劉博文

（吉訊股份有限公司，河北 保定 071000）

1 5G通信內(nèi)涵及技術(shù)架構(gòu)

現(xiàn)代通信工程中，人們將第五代移動通信技術(shù)稱為5G。作為基于第四代移動通信技術(shù)發(fā)展起來的新通信手段，5G通信在信息內(nèi)容獲取與傳輸層面取得了極大的突破，同時通信的效率大大提升。為了保證5G通信的整體效果，應(yīng)在考慮信息傳輸效率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對通信可靠性的有效控制[1]。

相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模式，5G通信在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)上具有復(fù)雜性特征，其不僅包含無線接入云、智能化控制云的應(yīng)用，而且還涉及高效轉(zhuǎn)發(fā)云的運作。在實際運行中，5G通信以IMT-2020網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，融合使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）以及云技術(shù)等新型技術(shù)，這使得5G通信具備多種無線制式接入的能力，能實現(xiàn)無線接入點的系統(tǒng)性控制。在實際應(yīng)用中，基于回傳鏈路控制手段的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能更加高效地利用無線資源，不僅提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч€可以實現(xiàn)對云功能的控制和優(yōu)化[2]。

2 基于5G的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

5G的各種節(jié)能技術(shù)會帶來不同程度的節(jié)能效果，具體技術(shù)方案所帶來的節(jié)能效果指相對于未采用該方案所帶來的能耗降低，其實際效果跟技術(shù)的運用情況、使用范圍以及持續(xù)時間等因素有關(guān)?？捎糜趯崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的技術(shù)多種多樣，從層次上劃分主要包括基礎(chǔ)級節(jié)能技術(shù)和人工智能（Artificial Intelligence，AI）級節(jié)能技術(shù)。其中基礎(chǔ)級節(jié)能技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的具體實現(xiàn)方式，AI級節(jié)能技術(shù)則是從5G網(wǎng)絡(luò)整體層面對各種基礎(chǔ)級節(jié)能技術(shù)進行的進一步智能調(diào)度。5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)架構(gòu)

基礎(chǔ)級節(jié)能技術(shù)包括器件工藝級（如芯片技術(shù)、器件散熱等）、軟件級（如符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷以及深度休眠等）和工程應(yīng)用級（如極簡建站、基于計算的無線接入網(wǎng)構(gòu)架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）和室內(nèi)基帶處理單元（Building Base Band Unit，BBU）整合建站等）?；A(chǔ)級節(jié)能技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的基石，可以獨立應(yīng)用，也可以組合實施。網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能技術(shù)主要是基于全網(wǎng)業(yè)務(wù)及負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同及負(fù)荷調(diào)度等手段自動配置合適的站點和時間，制定合適的節(jié)能策略，實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)能[3]。

器件工藝級節(jié)能技術(shù)主要通過提升芯片工藝制程來降低基礎(chǔ)能耗，基帶芯片由28 nm演進為10 nm、數(shù)字中頻芯片由28 nm演進為7 nm、射頻芯片由28 nm演進為14 nm等，芯片內(nèi)核以專用集成芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）取代現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），每一次演進都帶來了芯片功耗的大幅降低。除此之外，新型器件（如新型濾波器、新型功放器件等）、創(chuàng)新散熱技術(shù)、新型材料以及優(yōu)化工藝的應(yīng)用也會帶來芯片功耗的大幅降低。

工程應(yīng)用級節(jié)能技術(shù)包括極簡建站，通過合理取消機房，減少了空調(diào)等設(shè)備的用電。C-RAN模式和BBU整合建站，通過合并機房和BBU機框，減少了空調(diào)和基站設(shè)備的使用等，大幅降低能耗。

軟件級節(jié)能技術(shù)包括符號關(guān)斷技術(shù)、通道關(guān)斷技術(shù)、載波關(guān)斷技術(shù)以及深度休眠技術(shù)等。其中，符號關(guān)斷技術(shù)包括基礎(chǔ)關(guān)斷和增強關(guān)斷。基礎(chǔ)關(guān)斷技術(shù)指當(dāng)基站下行符號無數(shù)據(jù)發(fā)送時，關(guān)閉相應(yīng)功放等器件實現(xiàn)節(jié)能。增強關(guān)斷技術(shù)是在基礎(chǔ)關(guān)斷的基礎(chǔ)上，當(dāng)基站低負(fù)荷時采用符號匯聚和集中發(fā)送等策略實現(xiàn)節(jié)能降耗。通道關(guān)斷技術(shù)指當(dāng)基站低負(fù)荷時，以不同顆粒度關(guān)閉基站相應(yīng)的上、下行通道實現(xiàn)節(jié)能，通道關(guān)閉后可對廣播、數(shù)據(jù)信道補償。載波關(guān)斷技術(shù)指在基站覆蓋滿足需求的前提下，關(guān)閉容量層，一般采用設(shè)定時間定時進行載波關(guān)斷。深度休眠技術(shù)指僅保留基站有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）/射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）的電源模塊和增強型公共無線接口（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）/公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）等接口功能，其他功能模塊均關(guān)閉，以大幅降低基站能耗[4]。

在5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)級節(jié)能技術(shù)中，設(shè)備級的節(jié)能主要體現(xiàn)在新器件、新工藝以及新材料的使用上。新器件和新工藝的更新是持續(xù)性的改進，是一個漸進發(fā)展的過程。站點級節(jié)能主要體現(xiàn)在基站部署方式和無線信號的動態(tài)調(diào)整上，可以在建網(wǎng)方式調(diào)整和優(yōu)化無線鏈路數(shù)據(jù)算法的基礎(chǔ)上部署實施。例如，基于C-RAN模式的站點部署對機房的要求較高，需要做好前期的規(guī)劃工作，對已建成基站進行C-RAN模式的改造是各大運營商基站建設(shè)演進趨勢。對于軟件級的節(jié)能，部署難度小，可結(jié)合業(yè)務(wù)及負(fù)荷分析通過參數(shù)配置制定相應(yīng)的節(jié)能策略?；谌W(wǎng)預(yù)測的AI網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能可實現(xiàn)節(jié)能效果的最大化，實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能和最佳網(wǎng)絡(luò)體驗的平衡，部署難度小，具備較好的實施條件。對于網(wǎng)絡(luò)級的節(jié)能，需要對全網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)進行智能化計算。

3 基于5G的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗技術(shù)要點

3.1 時域節(jié)能技術(shù)

3.1.1 極簡公共信號發(fā)送

5G新空口系統(tǒng)中的公共信息主要包括同步信號塊單邊帶（Single SideBand，SSB）消息、系統(tǒng)消息、尋呼信息以及相應(yīng)的調(diào)度信息等，其中SSB包括主輔同步信號和物理廣播信道。為了保持用戶的初始接入，5G協(xié)議要求SSB發(fā)送周期至少為20 ms。此外，5G新空口系統(tǒng)部署的頻點比4G系統(tǒng)高，需要以波束賦形的方式來發(fā)送公共信號。由于一個波束覆蓋范圍較小，因此基站需要以時分復(fù)用的方式輪詢發(fā)送多個公共信號波束，以達(dá)到全方位覆蓋的要求[5]。

在中輕載場景下，盡管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)較少，但由于需要傳輸SSB和SIB1，基站無法有效進行時域關(guān)斷來降低功耗，因此減少SSB和SIB1傳輸是實現(xiàn)基站節(jié)能的一個重要手段。

在一種降低公共信號時域占比的多載波方案中，基礎(chǔ)成員載波（Basic Component Carrier，BCC）提供全套的SSB消息、SIB消息以及其他容量成員載波（Capacity Component Carrier，CCC）上的SIB消息，這樣可以保證CCC上不需要發(fā)送（System Information Block，SIB）消息。CCC上還可以發(fā)送簡化的SSB消息，這里稱為發(fā)現(xiàn)參考信號（Discovery Reference Signal，DRS），以供用戶對CCC進行同步和測量[6]。通過這種CCC上極簡的公共信號發(fā)送方案，可以極大程度地降低CCC上的公共信號時域占比，尤其適用于空載和輕載場景。此外，用戶從BCC上獲取CCC上的系統(tǒng)消息時，還可以直接在CCC上發(fā)起隨機接入，緩解BCC上初始接入的擁塞問題[7]。

3.1.2 符號關(guān)斷和匯聚調(diào)度

在輕載場景下，對于沒有業(yè)務(wù)的時間段，基站可以動態(tài)進行符號關(guān)斷，以達(dá)到節(jié)能的目的。此外，在業(yè)務(wù)到達(dá)后推遲一段時間，將多次業(yè)務(wù)積攢在一起統(tǒng)一發(fā)送或者推遲到與公共信號一起發(fā)送，即匯聚調(diào)度。需要注意的是，匯聚調(diào)度需要預(yù)測業(yè)務(wù)到達(dá)時間，且根據(jù)業(yè)務(wù)需求決定最大推遲發(fā)送時間，否則會導(dǎo)致用戶的感知數(shù)據(jù)速率下降。

3.2 空域節(jié)能技術(shù)

在符號關(guān)斷的基礎(chǔ)上，還可以考慮多天線通道關(guān)斷。相比于符號關(guān)斷，多天線通道關(guān)斷的關(guān)斷粒度進一步細(xì)化到空域通道的維度，即在業(yè)務(wù)負(fù)載匹配的情況下，即使不關(guān)斷符號，仍然可以關(guān)斷其中一部分通道，以達(dá)到節(jié)能目的。與4G基站相比，5G基站通道數(shù)目急劇增加，通道關(guān)斷不僅可以降低功放功耗，還可以降低通道的靜態(tài)功耗。與符號關(guān)斷相比，通道關(guān)斷在保證服務(wù)連續(xù)性上更具優(yōu)勢[8]。

（1）半靜態(tài)通道關(guān)斷。基站會根據(jù)一段時間內(nèi)的業(yè)務(wù)和負(fù)載預(yù)測長時間關(guān)斷一部分通道，由于業(yè)務(wù)到達(dá)的隨機性，即使在中輕載下，不同發(fā)送時間單元（Transmission Time Interval，TTI）上的信息傳輸速率利用率也會有較大波動。半靜態(tài)通道關(guān)斷雖然可以保證服務(wù)連續(xù)性，但是在某些傳輸速率占用較高的TTI上會造成數(shù)據(jù)傳輸時延增加，用戶體驗降低。但好處是半靜態(tài)關(guān)斷的實現(xiàn)較為簡單，而且可以匹配不同通道開啟下的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）的測量和上報配置[9]。

（2）動態(tài)通道關(guān)斷。相較于半靜態(tài)通道關(guān)斷，動態(tài)通道關(guān)斷可以提供更精細(xì)粒度的調(diào)整，匹配業(yè)務(wù)負(fù)載和需求，但是基站的通道配置動態(tài)變化會造成很多測量和調(diào)整無法及時收斂。例如，在CSI測量時刻，用戶的基站狀態(tài)是32通道，但是到數(shù)據(jù)傳輸時刻，就變?yōu)?6通道，則測量上報的CSI不再匹配激活通道數(shù)的變化。此外，典型的開環(huán)鏈路自適應(yīng)技術(shù)需要一定的時間才能收斂，但是基站通道不斷動態(tài)變化會造成開環(huán)技術(shù)難以收斂，進而影響系統(tǒng)傳輸效率和用戶業(yè)務(wù)體驗?；诖?，需要針對動態(tài)通道關(guān)斷下的CSI不準(zhǔn)確問題進行進一步評估并研究相應(yīng)的解決方案[10]。

4 結(jié) 論

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，通過對設(shè)備級節(jié)能技術(shù)、站點級節(jié)能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能技術(shù)的研究，對無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)、新材料與新工藝的應(yīng)用和推廣進行深入探析，從而為新時期無線通信領(lǐng)域的節(jié)能降耗提供助力。