曾孜旻

（中國(guó)電信股份有限公司廣州越秀區(qū)分公司，廣東 廣州 510030）

0 引 言

5G發(fā)展速度不斷增快，在發(fā)展過(guò)程中需要消耗大量的能源資源。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)5G基站的節(jié)能，運(yùn)營(yíng)商就要提高對(duì)于該項(xiàng)工作的重視，充分結(jié)合現(xiàn)在的節(jié)能方案，對(duì)5G節(jié)能應(yīng)用的具體措施進(jìn)行全面的考察，從5G節(jié)能基站的現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)節(jié)能區(qū)域、層級(jí)、時(shí)間以及方式進(jìn)行合理選擇，制定出最佳的節(jié)能方案。

1 5G時(shí)代基站功耗

5G商業(yè)化呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的趨勢(shì)，越來(lái)越多的5G基站被建立。5G網(wǎng)絡(luò)使人們能夠更加快速并且及時(shí)地獲取信息，但是在此過(guò)程中5G對(duì)于能量的損耗越來(lái)越多，運(yùn)營(yíng)商因此面臨著十分巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。通過(guò)研究調(diào)查可知，信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展過(guò)程之中，5G網(wǎng)絡(luò)耗能量是4G網(wǎng)絡(luò)的兩倍多。相比4G基站，5G單個(gè)基站的耗能增加了65%。到2021年5月，我國(guó)5G基站的總數(shù)多達(dá)96.1萬(wàn)個(gè)，占據(jù)全球的70%以上[1]。與此同時(shí)，5G基站的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)讓運(yùn)營(yíng)商面臨不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此。5G基站節(jié)能方案已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

2 現(xiàn)有的5G節(jié)能方案

目前5G節(jié)能技術(shù)方案可以按照設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)以及網(wǎng)絡(luò)級(jí)進(jìn)行劃分。設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)方案主要從基站應(yīng)用的設(shè)備、硬件、芯片材料以及新型能源等角度進(jìn)行節(jié)能；站點(diǎn)級(jí)節(jié)能方案主要從基站的特性功能（如功率、射頻等）方面進(jìn)行節(jié)能；網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能方案主要是借助多個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)共同節(jié)能。

2.1 5G設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)

設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)是對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)供電鏈中芯片、器件材料進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，采取更加科學(xué)的手段實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后，可保證節(jié)能效果更優(yōu)。單位面積下晶管密度與芯片的核心數(shù)以及頻率存在正相關(guān)關(guān)系，隨以上指標(biāo)增加，基站的性能也更優(yōu)。由于氮化鎵的寬禁帶較高，并且其電子遷移率較大、電子速度也比較快，因此這種新一代的半導(dǎo)體材料也被應(yīng)用到5G設(shè)備中。這種材料在大功率、高效率的微波功率放大器中，能夠得到有效的利用[2]。而且液冷散熱時(shí)，其液態(tài)冷卻介質(zhì)的比熱容較大，可以迅速帶走設(shè)備的熱量，實(shí)現(xiàn)快速降溫的目的。

2.2 5G站點(diǎn)級(jí)節(jié)能技術(shù)

站點(diǎn)級(jí)節(jié)能方案的推行要在不影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與用戶體驗(yàn)的情況下，合理控制基站射頻，例如關(guān)斷符號(hào)、通道、小區(qū)以及AAU深度休眠，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)5G基站的合理控制，實(shí)現(xiàn)減排的目的。其中，符號(hào)關(guān)斷就是基站對(duì)目前仍在使用5G網(wǎng)絡(luò)的用戶進(jìn)行觀察，并對(duì)其用網(wǎng)情況進(jìn)行合理評(píng)測(cè)，短暫控制未能實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)姆?hào)，對(duì)功率放大器等射頻硬件進(jìn)行合理關(guān)閉，減少5G基站的靜態(tài)耗能。通道關(guān)閉是指小區(qū)呈現(xiàn)出低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，基站工作人員將AAU使用通道數(shù)目從原來(lái)的68調(diào)控成48或16，借助這種方式進(jìn)行節(jié)能[3]。深度休眠是指在小區(qū)用戶不使用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將AAU中的數(shù)字中頻、功放等所有可以關(guān)閉的器件予以關(guān)閉，只將具有喚醒職能的數(shù)字電路接口保留下來(lái)，以此減少5G基站的耗能。2021年，包括中興和華為在內(nèi)的設(shè)備商開(kāi)展了多項(xiàng)5G節(jié)能試點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證，節(jié)能效果提升明顯。2021年7月，遼寧聯(lián)通同中興通訊在大連成功試點(diǎn)5G節(jié)能技術(shù)，其中具體驗(yàn)證的技術(shù)包括DTX關(guān)斷(時(shí)隙關(guān)斷、符號(hào)關(guān)斷)、通道關(guān)斷、深度休眠3大技術(shù)，同時(shí)根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景測(cè)試了多項(xiàng)節(jié)能組合策略。測(cè)試結(jié)果顯示，D關(guān)斷節(jié)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)降耗10%至20%，通道關(guān)斷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)降耗15%至25%，深度休眠使能期間可實(shí)現(xiàn)平均降耗60%至80%。華為則聯(lián)合上海移動(dòng)驗(yàn)證采用了其節(jié)能方案(PowerStar)后的5G單模與4G/5G雙模站點(diǎn)節(jié)能效果，現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)5G單模站點(diǎn)日均節(jié)能比例24.83%，4G/5G雙模站點(diǎn)日均節(jié)能比例12.26%。通道關(guān)閉時(shí)節(jié)能信息見(jiàn)表1，時(shí)隙關(guān)斷時(shí)節(jié)能信息見(jiàn)表2。

表1 通道關(guān)閉

表2 時(shí)隙關(guān)斷

2.3 5G網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)融合了多項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)，并且對(duì)其進(jìn)行合理的控制。按照網(wǎng)絡(luò)無(wú)線環(huán)境的區(qū)別，在網(wǎng)管側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方式，并且對(duì)小區(qū)關(guān)斷以及喚醒的狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)控。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)能協(xié)作系統(tǒng)中，主要包括數(shù)據(jù)采集、策略制定以及命令執(zhí)行3個(gè)模塊[4]。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并清洗存儲(chǔ)；策略模塊的主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，按照具體的算法對(duì)小區(qū)的節(jié)能場(chǎng)景和節(jié)能時(shí)間進(jìn)行識(shí)別，幫助工作人員制定合理的節(jié)能方案；命令執(zhí)行模塊則是發(fā)送具體指令以及執(zhí)行休眠或喚醒命令。

3 5G基站節(jié)能現(xiàn)狀

目前5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)收獲了十分良好的效果，利用新材料、新散熱工具、新工藝制程開(kāi)展設(shè)備級(jí)節(jié)能面臨著許多的困難，不僅新材料的工藝不夠成熟，而且散熱和封裝工作也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)商頻繁更換基站設(shè)備的欲望也比較低，因此在5G基站節(jié)能中應(yīng)用設(shè)備級(jí)節(jié)能方案是不現(xiàn)實(shí)的，其只能被應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)增補(bǔ)或新的網(wǎng)絡(luò)中。現(xiàn)階段，我國(guó)站點(diǎn)級(jí)5G基站的節(jié)能技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源的高效利用。站點(diǎn)級(jí)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)基站側(cè)的控制參與，并且可以智能化地在節(jié)能狀態(tài)與一般狀態(tài)中轉(zhuǎn)換，降低用戶不良體驗(yàn)感。在設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)與站點(diǎn)節(jié)能技術(shù)都無(wú)法真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)5G基站節(jié)能的背景下，運(yùn)營(yíng)商將網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)作為節(jié)能工作的中心[5]。在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，人工智能技術(shù)也在不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)可結(jié)合人工智能節(jié)能平臺(tái)進(jìn)行多制式、多頻段協(xié)作的動(dòng)態(tài)節(jié)能。

4 5G基站智能節(jié)能解決方法

4.1 智能節(jié)能思路

近年來(lái)，人們更加注重智能節(jié)能。結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能，需要對(duì)小區(qū)中需要節(jié)能的地方進(jìn)行合理評(píng)測(cè)，同時(shí)還要對(duì)能夠節(jié)能的層級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)測(cè)。除此之外，節(jié)能的時(shí)間段以及具體的節(jié)能方式也要被充分的考慮在其中。

4.2 節(jié)能區(qū)域識(shí)別

一般來(lái)說(shuō)，潮汐效應(yīng)會(huì)對(duì)節(jié)能區(qū)域識(shí)別產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)基站附近的場(chǎng)景變化時(shí)，就可以對(duì)其所處的場(chǎng)景進(jìn)行智能化判斷。借助網(wǎng)絡(luò)爬蟲，能夠了解POI物業(yè)點(diǎn)的邊界緯度、高度、面積以及場(chǎng)景分類等，并且與網(wǎng)絡(luò)MDT采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，這樣就可以充分掌握小區(qū)中POI物業(yè)點(diǎn)覆蓋的數(shù)量，還可以充分了解其中采樣點(diǎn)的占比情況，然后借助POI物業(yè)點(diǎn)的分類信息以及小區(qū)在每個(gè)采樣點(diǎn)的占比情況進(jìn)行分析，了解小區(qū)覆蓋場(chǎng)景情況[6]。具體操作方式如圖1所示。

圖1 節(jié)能區(qū)域識(shí)別流程

4.3 節(jié)能層級(jí)劃分

以電信運(yùn)營(yíng)商為例，隨著多年的不斷發(fā)展，電信運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)獲得了許多可以補(bǔ)充容量的頻段。4G網(wǎng)絡(luò)FDD的頻段為1.8G的上行1765～1785MHz、下行1860～1880 MHz以 及 2.1G 的 上 行 1920～1940 MHz、下行2110～2130 MHz；5G網(wǎng)絡(luò)TDD 的頻段為3400～3500 MHz[7-10]。對(duì)于高階制式來(lái)說(shuō)，可以用作容量層。小區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)荷不高時(shí)，制定小區(qū)關(guān)閉的順序，先將容量層關(guān)閉，然后再將基礎(chǔ)覆蓋層關(guān)閉。服務(wù)小區(qū)的關(guān)閉順序如圖2所示。

圖2 服務(wù)小區(qū)的關(guān)閉順序

4.4 節(jié)能時(shí)間識(shí)別

自回歸模型也被稱之為AR模型，具有比較常見(jiàn)并且應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，是一種平穩(wěn)時(shí)間序列模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)和處理。自回歸模型主要是根據(jù)一些隨機(jī)變量的線性組合，對(duì)隨機(jī)變量的線性回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。也就是說(shuō)，已知有N個(gè)數(shù)據(jù)，就能夠利用模型對(duì)第N點(diǎn)后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。但是自回歸模型是通過(guò)N點(diǎn)逐漸推算，差值則是根據(jù)幾個(gè)點(diǎn)或兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的推算。由此可見(jiàn)，自回歸模型的時(shí)間識(shí)別方法要比插值方式取得的效果更好。使用AR模型對(duì)小區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)荷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以有效得出小區(qū)的節(jié)能時(shí)間。

4.5 節(jié)能方式選擇

由于小區(qū)的負(fù)荷狀態(tài)存在一定的差異，因此小區(qū)的節(jié)能方式也存在著不同之處。針對(duì)沒(méi)有用戶使用5G網(wǎng)絡(luò)的情況，可以進(jìn)入深度休眠之中；極低負(fù)荷的情況下，可以利用小區(qū)關(guān)斷的方式進(jìn)行節(jié)能；輕度負(fù)荷狀態(tài)下，使用通道關(guān)斷的方式進(jìn)行節(jié)能；中度負(fù)荷下，則利用符號(hào)關(guān)斷進(jìn)行節(jié)能。在此背景下，運(yùn)營(yíng)商可以利用數(shù)量較少的站點(diǎn)級(jí)節(jié)能特性，采取智能調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能工作，然后精準(zhǔn)識(shí)別小區(qū)的場(chǎng)景并且進(jìn)行層級(jí)劃分與節(jié)能時(shí)間識(shí)別，利用智能開(kāi)關(guān)模型和場(chǎng)景策略模型獲得最優(yōu)的節(jié)能方案，并在5G基站中科學(xué)使用。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文對(duì)傳統(tǒng)基站節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入分析，指出目前運(yùn)營(yíng)商實(shí)施的節(jié)能策略及措施中存在的問(wèn)題，具體闡述5G基站智能節(jié)能的具體方案。結(jié)合POI物業(yè)點(diǎn)與MDT數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)能小區(qū)的場(chǎng)景進(jìn)行識(shí)別，合理劃分目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)，并運(yùn)用回歸算法對(duì)節(jié)能時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，借助智能化技術(shù)完成對(duì)5G基站節(jié)能的控制及智能化調(diào)控。