中國移動：5G基站節能技術白皮書（18頁）.pdf

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1、研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 1 5G 基站節能技術白皮書 5G 基站節能技術白皮書 （2020 年） （2020 年） 研究院 研究院 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 2 前前 言言 5G 小區帶寬是 4G 的 5 倍以上，且室外主要使用復雜度較高的 64/32 通道 Massive MIMO 設備， 導致 5G 基站功耗極高。 數據顯示， 2019 年初 5G 基站功耗約為 4G 基站的 34 倍，高功耗是運營商大規 模部署 5G 的棘手問題。 過去一年多， 引導產業界持續開展降低功耗關鍵技術的 研究，提出了“三技術領域、三階段部署”的綜合解決思路。其

2、中， “三技術領域”是指設備級節能、站點級節能、網絡級節能三大技術 領域； “三階段部署”是基于技術成熟的先后順序，分先單站硬件、 再單站軟件、最終網絡協同三個部署階段。2020 年初，第一階段的 “單站硬件節能方案”已基本成熟，目前已在二期網絡設備中規模應 用，基站功耗值已大幅降低，但與 4G 相比仍偏高。因此，降低 5G 基 站功耗仍將是近兩三年的重點攻關工作。 為了更好的落實公司“降本增效”戰略，制定了 5G 基 站節能技術白皮書，從 5G 基站節能的需求、目標出發，聚焦于設備 級、站點級、網絡級節能三大技術領域，提出相應的技術需求和應用 場景建議，以及 5G 基站節能技術的總體路標要求

3、，以降低 基站功耗，實現更加綠色、高效、可持續發展的 5G 網絡，滿足 5G 發 展及網絡運營要求。 其中，設備級節能重點闡述了整機能耗分布、節能對芯片能力、 工藝、集成度的要求；站點級節能技術描述了亞幀關斷、通道關斷、 深度休眠等基礎型節能技術和微站關斷、下行功率控制、載波關斷功 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 3 能等增強型節能技術的要求； 網絡級節能描述了多網協作節能技術和 多網協作硬件架構技術要求等；技術路標章節給出了未來 3 年，中國 移動在上述技術領域的需求和目標。 本白皮書起草單位：研究院 本白皮書主要起草人：劉建華，邊森，黃慶，張瑞艷，王希棟， 徐婧文 本

4、白皮書審核單位：總部計劃建設部 本白皮書主要審核人：畢成，張晟 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 1 目 錄 1. 5G 基站節能概述 2 1.1 5G 基站節能需求 2 1.2 5G 基站節能目標 2 2. 5G 基站節能技術和應用場景 3 2.1 設備級節能技術 3 2.1.1 基站能耗分布 3 2.1.2 基站能耗降低需求 4 2.2 站點級節能技術 5 2.2.1 基礎型節能技術 5 2.2.2 增強型節能技術 7 2.3 網絡級節能技術 8 2.3.1 多網協作節能技術 8 2.3.2 多網協作硬件架構 9 3. 5G 基站節能技術總體路標 11 4. 總結與展望

5、 13 縮略語列表 14 參考文獻 15 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 2 1. 5G 基站節能概述1. 5G 基站節能概述 1.11.1 5G 基站節能需求 5G 基站節能需求 2019 年以來， 通過引入新架構、 新材料以及提出新的共存指標， 5G 基站功耗值已大幅降低，但與 4G 相比仍偏高，建議通過進一步提 升基站芯片能力、工藝和集成度，擴大節電關鍵功能以及網絡級節能 方案的規模應用，力爭功耗平均每年可降低 10%以上（近三年內） 。 1.21.2 5G 基站節能目標 5G 基站節能目標 基于以上節能需求，設備級、站點級和網絡級節能目標如下： 設備級節能：設備級

6、節能：實現更高效率的新架構、新材料、新功能。擴大 液體散熱、高功放效率、高集成度器件的應用，實現整機功耗 的逐年降低； 站點級節能：站點級節能：實現能耗采集、亞幀關斷、通道關斷、深度休眠 的 5G 商用部署，并探索設備關斷等增強性節能技術的性能及 應用場景，推動網絡智能節能，充分挖掘節能潛力； 網絡級節能：網絡級節能： 開展多網絡協作節能系統建設， 實現商用網絡規 模部署；在 C-RAN 集中部署的條件下，通過 BBU 基帶資源池 共享，節省硬件板卡配置，實現節能效果。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 3 2. 5G 基站節能技術和應用場景 2. 5G 基站節能技術和應用

7、場景 5G 節能總體技術體系包括設備級、站點級和網絡級節 能。其中，設備級重點從器件、硬件設計開展硬件節能方案研究；站 點級主要從亞幀、 通道關斷及深度休眠等方面開展軟件節能方案研究； 網絡級節能重點從多網協調角度，開展智能節能方案研究。 圖 1：節能技術體系示意圖 2.12.1 設備級節能技術 設備級節能技術 2.1.12.1.1 基站能耗分布基站能耗分布 5G 產品功耗高是由多因素累加導致的，具體包括：1）收發通道 數從原來的 8 通道變為 64/32 通道；2）帶寬從原來的幾十兆變為 160/200 兆；3）流量從傳統的 2 流變為 16 流；4）發射功率從 100 多 瓦變為 240/

8、320 瓦。 以上因素共同導致 5G 基站額定滿載功耗約 4G 的 34 倍。 基站功耗可以分為 AAU 和 BBU 兩大部分，AAU 的功耗約占整機功 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 4 耗的 90%，是基站功耗的主要組成部分。AAU 功耗按照功能模塊可分 為功放、小信號、數字中頻和電源功耗。 功耗隨著業務負載的變化而變化， 各功能模塊的功耗比例也隨之 發生變化。在滿載條件下，功放的功耗占比最高，平均約 58%；在空 載條件下，數字中頻部分的功耗占比最高，平均約 46%。因此，在設 備級節能技術領域，不僅要提升功放效率，降低功放功耗，在 5G 初 期負載較低的情況下，

9、更需要降低小信號和數字中頻模塊的基礎功耗。 圖 2：基站能耗分布圖 2.1.22.1.2 基站能耗降低需求基站能耗降低需求 基站設備中，能耗最高的是射頻功放，需進一步提升功放在整機 中的工作效率，以及在低負載下保持較高效率的能力，并增強 DPD 算 法的魯棒性，支持功放配置狀態實時調整狀態下線性工作。 數字器件的集成度和芯片處理能力也會大幅影響設備功耗， 其中， 數模轉換芯片集成度下一代產品需支持 8 通道， 數字中頻下一代產品 需支持 32 通道，基帶處理芯片需單顆支持 2 載波 NR 64 通道。在芯 片處理能力提升的同時， 數字中頻和基帶處理部分需要進一步優化算 法，降低處理復雜度，降低

10、功耗。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 5 2.22.2 站點級節能技術 站點級節能技術 2.2.12.2.1 基礎型節能技術基礎型節能技術 a) 能耗采集 5G 基站能夠采集 BBU 及 AAU 的功耗并通過 OMC-R 上報，測量精 度誤差控制在 5% 以內。 b) 亞幀關斷 基站檢測到部分下行亞幀（符號）無數據發送時，在此周期內關 閉功率放大器等射頻硬件，降低靜態功耗；功能生效時間顆粒度為微 秒級別。 圖 3：亞幀關斷技術方案示意圖 亞幀關斷主要適用于低負荷場景， 實驗室測試顯示整機功耗可降 低 10%左右。目前已開展現網商用驗證。另外，4G/5G 共模場景，建 議

11、支持 4G/5G 聯合調度，實現更優的節能效果，并降低對時延敏感類 業務的影響。 c) 通道關斷 室外宏站通過關閉（或休眠）部分發射射頻通道，以達到降低功 耗的目的；關斷或開啟的時間顆粒度為秒級。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 6 圖 4：通道關斷技術方案示意圖 通道關斷功能主要用于部署了 64 通道、32 通道宏基站的區域， 實驗室測試可節省約 15%的能耗。 目前已開展現網商用驗證。 當前通 道關斷為網管靜態配置，建議支持基于用戶覆蓋和容量的需求，動態 實現最佳的通道關閉策略。 d) 深度休眠 基站關閉 AAU 功放、絕大部分射頻以及數字通路，僅保留最基 本的數字接

12、口電路，使 AAU 進入深度休眠狀態以達到降低功耗的目 的。 圖 5：深度休眠技術方案示意圖 深度休眠適用于 5G 負荷不高的場景或者時段，該功能基本不影 響用戶體驗，AAU 啟動深度休眠為秒級，從深度休眠狀態恢復時間 約 510 分鐘，當宏站及其覆蓋范圍內的微站承載的業務量均降低到 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 7 一定閾值時，還可將微站進行深度休眠，由宏基站承載全部業務量， 以節省能耗。目前已開展現網商用驗證。當前深度休眠采用網管靜態 配置生效時間段， 建議支持基于網絡狀態自適應啟動/關閉該功能， 并 將 AAU 從深度休眠狀態恢復時間進一步控制在 5 分鐘以內。

13、2.2.22.2.2 增強型節能技術增強型節能技術 載波關斷載波關斷：在多層頻點小區同覆蓋場景下，當小區負荷低，可考 慮關閉其中一個載波， 降低功耗。 2020 年將推動產業實現并開展現網 驗證。 圖 7：載波關斷示意圖 4G/5G 共?；緟f作關斷：共?；緟f作關斷：在 4G 和 5G 網絡重疊覆蓋區域下， 引入 5G 與 4G 共?；緟f作關斷功能， 根據業務量高低智能關斷 5G 載波，實現節能效果。2020 年將推動產業實現并開展現網驗證。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 8 圖 8：4/5G 共?；緟f作關斷示意圖 下行功率優化下行功率優化：5G 支持基站下行基于

14、用戶級調整發射功率，在 保證用戶感知不下降的前提下， 減小基站對部分用戶的下行發射功率， 實現節能效果。2020 年將推動產業實現并開展現網驗證。 智能節能：智能節能：將 5G 節能與人工智能相結合，引入智能業務預測算 法，提高針對每個小區、不同時間點的預測準確度，從而精細化制定 相應的節能策略， 形成“節能智能大腦”， 做到“一站一策、 一時一策”， 在保證用戶體驗的前提下充分挖掘節能潛力。2020 年推動產業實現 并開展現網驗證。 設備關斷：設備關斷：在深度休眠基礎上，通過優化網管告警流程和遠程操 控，進一步下電關斷 AAU，實現零業務零功耗。該功能需要頻繁開 關設備，需提升設備可靠性。目

15、前已聯合部分主設備廠家開展相關技 術驗證，存在凝露等問題，后續需聯合產業界研究適用場景。 2.32.3 網絡級節能技術 網絡級節能技術 隨著 5G 網絡的部署，現網將出現 4G TDD/FDD、5G NR 長期共 存的現狀，同時 5G 網絡目前在 2.6Ghz 部署時存在大量的與 TD-LTE 共模的站點， 因此在現網中可通過應用網絡級節能技術實現進一步能 效提升。C-RAN 作為 5G 部署的重要方式，通過基帶集中，相比傳統 部署方式能夠有效降低機房功耗及相應成本。 2.3.12.3.1 多網協作節能技術多網協作節能技術 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 9 多網協作節能

16、技術利用現網的配置、性能統計等基礎數據，基于 內置的策略算法，在保證業務質量的前提下對小區進行關斷，以實現 降低現網能耗的目標。 該技術應支持 TD-LTE 和 LTE FDD、 5G NR 等 多種網絡制式下的典型基站設備，適用于單網或多網共存場景，可根 據網絡環境的不同通過在網管段進行數據采集和大數據處理自動識 別多頻多模網絡狀態下覆蓋小區及容量小區， 進行適時小區關斷和喚 醒，需網管系統支持批量指令下發。 節能 小區 補償 小區 補償 小區 節能 小區 節能前節能后 圖 9：多網協作系統節能原理示意圖 該技術可以基于特征聚類和神經網絡算法對 5G 設備級節能功能 進行參數優化， 實現設備

17、級節能功能效果最大化， 可應用于 4G/5G 有 較多重疊覆蓋的網絡場景。 目前研究院以完成相關 4G 系統 （MCES） 的開發，現網測試結果顯示，4G 網絡每萬小區年節電超過 40 萬度， 5G 網絡接入后總體節電效果將更明顯。2020 年計劃在現網進一步開 展 MCES 的 5G 升級版本 iGREEN 的研發及測試驗證。 2.3.22.3.2 多網協作硬件架構多網協作硬件架構 C-RAN 是研究院于 2009 年提出的新型無線接入網架 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 10 構，通過機房集中，僅在遠端保留射頻和天線的方式，減少基站的數 量及其配套設備（如空調、備電需

18、求） ，實現降低能耗的目標。 另外在 C-RAN 集中部署的條件下， 通過節省硬件實現功耗降低， 建議支持 BBU 基帶資源池共享，從而節省硬件板卡配置，據測算， C-RAN 將使得包括能耗在內的單站維護成本下降 17.1%-23.7%。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 11 3. 5G 基站節能技術總體路標 3. 5G 基站節能技術總體路標 未來 3 年，將大力推動節能技術的研究和應用，實現端 管協作的高效節能目標。5G 基站節能技術總體路標分為三階段，下 面將區分設備級、站點級和網絡級分別給出： 設備級方面，將持續與各領域合作，推動半導體材料、工藝、射 頻系統、 功放

19、等眾多關鍵技術發展， 推動設備硬件功耗持續降低。 2020 年推動基帶芯片支持 3 載波（64 通道） ，其中每載波下行最高 16 流& 上行最高 8 流，采用 7nm 工藝，GaN 功放應用比例為 80%，整機功 耗相對2019年降低18%； 2021年建議GaN功放應用比例提升至90%， 整機功耗相對 2020 年降低 10%；2022 年建議基帶芯片支持 5nm 工 藝，GaN 功放應用比例繼續提升至 90%，整機功耗相對 2021 年降低 8%。 站點級方面，2020 年建議實現亞幀關斷、通道關斷、深度休眠功 能的全面商用， 2021 年計劃引入增強型節能功能， 并明確節能技術關 鍵參

20、數配置建議、 自適應啟動/關閉功能， 實現智能的節能落地應用， 形成節能功能整體應用解決方案； 2022年將繼續探索新的節能功能。 網絡級方面，2020 年將開展多網協作節能系統開發，2021 年實 現樣機和規模試點，2022 年實現現網規模部署；通過 BBU 基帶資源 池共享，節省硬件板卡配置，實現功耗降低。 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 12 研究院 研究院 5G 基站節能技術白皮書（2020） 13 4. 總結與展望 4. 總結與展望 本白皮書從 5G 基站節能的需求、目標出發，聚焦于設備級、站 點級、網絡級節能三大技術領域，提出了相應的技術需求和應用場景 建議：

21、 設備級節能設備級節能：實現更高效率的新架構、新材料、新功能，擴大 液體散熱、高功放效率、高集成度器件等在產業的應用，實現整 機功耗的逐年降低，預計平均每年可降低 10%左右。 站點級節能：站點級節能：加快亞幀關斷、通道關斷、深度休眠等基礎型節 能技術方案的商用部署，加快設備關斷、智能節能等增強型節能 技術方案的性能及應用場景研究。 網絡級節能：網絡級節能：開展多網絡協同智能平臺建設，基于業務動態變 化特征， 對相關設備的功能、 模塊、 設備開關等進行自適應控制； 在 C-RAN 集中部署的條件下，通過 BBU 基帶資源池共享，節省硬 件板卡配置，實現功耗降低。 隨著 5G 商用網絡規模的增加

22、和 5G 網絡建設實踐的持 續探索和創新，5G 節能技術的探索必將進一步深入，希望 5G 是一張更加綠色、 更低成本、 更高性能的商用網絡， 更好的滿足 5G 發展和網絡運營需求。 研究院 14 縮略語列表 縮略語列表 縮略語 英文全名 中文解釋 C-RAN Centralize Radio Access Network 集中式無線接入網 BBU Baseband Unit 基帶單元 AAU Active Antenna Unit 有源天線單元 DPD Digital Pre-Distortion 數字預失真 OMC Operation and Maintenance Center 操作維護中

23、心 eMBB Enhanced Mobile Broadband 增強的移動寬帶 MIMO Multi-Input Multi-Output 多輸入多輸出 SA Standalone 獨立組網 NSA Non-Standalone 非獨立組網 GSMA Global System of Mobile communication Association 全球移動通信系統協會 MCG Master Cell Group 主小區組 SCG Secondary Cell Group 輔小區組 SRS Sounding Reference Signal 探測參考信號 CRS Common Reference Signal 公共參考信號 QoS Quality of Service 業務服務質量 CAPEX Capital Expenditure 資本性支出 OPEX Operating Expense 日常運營開支 研究院 15 參考文獻參考文獻? 1 5G+4G 無線技術白皮書，2019 2 2020 年 5G 節能技術手冊-無線網絡分冊，2020 研究院