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5G基站節(jié)能技術(shù)性能評估研究

2020年電子技術(shù)應(yīng)用第10期

張化1，李鵬2，魯娜2，蔡博文1，李皛1

1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.中國電信集團有限公司，北京100033

摘要： 相比于已商用的4G技術(shù)，5G需要支持更大的帶寬、更多的通道數(shù)以滿足ITU提出的性能需求，但這也導(dǎo)致了5G能耗的顯著增加?；竟?jié)能技術(shù)是通過在時和頻域上關(guān)閉相應(yīng)的發(fā)射資源來實現(xiàn)基站能耗的有效降低，為了避免節(jié)能技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶體驗的影響，在網(wǎng)絡(luò)運營過程中需要尋找節(jié)能效果和網(wǎng)絡(luò)性能間的相互平衡。首先分析了5G基站能耗模型，并結(jié)合影響能耗的關(guān)鍵因素對5G節(jié)能技術(shù)進行了節(jié)能效果評估，同時分析了相關(guān)節(jié)能技術(shù)對于網(wǎng)絡(luò)性能的影響，最后從網(wǎng)絡(luò)運營的角度介紹了5G節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞： 5G 基站節(jié)能 AAU BBU

中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200795
中文引用格式： 張化，李鵬，魯娜，等. 5G基站節(jié)能技術(shù)性能評估研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(10)：20-24.
英文引用格式： Zhang Hua，Li Peng，Lu Na，et al. Study of performance evaluation on energy saving for 5G base station[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(10)：20-24.

Study of performance evaluation on energy saving for 5G base station

Zhang Hua1，Li Peng2，Lu Na2，Cai Bowen1，Li Xiao1

1.China Telecom Research Institute，Beijing 102209，China；2.China Telecom Group Co.，Ltd.，Beijing 100033，China

Abstract： Compared to the commercial 4G network, 5G needs to support larger RF bandwidths and more Tx/Rx channels to cater for the target requirement proposed by ITU, however, which results in significantly increased energy consumption for 5G base station. Base station energy-saving technology realizes the effective reduction of base station energy consumption by turning off the corresponding transmission resources in the time and frequency domains. In order to avoid the impact of energy-saving technology on network coverage and user experience, it is necessary to look for the balance between energy-saving effects and network performance during network operation. This article firstly analyzes the energy consumption model of 5G base stations, and evaluates the effect of power saving of 5G energy-saving technologies in combination with key factors affecting energy consumption. It analyzes the impact of related energy-saving technologies on network performance at the same time, and finally introduces the technology development trends and challenges of 5G power saving from the perspective of network operations.

Key words : 5G；energy saving of base station；AAU；BBU

0 引言

相比4G技術(shù)，5G具備更高的傳輸速率、更大的系統(tǒng)容量、更低的傳輸時延以及更成熟的節(jié)能方式。在人口密集的地區(qū)，5G能夠為用戶提供1 Gb/s體驗速率和10 Gb/s峰值速率；在流量熱點區(qū)域，能實現(xiàn)每平方公里10～100 Tb/s的流量密度，降低了網(wǎng)絡(luò)擁堵和用戶體驗差的機率。除此之外，低功耗大連接支持千億網(wǎng)絡(luò)連接能力，低時延高可靠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)主要面向人與人之間的通信，5G則通過支持增強移動帶寬(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)、海量機器類通信(Massive MachineType Communication，mMTC)和超高可靠低時延通信(Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC)三大應(yīng)用場景，從而支持萬物互聯(lián)的愿景。

為了支持ITU提出的5G關(guān)鍵指標，3GPP在5G時代引入了大規(guī)模天線(Massive MIMO)、更大射頻帶寬等關(guān)鍵技術(shù)。大規(guī)模天線技術(shù)通過在發(fā)射器與接收器兩者之間布置一定數(shù)量的天線系統(tǒng)，能夠在相同的無線信道上同時發(fā)送和接收不止一個數(shù)據(jù)信號的無線網(wǎng)絡(luò)，從而增大了數(shù)據(jù)的流量^[1]。作為5G的核心技術(shù)之一，它有效提高了系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸可靠性，也使得支持該項技術(shù)的基站設(shè)備成為5G的主流。但是隨著帶寬和天線數(shù)的增加，5G基站功耗遠超4G。據(jù)預(yù)測，受限于5G單站能耗的增加，通信行業(yè)在2025年的電力消耗將占到全球電力總量的20%。對運營商來說，電費占其總運營成本的比例已經(jīng)高達15%，能耗成本與收入呈剪刀差的趨勢在加速，因此減少網(wǎng)絡(luò)每字節(jié)的傳輸能耗是運營商關(guān)注的焦點。

LTE時代有4種節(jié)能策略在3GPP會議中被研究和討論：(1)將基站側(cè)某些子幀配置成MBSFN子幀，在低業(yè)務(wù)時段對其實行關(guān)斷來減少基站下行發(fā)送時間來實現(xiàn)節(jié)能；(2)通過減少特殊時隙中DwPTS的長度來進一步減少基站發(fā)射的時間；(3)基于下行單個資源單元(Resource Element，RE)功率不變來減少基站發(fā)射帶寬，從而降低系統(tǒng)整體能耗；(4)通過減少LTE下行發(fā)射的天線端口數(shù)目來降低基站的能耗^[2]。4種節(jié)能策略在低業(yè)務(wù)時段都可以滿足一定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計指標，節(jié)能效果差異很大。對于5G單小區(qū)節(jié)能技術(shù)來說，符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠、PA調(diào)壓、降低下行功率發(fā)射、調(diào)整下行射頻帶寬以及人工智能(AI)節(jié)能技術(shù)等，對于網(wǎng)絡(luò)無線關(guān)鍵性能指標(KPI)影響各不相同，需要測試研究來評估具體性能。

基于以上背景，本文首先從基站能耗構(gòu)成的角度，分析了耗能大戶有源天線單元(Active Antenna Unit，AAU)和射頻拉遠單元(Remote Radio Unit，RRU)設(shè)備原理。隨后針對單站節(jié)能管理技術(shù)(例如符號關(guān)斷、通斷關(guān)斷、載波關(guān)斷和深度休眠)進行了介紹和對比。最后對當(dāng)前節(jié)能技術(shù)部署所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢進行了分析。

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作者信息:

張化1，李鵬2，魯娜2，蔡博文1，李皛1

(1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.中國電信集團有限公司，北京100033)

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