平的关键。5G产业链发展的进程不断推进，加快此方面的研发速度，可使基站硬件平台得到更好的完善与优化，产生更理想的硬件节能目标。软件节能技术即为减少AAU的动态功耗，不会很明显幅度的影响到BBU功耗。业务负荷能够显著影响到软件节能成效，如果基站负荷越低，就会得到更高的节能目标，关断门限设置越低、节能特性生效的时间越长，就会产生更好的节能增益。鉴于此种现象，实践应用环节，应该遵循节能场景的状态，建立起相应参数数据，以适应节能不同的需求。5G网络不断发展的时期，应该联系起5G业务、产业链发展状态，分阶段进行基站节能技术的部署[6]。

4 结 论

5G网络当前已经拥有商用部署条件，但对于5G基站设备的功耗方面还有待进一步的研究解决，要应对好基站节能这一挑战。5G基站的节能可从两方面着手，一方面是改善基站设备的能效水平，另一方面就是部署软件节能特性，在AAU闲时，有效控制产生的能耗。应用软件节能技术减小基站能耗环节，会明显影响到网络覆盖，并破坏网络容量性能。因此，将来的研究中，要重视不断提升软件节能特性，采取先进的策略，如智能调度、网间协作等，让用户业务性能更加完善。