基站能耗如何降低？这些技术可以实现绿色5G

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原创 邵泽才、王希栋

Labs 导读
为满足增长的流量需要，中国移动的无线网络规模快速增长，截止2019年底中国移动的4G基站数量已超过240万个，据估算，基站的耗电量超过100亿度。如何降低基站能耗成为运营商关注的焦点。

为了应对巨大的能耗压力，中国移动很早就成了项目组，专门开展基站节能技术攻关，通过分析基站无线网设备的器件构成和网络业务特点，树立了基站能耗建模与测量→器件级→设备级→网络级节能的研究思路，全球首个研发并部署了基于业务负荷的符号关断、MIMO通道关断、小基站关断、载波关断技术并推动主设备厂家实现相关功能。为了理解这些技术，我们先来介绍一下基站的主要组成及节能技术的原理



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节能基础知识：基站硬件组成



移动通信信息以电磁波为媒介进行传输，基站的主要功能和作用是负责接收与发送无线信号、以及将无线信号转换成易于传输的光/电信号，实现信息在不同终端之间的传输并将不同频率的信号识别区分出来， 4G基站的组成如下：

4G基站设备主要包含三个部分：基带处理单元（BBU）、远端射频处理单元（RRU）和天线系统。

基带处理单元BBU：完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，同时需要提供与上层网元的接口功能。一般来说，BBU由基带板和主控板组成。

射频处理单元RRU：是天线系统和基带处理单元沟通的中间桥梁：接收信号时，RRU将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号，传输给BBU；发送信号时，RRU将从BBU传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。RRU包含的主要器件有功率放大器，滤波器、收发信机、数字中频和时钟等。

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影响基站功耗的器件

基站功耗分为RRU和BBU两部分，其中宏基站中二者功耗比约为5:1，RRU功耗站基站功耗的80%左右，其中RRU中的功放（Power Amplifier）功耗占比最大，占RRU总功耗的70%左右，且随着发射功率的增加，功放占比增加。设备实现中，提高功放的能量转换效率，可以显著降低RRU功耗。

BBU由基带板和主控板组成，基带处理单元部分占比最大，在73%左右，通过更好的芯片工艺制程，基带的功耗可以得到有效降低。



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研发团队重点攻关形成的相关方案

实际网络中，业务负荷在不同的区域和时段有差异，且模式相对固定，通过部署软件功能，及时实现基站中部分和全部器件的休眠，从而达到基站能耗降低的目的，我们称之为基站节能功能。

a)单站节能技术

i.符号关断

LTE网络中，某些下行时隙的OFDM符号上没有实际数据传输时，在不影响控制类和导频类数据传输和终端接收的情况下，RRU在相应的符号时间将射频通道和功放关闭，从而达到减少功耗的目的。符号关断技术的理论节能效果可达到30%左右。



图 1  TD-LTE符号关断原理示意图

ii.MIMO通道关断技术

MIMO通道关断技术是指当用户数及PRB资源利用率满足设定的条件时，eNodeB关断或开启部分射频通道，确保覆盖不受影响的前提下达到减少能耗的目的。为保证公共信道覆盖和业务不受影响，eNodeB可以提升公共信道的发射功率3dB。当检查到业务负载增加后，退出智能关断模式，恢复原有的通道发射状态。根据实验室测试，对TD-LTE的8通道设备而言，关闭4路通道，可节约能耗20%左右。


图 2  通道关断示意图

iii.载波智能关断技术

载波指TD-LTE基站设备空口工作频段的载频带宽，即基站可以智能打开或关闭某带宽内的信号的发射，被关闭载波所在带宽的输出功率应为零。由于降低了整体的发射功率，因此该功能可使得RRU功率降低。载波关断有两种场景，即同频段载波（例如D频段3个载波）和不同频段（例如D+F）的载波，前者三个载波都要同一个物理器件实现，因此应用载波关断时不涉及硬件的休眠，其对功耗的节约程度有限，一般来说功耗降低小于3%。而后者则可以实现硬件的休眠，从而节能效果非常显著，可达30%左右基站能耗节约。

iv.下行功率优化技术


图 4  功率在不同符号上的分配示意图

对于小区中信号较好的用户，下行信噪比较高，适当降低其下行业务信号发射功率并不会明显影响下载速率等用户感知。如果基站同时调度小区内的边缘用户，可以将省下的功率补给边缘用户，尽可能提升用户下行边缘吞吐量，提高小区吞吐量和用户业务感知；如果没有其它需要提功率的用户，则可以降低基站整体发射功率，降低能耗。

v.TD-SCDMA和TD-LTE共模基站协作关断技术

当TD-SCDMA基站和TD-LTE基站为共模基站时，该基站应能根据TD-SCDMA和TD-LTE网络业务量的变化，适时进行功放的关断（或休眠）,达到降低基站功耗的目的。理想情况下，可节约基站功耗3-5%左右。

b)站间协作节能系统

技术原理

基于通过网间协作提升网络能效的思想，多网协作节能系统（MCES）通过分析海量测量报告信息和业务信息，实时发现网络中的节能小区及其业务补偿小区，并预测他们的业务变化趋势；当节能小区处于低业务负荷状态时，MCES系统将把节能小区的业务迁移至其业务补偿小区，并将节能小区休眠以实现网络能耗的降低。同时，通过实时网络指标监控，MCES系统能够在业务尖峰到来时及时唤醒休眠的节能小区以保证网络质量。


图 5  多网协作节能系统原理图

多网协作节能系统主要由数据采集模块、策略模块和执行模块三大功能模块组成。数据采集模块实现无线接入网网元连接，多种网元接口适配，网络基础数据采集及清洗存储的功能；策略模块将数据采集模块输出的统计数据，基于特定的算法计算出节能小区，并根据策略进一步判定得出需要休眠或唤醒的小区名单；执行模块则接收策略模块判定出的待休眠和待唤醒小区列表，下发休眠或唤醒的命令。


图 6  多网协作节能系统网络架构图

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节能技术的应用

本项目研发的关键技术，包括TD-LTE符号关断、MIMO通道关断、小基站关断、载波关断等技术已在全国规模推广应用。其中符号关断目前已在全国100%开启应用，达150万基站。MIMO通道关断、小基站关断、载波关断技术在部署适宜场景应用，开通规模达1万载频。

多网协作节能系统已进入中国移动核心能力清单（2017），并在广西、上海、江西等十省市大规模应用，部署覆盖小区达970万个，年节能近4000万度，随着5G网络的部署，该平台将进一步拓展演进，基于无线大数据和机器学习技术统一调度2/4/5G网络达到能效最优