張蜀晉

（山西信息規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

如今，無線通信的快速發(fā)展，移動(dòng)終端用戶的大幅度增加，在為5G技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展注入動(dòng)力的同時(shí)，也使得設(shè)備、基站的能耗問題成為制約技術(shù)推廣的重要因素[1]。由于網(wǎng)絡(luò)通道的架設(shè)需要復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行支持，因此5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)需要的功耗極高，超過4G基站的2-3倍，當(dāng)前，5G通信網(wǎng)絡(luò)的全方位建設(shè)應(yīng)將能耗控制作為重點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的研究成果與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)、新材料與新工藝的應(yīng)用與推廣進(jìn)行深入探析，為新時(shí)期無線通信領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化改革提供助力。

1 設(shè)備級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方向

1.1 設(shè)備高能耗的原因

5G設(shè)備使用能耗過高的影響因素較為復(fù)雜，包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維 通道的增加（從原有的8道擴(kuò)增為64/32道）、流量規(guī)模的提高（從2流增加到16流及以上）、設(shè)備發(fā)射功率的提升（由100 W提升到200 W及以上）。多方面因素疊加，導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)在額定滿載狀態(tài)下，功耗超過4G的2-4倍，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)全覆蓋戰(zhàn)略的實(shí)行有著局限影響。目前，5G基站的主要能耗應(yīng)用分為AAU、BBU兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中AAU運(yùn)行功耗占據(jù)總功耗90%左右，按照不同功能模塊劃分，包括設(shè)備功放、電源功耗、小信號(hào)以及數(shù)字中頻四部分。

1.2 節(jié)能技術(shù)具體應(yīng)用

（1）降低基礎(chǔ)能耗。設(shè)備功耗會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載狀態(tài)的不同出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，AAU四個(gè)功能模塊消耗的電量比例隨之轉(zhuǎn)變。通常情況下，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)處于滿載運(yùn)維狀態(tài)時(shí)，功放的實(shí)際功耗率最高，大約占據(jù)總能耗58%左右；空載狀態(tài)下，數(shù)字中頻實(shí)際能源消耗比例可以達(dá)到46%。因此，當(dāng)前設(shè)備級(jí)AAU節(jié)能研究主要集中在功放效率的控制及降低基礎(chǔ)數(shù)字中頻模塊的空載消耗。

（2）基于BBU集中化系統(tǒng)對(duì)機(jī)房能耗進(jìn)行控制。BBU作為設(shè)備集中化管理系統(tǒng)，可以通過對(duì)機(jī)房部分設(shè)備的共享，降低設(shè)備能耗。設(shè)備共享主要應(yīng)用范圍包括：主設(shè)備、散熱設(shè)備、配電設(shè)備等。在5G網(wǎng)絡(luò)大范圍鋪設(shè)工程中，優(yōu)化創(chuàng)新集中化設(shè)備管理模式，成為相關(guān)建設(shè)與運(yùn)維單位深化節(jié)能技術(shù)研究的重要方向。

（3）促進(jìn)設(shè)備升級(jí)。在設(shè)備升級(jí)方面，采用雙頻4T4R規(guī)劃方案，能夠有效降低電量消耗，節(jié)能效果較為顯著?；陔p頻4T4R技術(shù)應(yīng)用，可以針對(duì)性地降低OPEX，借助4G用戶體驗(yàn)感知的深入研究，提供了更便捷、高效的5G服務(wù)，在流量高峰區(qū)域采用雙頻4T4R進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容，進(jìn)一步提升了用戶感知服務(wù)體驗(yàn)，對(duì)于爭(zhēng)取5G用戶有著支持作用。與此同時(shí)，在NSA組網(wǎng)狀態(tài)下，作為5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的延伸，4T4R能夠有效地補(bǔ)充5G網(wǎng)絡(luò)高頻覆蓋的空白部分。

（4）積極引進(jìn)新工藝與技術(shù)。在5G系統(tǒng)建設(shè)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新研究方面，相關(guān)技術(shù)、管理 人員還應(yīng)逐步加強(qiáng)新技術(shù)、新材料與新工藝的引進(jìn)，推進(jìn)設(shè)備層面能耗控制技術(shù)的廣泛性、多元化應(yīng)用。首先，在芯片的制作方面，可以采用7 nm新型工藝，對(duì)通信芯片進(jìn)行升級(jí)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)架構(gòu)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的深入研究；其次，由于基站AAU載頻功耗在整體能耗中占據(jù)較高的比例，因此，在功放模塊設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用氮化鎵材料代替原有的設(shè)備材料，在保證功放效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；第三，AAU設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量選擇高導(dǎo)熱材料，合理運(yùn)用散熱齒仿生學(xué)理念、液冷散熱理念等，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

2 站點(diǎn)級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方向

站點(diǎn)級(jí)功耗控制技術(shù)主要是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)不同階段的實(shí)際負(fù)荷狀態(tài)、運(yùn)維需 求等，將部分功能關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的控制目標(biāo)。需要注意，網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)閉控制是以不影響用戶業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量為前提的，按照關(guān)斷形式不同，包括亞幀關(guān)斷、通道關(guān)斷、深度休眠三種形式[2]。

（1）亞幀關(guān)斷控制。無線網(wǎng)絡(luò)的流量在高峰、低谷時(shí)的分布不均衡，科學(xué)、合理調(diào)配高峰與低谷時(shí)段的站點(diǎn)設(shè)備、滿足用戶差異化通信需求，是節(jié)能技術(shù)研究的重點(diǎn)。近幾年，站點(diǎn)級(jí)能耗控制技術(shù)的發(fā)展方向是通過話務(wù)負(fù)荷狀態(tài)變化的研究，對(duì)配套設(shè)備資源進(jìn)行調(diào)控。在基站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維設(shè)備中，占據(jù)最高能耗比例的是功率放大設(shè)備，即使沒有信號(hào)需要輸出，也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)運(yùn)維能耗。針對(duì)該種情況，可以采用亞幀關(guān)斷控制技術(shù)，即當(dāng)下行亞幀沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，會(huì)關(guān)閉射頻硬件，避免產(chǎn)生靜態(tài)能耗；當(dāng)檢測(cè)到傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，再進(jìn)行開啟。由于關(guān)斷、重啟控制的時(shí)間顆粒度檢測(cè)數(shù)值屬于微秒級(jí)別，亞幀關(guān)啟操作對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的影響極低，但可以降低10%左右的電力損耗，應(yīng)用前景較為廣闊。

（2）通道關(guān)斷控制。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突破的主要方向是信號(hào)通道建設(shè)的擴(kuò)增，網(wǎng)絡(luò)通道的增加，系統(tǒng)流量承載能力的提高，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)字中頻、小信號(hào)模塊能耗的大幅度增加，基帶數(shù)據(jù)計(jì)算量更多。通過通道關(guān)斷對(duì)運(yùn)維能耗進(jìn)行控制時(shí)，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信流量的狀態(tài)進(jìn)行，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)處于空載、輕載狀態(tài)時(shí)，容量需求相對(duì)較低，基站可以選擇關(guān)閉部分通道，在檢測(cè)流量增加時(shí)，重新啟動(dòng)。由于通道開關(guān)時(shí)間顆粒度屬于秒級(jí)，對(duì)用戶體 驗(yàn)影響也相對(duì)較小。需要注意，關(guān)閉部分射頻通道將會(huì)導(dǎo)致陣列與賦形增益的部分損失，盡管利用功率控制手段能夠適當(dāng)彌補(bǔ)，但上行與下行信道的實(shí)際容量會(huì)受到一定的影響。據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)證明，5G網(wǎng)絡(luò)輕載或空載時(shí)，關(guān)閉通道可以降低整體能耗的15%左右。

（3）深度休眠。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)負(fù)荷情況不高時(shí)，可以選擇4G鄰區(qū)承載容量，在可接受范圍內(nèi)，將5G用戶轉(zhuǎn)移到鄰區(qū)，讓5G設(shè)備維持深度睡眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制能耗的目標(biāo)。處于深度睡眠中的設(shè)備，關(guān)閉了5G網(wǎng)絡(luò)的功放、部分?jǐn)?shù)字通路、射頻等功能，只維持?jǐn)?shù)字接口通暢服務(wù)功能，在需要時(shí)，重新啟動(dòng)AAU全部功能。

3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方向

當(dāng)前階段，從網(wǎng)絡(luò)能耗層面實(shí)行節(jié)能控制時(shí)，主要的技術(shù)應(yīng)用方向?yàn)槎嗑W(wǎng)協(xié)作與架構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方面，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)作系統(tǒng)建設(shè)過程中引進(jìn)大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)的數(shù)據(jù)算法，對(duì)多頻網(wǎng)絡(luò)架設(shè)與多種無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維情況進(jìn)行有效識(shí)別，實(shí)時(shí)控制小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的休眠與喚醒裝袋，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)節(jié)能、動(dòng)態(tài)調(diào)整、高效運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)[3]。

（1）多網(wǎng)協(xié)作能耗控制。5G網(wǎng)絡(luò)全方位、多元化建設(shè)背景下，使得現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維模式出現(xiàn)TDD、FDD、NR共存的現(xiàn)象，在部署網(wǎng)絡(luò)覆蓋戰(zhàn)略時(shí)，需要基于站點(diǎn)TD-LTE共模的特征，制定節(jié)能對(duì)策?；诙嗑W(wǎng)協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維特點(diǎn)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等算法，可以在全面、系統(tǒng)收集海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維穩(wěn)定、提升用戶實(shí)際體驗(yàn)。此外，智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還可以對(duì)不同模式、頻道下的共覆蓋運(yùn)維情況進(jìn)行識(shí)別，通過內(nèi)置算法對(duì)容量預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行休眠與喚醒操作，進(jìn)一步優(yōu)化能耗控制系統(tǒng)，提升電力能源的整體配置質(zhì)效。

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)。現(xiàn)階段，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)主要以C-RAN為主，采用無線接入的模式，在機(jī)房中集中管理，同時(shí)，還能夠針對(duì)性地保存遠(yuǎn)端射頻和天線，降低基站設(shè)置的數(shù)量，在一定程度上減輕了5G網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)成本，對(duì)于能耗控制也有著積極意義?；贑-RAN集中建設(shè)布局下，可以為BBU基帶資源池共享提供支持，從硬件節(jié)能的角度降低能耗，典型場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，集中運(yùn)維管理模式下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以降低5%左右的用電能耗。

4 結(jié)束語

本文研究了5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)，在設(shè)備級(jí)功耗控制方面，做好基礎(chǔ)能耗管控，深化對(duì)氮化鎵、7nm、4T4R等新材料與工藝的研究；站點(diǎn)級(jí)節(jié)能方面則重點(diǎn)研究了亞幀與通道關(guān)斷、深度休眠等技術(shù)的應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)級(jí)能耗調(diào)控技術(shù)主要應(yīng)用方向包括協(xié)作節(jié)能與架構(gòu)優(yōu)化（C-RAN）兩方面。