面向5G-A的無線網絡節能關鍵技術

郭誠/GUO Cheng，陳夢竹/CHEN Mengzhu

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

1 5G-A無線網絡節能演進

全球氣候變化正在對全人類生存發展帶來日益嚴峻的影響，走向碳中和已成為全球的共識。作為數字化轉型重要底座的移動通信網絡，聚焦數據中心、通信基站、通信機房3類重點設施。工業和信息化部發布的《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022-2025年）》[1]要求推動基站主設備及配套設施節能技術的應用推廣，使5G基站能效提升20%以上。通過信息通信行業數字化轉型來賦能全社會降碳，促進居民低碳環保生活，從而更好地推動城鄉綠色智慧發展。

電信運營商及設備商自2G時代起就不斷啟動節能減排計劃，研究網絡節能手段，應對氣候及能耗的挑戰。在過去的時間里，隨著產業鏈的不斷發展與成熟，芯片技術的不斷提高，通過不斷優化電路設計、硬件實現算法，網絡節能已經取得了很大的進步。一些基礎節能功能包含符號關斷、通道關斷、載波關斷和設備深度休眠等被提出，以適應不同的通信網絡負荷[2]。

隨著5G-A時代到來，無線通信將使用更高的頻段作為信號載體，數據速率達到太比特每秒量級，同時全息通信、智能交互、感官互聯、數字孿生、通信感知等新業務需求不斷涌現，這給網絡流量帶來了百倍甚至千倍的激增。要想在保持比特增長的同時盡量降低功耗，需要基于高集成芯片、高效率器件、新升級工藝、強算力算法，打造新一代綠色設備，實現極致的關斷深度和響應時間[3]。

2）極致響應時間。節能狀態下的硬件響應時間是影響網絡指標和用戶體驗的關鍵因素。硬件響應時間將實現分鐘級到毫秒級的跨越，使得從僅閑時節能擴展到全天都可節能。

在低能耗硬件基礎之上，面向5G-A，我們將從時域、空域、頻域和功率域等方面展開網絡節能新一輪的研究工作，通過定義基站節能狀態和節能模式，用更準確的能耗模型，評估更加靈活的節能策略和關斷方式，最終賦能百業，共建綠色生態。

2 網絡能耗建模

2.1 基站節能模型

為了評估節能方案的節能增益，我們設深休眠狀態下的基站功耗為單位1，定義了不同狀態下的基站功耗模型[4]，具體如表1。

▼表1 參考配置下基站功耗模型

在沒有數據發送和接收情況下，基站可以關閉部分器件，進入休眠狀態。根據節能效果，我們可將基站休眠狀態分為深休眠、淺休眠和微休眠。鑒于不同休眠狀態下關閉器件的不同，基站喚醒時間和狀態切換的能耗也有所差異，基站激活態和休眠態轉換如圖1所示，其中微休眠可以認為轉換時間T和能耗E忽略不計。表2分別給出了深休眠和淺休眠的轉換時間T和能耗E[4]。

圖1 基站激活態和休眠態轉換

▼表2 休眠態的轉換總時間和總能耗

2.2 基站能耗模型

基站功耗可以分為靜態功耗和動態功耗，其中靜態功耗是指與業務負載和輸出傳輸功率無關的能耗占用，而動態功耗隨著負荷增加而增加。

高河飛快地逃離了柴垛，轉身的一剎那間，他發現柴垛的邊緣，露出了一個人臉，鐵青的臉，死魚般的眼睛惡毒地盯著高河。

為了進一步深入分析不同負載對基站功耗的影響，我們定義了基站動態功耗在隨不同因素變化時的計算公式[4]。在下行激活狀態下，基站動態功耗部分計算公式為：

僅和通道數相關的部分功耗計算公式為：

和通道數、帶寬、功率譜密度等多因素相關的部分功耗計算公式為：

其中，sa、sf、sp分別是激活的通道數相對基線配置中通道數的比值，激活的帶寬相對基線配置中最大帶寬的比值，每通道的實際發射功率譜密度相對基線配置中功率譜密度的比值，α為僅和通道數相關的部分能耗占比，參考業界數據取值為0.4[5]，?為功放（PA）效率。

類似地，在上行激活狀態下，基站動態功耗部分計算公式為：

其中，=P5-P3。

3 網絡節能關鍵技術

3.1 基站不連續發送/接收模式

為終端配置不連續接收（DRX）模式以減少不必要的物理下行控制信道（PDCCH）監聽功耗，是實現終端節能的有效途徑之一[6]。與之類似，引入小區不連續發送（DTX）/DRX功能，可以減少基站不必要的下行信號發送/上行信號接收，實現基站節能目的。其中，小區DTX模式用于控制小區的下行傳輸，小區DRX模式用于控制小區的上行傳輸。

小區DTX/DRX模式是周期性行為，由終端專用無線資源控制（RRC）信令配置，配置參數包括周期、起始時隙、位置偏移量和持續時間等，支持以小區為粒度配置不同的小區DTX/DRX參數，從而滿足不同小區的節能需求。同時，為了適配不同的業務需求，還需要減少信令開銷，采用組播信令指示動態激活/去激活小區DTX/DRX配置。

在小區DTX/DRX生效期間，基站周期性地不執行數據業務的發送/接收。為了減小對網絡中終端的影響，小區DTX/DRX維持同步信號塊（SSB）、接入信道（RACH）、尋呼消息（Paging）和系統消息（SIBs）的正常接收和發送。小區DTX可與終端DRX協同應用，在兩者相重疊的傳輸時間段內，才允許下行數據進行傳輸。如圖2所示，Case1中用戶設備（UE）1～UE2均可正常傳輸數據，UE3因為終端DRX與小區DTX可傳輸時間段不重疊因此禁止傳輸數據，應用時需優先按照Case2方式配置，UE1～UE3均可正常傳輸數據。

圖2 小區DTX與終端DRX協同關系示意圖

3.2 公共信令輕量化傳輸

基站在持續性不發送信號時，可以關閉器件，進入休眠狀態，以實現節能。但現有網絡往往需要小區持續提供服務，那么即便在僅少量數據傳輸甚至無數據傳輸時，由于SSB、RACH、Paging和SIBs持續性地接收和發送，使得基站無法有效進入休眠模式。為解決此問題，我們提出了公共信令輕量化傳輸機制。

對于載波聚合（CA）場景，廣播及公共信令可由主小區（Pcell）承載，終端在SSB-less輔小區上的激活流程以及同步定時等依賴于SSB傳輸的主小區。減少輔小區（SCell）上的SSB傳輸可以增加基站睡眠機會，從而達到減少基站功耗的目的。

在不同的業務負載條件下，SSB-less輔小區的節能效果不同。圖3給出了SSB-less輔小區的節能效果：在低負載場景，時分雙工（TDD）模式可以獲得6.1%～15.2%的節能增益，頻分雙工（FDD）模式可以獲得15.5%～25%的節能增益。此外，由于不需要發送SSB，基站可以利用更多資源調度數據，仿真結果顯示可增加0.6%～3.1%的用戶感知吞吐量（UPT）增益。

圖3 SSB-less節能和吞吐量增益仿真結果

圖4 通道關斷的節能增益和吞吐量仿真結果

圖5 動態功率調整的節能增益和吞吐量仿真結果

同樣地，這一節能方法也可擴展至非CA場景。為保證終端在節能小區的正常接入，需要引入錨點小區。處于非連接態的終端可以從錨點小區獲取所需的系統信息、同步信息和尋呼消息。當終端接入小區時，可以在SIB-less/SSB-less節能小區（即非錨點小區）發起初始接入，并進行連接態業務傳輸。當節能小區的SIBs在錨點小區上傳輸時，會導致錨點小區上的功耗少量增加。但綜合考慮節能小區和錨點小區的總功耗，我們認為基站仍能夠獲得可觀的節能增益。

基于基站功耗模型，我們對SIB-less/SSB-less節能小區方案進行仿真評估。我們將不同的SSB/SIB傳輸周期作為對比基線，在不同負載條件下，SSB-less/SIB-less節能小區可以獲得9.4%～24.5%的節能增益。由于節能小區的系統信息在錨點小區上進行傳輸，錨點小區的功耗增加2.3%～7.5%。

3.3 動態通道關斷及測量上報增強

在5G現網中，大規模多輸入多輸出（MIMO）由于其空分復用及發送接收分集的優勢被廣泛使用。大規模MIMO在帶來高容量的同時，其大量的收發通道及相關的硬件處理單元也會帶來基站功耗的增加。一種有效的網絡節能方案是根據流量負載或UE數量動態調整基站激活通道的數量，但通道關斷會導致基站發射功率和賦形增益降低。為了實現更高的節電增益并保持較低的性能損失，基站需要獲取關斷前后網絡UE的信道狀態信息（CSI），從而評估通道關斷的性能影響，輔助決策通道關斷的生效判決和生效時機。

基站可以通過UE測量上報的CSI報告獲得基站與UE間的信道狀態[7]，將不同的通道關斷狀態與CSI測量報告一一對應，從而獲取到不同通道關斷狀態下的信道狀態。但過多的CSI報告會增加空口開銷，也會導致UE測量能力受限，影響其他用途的CSI報告配置。因此，對于動態通道關斷方案中的一個重要研究方向就是CSI測量上報增強。

為了在一組CSI報告中包含多組CSI測量，需要引入Multi-CSI測量上報方案，并與多種天線關斷狀態的參考信號的CSI（CSI-RS）配置進行關聯，具體可分為如下兩種場景：

場景1：當通道關斷導致CSI-RS port數量變化時，不同通道關斷狀態可共用同一CSI-RS配置。該公共CSI-RS配置對應非天線關斷狀態，其他CSI-RS配置為該公共CSI-RS配置的子集，對應于有天線關斷的狀態。

場景2：當通道關斷沒有導致CSI-RS port數量變化時，不同通道關斷狀態的CSI-RS需要獨立配置，即每個CSI-RS配置對應一種天線關斷狀態。

基于64通道基站，我們對動態通道關斷方案的節能增益和用戶吞吐量（UPT）影響進行了仿真評估。當對比基線方案為靜態通道關斷時，即靜態關斷至48通道、32通道、16通道時，節能增益分別為7.77%、15.53%、23.53%，UPT損失為1.5%～11.06%；而通過CSI測量上報增強方案輔助的動態通道關斷能提供27.09%基站節能增益，并且UPT損失不到1%。由評估結果也可以看出，基于Multi-CSI測量上報增強的通道關斷方案可以在提供較大節能增益的同時帶來較少的UPT損失。

3.4 動態功率優化及測量上報增強

功率動態調整是功率域節能中的關鍵技術?；驹谂c終端交互的過程中，通常使用固定的發射功率進行下行數據發射。如果基站采用較小的發射功率，則可能導致小區邊緣UE無法準確的獲取傳輸的信息?；静捎幂^大的傳輸功率會帶來功耗額外增加，因此，為了降低網絡能耗的同時保證數據的正確傳輸，引入動態的自適應功率調整技術至關重要。

當對業務信道進行動態功率調整時，可能會導致CSI報告/反饋不準確。為了減少對網絡性能的影響，基站需要在功率調整時獲得更準確、更實時的CSI信息，因此我們提出為終端配置多個功率偏移值的CSI-RS配置，與不同功率檔位的CSI-RS配置進行關聯，獲取不同功率偏移檔位所對應的CSI信息，輔助網絡進行動態發射功率調整；并引入Multi-CSI測量上報方案，實現一組CSI報告中包含多組CSI測量。

基于最大發射功率為55 dBm基站，我們對動態功率控制方案的節能增益和UPT進行了仿真評估。當對比基線方案為靜態功率回退時，即靜態回退功率至53.75 dBm和52 dBm時，基站節能增益分別為4.38%、10.07%，UPT損失不到2%；而通過Multi-CSI輔助的動態功率控制方案能提供16.63%基站節能，并且UPT損失不到1%。由評估結果可以看出，基于Multi-CSI測量上報增強的動態功率調整方案可以在提供較大節能增益的同時帶來較少的UPT損失。

3.5 基站節能喚醒機制

基站節能技術可以通過減少信號傳輸、增加基站睡眠時間等方案有效地減少基站功耗，獲取基站節能增益。然而，當沒有終端反饋參與時，僅依靠基站獲取的信息進行基站節能，可能會對系統性能（如吞吐量、延遲等）和用戶體驗產生影響，最終導致基站節能方案不能被應用。為了在實現基站節能的基礎上盡可能保證系統性能和用戶體驗，可以考慮引入終端輔助的基站節能方案，即基站喚醒信號。

基站喚醒信號是UE向基站發送的上行信號，用以輔助基站在節能狀態和非節能狀態之間的切換，例如：指示節能小區喚醒，觸發下行公共信號傳輸、指示信號傳輸周期更新等?；締拘研盘柨梢约皶r地將終端的需求反饋給基站，以確?；究焖夙憫?服務，并將對用戶體驗的影響降至最低。

4 結束語

基站多域節能技術的研究，旨在保證網絡性能的基礎上，減少網絡能耗，提高信息通信行業綠色低碳發展質量，促進信息通信行業綠色轉型。

1）建立網絡能耗模型。網絡能耗模型通過建?；静煌臄祿l送、接收狀態，不同深度的睡眠模式及模式轉換期間的相對功耗，來評估各種網絡節能技術。

2）制定評估方法。在對候選節能技術的評估中，除了考慮網絡節能增益，還要兼顧網絡關鍵績效指標（KPI）、終端能耗，以及終端復雜度等。評估方法和能耗模型是選擇能夠平衡節能效果和網絡性能影響的節能技術的方法。

3）研究并識別出網絡節能的關鍵技術點。從包括時域、空域、頻域和功率域等各個方面使能更動態、高效、精準的無線傳輸，并通過終端和基站間信息交互的方式提升節能效果。每種節能技術均可匹配網絡特征靈活設置觸發條件，多種節能技術之間即可單獨應用也可疊加部署。面向5G-A，通過對無線網絡節能技術進行優化和升級以更好地滿足綠色網絡的發展和運營需求。