4G/5G网络节能降耗技术白皮书

4G/5G网络节能降耗 技术白皮书 目录 025G时代，网络能耗带来新挑战 03无线移动网络节能降耗技术不断发展 06PowerPilot节能增效持续降低运营成本 06网络能耗匹配网络负荷/业务需求时达到能效最佳 07基础节能手段是网络节能立身之本 10基于负荷预测的AI节能，一站一策提升节能效率 14基于业务导航的AI节能，网间深度协同，提升整网能效 17结束语 18附录1缩略语 随着移动通信逐步迈入5G时代，新技术和新特性层出不穷，新业务和应用不断涌现。与4G网络相比，5G网络在传输速率、传输时延、连接规模等关键性指标上有了质的飞跃，从而可以支撑更加丰富的业务场景和应用，但与此同时也给移动运营商带来了CAPEX和OPEX不断攀升的挑战，尤其是能源消耗方面。 根据GSMA的预测，在当前运营场景上升级支持5G网络至少需要增加140%以上的能源消耗。根据通讯网络及使用终端的发展，在较长一段时间内，5G网络将与存量的2G/3G/4G网络并存，能耗的只增不减将会是运营商大规模部署5G网络不得不面临的棘手问题。 ICT行业对全球温室气体排放的直接影响占比约4%，其中移动通信网络的影响占比10%以上、如果移动通信网络能采取有效的节能减排措施，降低碳排，将会成为全球节能降耗的有力助推力： 如何降低通讯网络能耗不仅是运营商和设备商共同关注的重点，也是维护地球可持续发展的共同责任。 1 5G时代，网络能耗带来新挑战 5G网络的部署正在全球各地如火如荼的展开。为了支撑eMBB、mMTC、URLLC三种5G典型业务场景并保证良好的网络性能，诸如MassiveMIMO、灵活空口等复杂性较高的新技术在5G中被引入，用以满足峰值速率、频谱效率、低时延、高可靠性、连接密度等更苛刻的技术指标，同步也带来了5G能耗的大幅增长。 在缺乏5G杀手应用的情况下，仅依靠当前的应用无法带来数据业务需求的大幅提升，难以实现5G收入的快速增长；而行业应用还处于培育和探索阶段，短期同样难以带来规模应用和收入。5G网络能耗增加带来的运营成本增加已成为运营商面临的棘手问题。 除了运营成本压力外，降低网络能耗和碳排放，更是移动运营商关注的一种社会责任与承诺。2020年伊始，ITU发布1470号建议书《ICT行业根据联合国气候变化框架公约<巴黎协定>采用的温室气体排放轨迹》，提议移动运营商2020年至2030年降低45%碳排。 图1ICT行业碳排轨迹及运营商碳排轨迹 据研究估计，全球ICT能耗每年约以9%的速度增长。面向5G时代，基于设备器件到站点再到网络层的全面高效协同的节能方案将成为未来的必然趋势。 无线移动网络 节能降耗技术不断发展 电信运营商及设备商自2G时代起就不断研究网络节能手段，启动节能减排计划，应对气候及能耗的挑战，在过去的10年间，取得了很大的进步，技术与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了高达50％以上的能源节约。 在通信网络中，基站的数量远远大于其 他设备的数量，且随着覆盖范围和容量的增大，网络演进带来的复杂度的上升，多家移动运营商的无线站点能源消耗为70%以上，部分网络甚至可高达80%。通讯网络的节能首先是站点的节能。 受环境、话务场景、机房布局等多种因素影响，每个站点内的各部分能耗占 比会有所不同。根据相关文献统计：对于宏站，制冷能耗约占站点总能耗的20%-40%，供配电能耗占比5%- 20%，通信主设备能耗占比50%以上。降低通信主设备能耗是站点降耗的重中之重。主设备节能的主要手段包括：硬件设备能耗降低和无线软件节能两方面。 2013年 ·LTE系统支持符号关断、通道关断、载波关断 ·MCPA功放效率不断提升 2019年 ·5G系统支持符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠 ·AI技术应用于4G节能 2000年 ·单密度载波 ·单机柜可满足GSMS333需求 ·能耗>3000w/机柜 2006年 ·双密度载波 ·单机柜可满足GSMS666需求 ·能耗约2500w/机柜 2008年 ·单密度载波 ·单机柜可满足GSMS333需求 ·能耗>3000w/机柜 图2通信业界网络节能技术发展 硬件设备降耗 随着产业链的不断发展与成熟，芯片技术的不断提高，通过不断优化电路设计、硬件实现算法，当前通信设备能耗基本处于通信业史上较低水平。 在业界主流BBU+RRU/AAU架构下，假设以单频三扇为例进行通信主设备能耗占比计算，射频单元可占据站点75% 以上的能耗，随频谱资源的增加和扇区数的增加，其能耗占比甚至可达90%以上。降低射频单元能耗是硬件设备降耗的关键。 分析5GAAU组成主要可分为电源功耗、基带/数字中频、小信号与功放，其功耗随着业务负荷的变化而变化，各 功能模块能耗占比也随之发生变化。当前运营网络中常规AAU在满载条件下，功放能耗占比最高，可达60%或以上；在空载条件下，基带/数字中频部分的能耗占比最高，平均可达40%或以上。因此要降低5GAAU的能耗需要做到提升功放效率，同时降低基带/数字中频的基础能耗。 5% 电源 16% 小信号 100% 话务负荷 58% 功放 21% 中频 5% 电源 25% 小信号 30% 话务负荷 35% 功放 34% 中频 5% 电源 15% 功放 34% 小信号 0% 话务负荷 46% 中频 图3AAU功耗占比 中兴通讯通过自研高集成度、高性能基带处理、数字中频处理芯片，配合使用高集成度收发信机，不断优化电路设计和DPD处理，有效提升功放效率，全面降低5GAAU设备整机能耗，力争无论空载还是满载情况下，均达到能耗最优。 无线软件节能 能效提升的另一个方面是减少浪费。移动网络话务量在闲时和忙时极不平均，如何解决网络闲时功耗下降也是关键点。无线软件节能技术负责实现此功能，即：依据话务负荷的高低,配置相应的设备资源，其余暂时不用的资源关闭。 当前国内外运营商都对网络节能软件技术提出了明确的需求，虽未对节能实现层面做详细的规定，但软件节能已作为运营网络的必选功能。 功能类别 子功能 中国移动 中国电信 中国联通 Vodafone DeutschTelekom Orange Softbank BBU/RRU/AAU PA 15 AI 图4国内外运营商对节能技术的要求 中兴通讯提出PowerPilot节能解决方案实现软件技术节能。利用其自2G时代起积累的节能技术经验，辅以AI和大数据，灵活选择基于负荷预测的多频多制式协同节能和基于业务导航的多频多制式协同节能。在保证用户体验和网络性能的前提下，预测网络负荷，评估业务需求，让网络需求匹配网络能耗，实现整网能效比最佳，每比特能耗最低。 PowerPilot节能增效 持续降低网络运营成本 网络能耗匹配网络负荷/业务需求时达到能效最佳 话务量 网络容量 现网话务波动范围 5G部署Now 时间 网络能耗 5G部署Now 时间 网络能效 网络能效波动范围 5G部署Now 时间 从长期发展来看，话务负荷的增长是平滑的，渐进式的，而网络设备能耗的增长则是阶梯的，跃进式的。超前的网络建设必然对网络能效产生负面影响，使能效曲线不完全伴随硬件技术和空口无线技术的发展而单调上升，而是呈现出一种在波动中缓慢上升的趋势。 尤其是在新一代无线制式开始部署时，大量新频谱和新技术引入无线网络，大幅提升了网络容量和网络能耗。而话务负荷总是需要伴随终端升级和应用演进而缓慢提升。导致新制式部署初期，反而是整体无线网络能效表现最差的时候。 图5话务负荷/网络能耗/网络能效的长期发展趋势 可见，提升网络能效的主要手段，除了改进空口无线技术，优化设备硬件能效，还应该重点研究如何更好的完成话务负荷和网络容量之间的匹配，这也是PowerPilot方案的主要技术路线。 2008 2019 2020 自2G时代起系统 支持基本节能功能 引入AI与大数据，节能 功能部署执行智能化 引入业务导航 PowerPilot方案系统化 基础节能功能 基于负荷预测的AI节能 基于业务导航的AI节能 利用多频多制式网络能效剪刀差深化能效协同 ，引入业务导航模块，进行基于能效的主动迁移实现精细化AI节能，进一步降低网络能耗 基于AI和大数据预测网络负载，启动网间互操作，轻载网络自适应启动节能功能，网间根据负荷状态进行业务互操作，实现网间节能 ·设备级深度休眠 ·载波级关断 ·通道级关断 ·符号级关断 图6PowerPilot方案架构与演进 基于话务负荷调整网络容量基于网络容量调整用户分布 通过关闭部分无线能力，降低网络冗余容量，网络能耗匹配分布在网络中的话务负荷；这同样也是无线软件节能技术的核心技术点。 通过调整用户分布，将话务负荷从源频层集中到目标频层，这时只要源频层可以因为话务负荷降低，关闭更多的无线能力，降低网络能耗，同时目标频层可以保持网络能耗不变，就可以实现整体的能耗降低，能效提升。 基础节能手段是网络节能立身之本 由于人类活动的规律性，针对同一片区域而言，通信网络负荷会随着时间呈规律性变化，话务量的分布在闲时和忙时其实并不平均，如何解决网络闲时功耗下降是基础节能解决的关键点，也是站点节能的立身之本。 基站侧的节能算法负责实现这个功能，即：在话务需求量低，用户数少的情况下，不需要所有基站都工作，可以对部分不使用的资源进行关断，以达到节能降耗的目的。综合全球运营商的需求，比较常见的基础节能功能包含符号/时隙关断、通道关断、载波关断和设备深度休眠。 符号/时隙关断 LTE/NB-IoT/NR系统在实际通信过程中，基站不是任何时候都处于最大流量的状态，所以对于子帧（SubFrame）中的符号（Symbol）来说不是时时刻刻都填满了有效信息。开启符号（时隙）关断功能后，可根据负荷繁忙程度，通过业务数据量预测，AAU/RRU自检测在无有效信息传输的符号时间关闭功放，或者将少量的用户数据调度集中在几个时隙传输，在剩余无用户数据的时隙上进行功放关闭，使得在更大的时间范围内可以获得符号关断的节能收益，降低实时能耗。 SSBurstCSI-RS Blank 话务低负荷 图7符号/时隙关断示意图 通道关断 通道关断是指当某小区负荷很轻时，允许关闭本小区的部分发射通道，以节省能耗。为了保证控制信道覆盖和业务不受影响，系统会自动调整小区用户的传输模式并提升控制信道的发射功率。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。通道关断/开启均需要判断相应小区的PRB利用率、RRC连接用户数、语音用户数等负荷状态。 话务高负荷话务低负荷 图8通道关断示意图 话务高负荷话务低负荷 BBU 天线阵列 电源 滤波器 电源模块 I处理单元 小信号处理模块 收发信机模块 数字中频模块 基带处理模块 eCPRI 图9载波关断示意图 图10深度休眠示意图 载波关断深度休眠 当网络有多频多制式小区同覆盖时，当小区负荷低的情况下，可以考虑关闭其中一个或者多个载波，降低站点能耗。 载波关断可以分为制式内载波关断（LTE制式内或者NR制式内）和制式间载波关断（4G/5G协同载波关断）。将其中一层作为覆盖层，另一层作为容量层，在小区负荷低的情况下，关断容量层，保留覆盖层。 基站关闭AAU功放等大部分射频及数字通路，仅保留AAU上最基本的电源模块和eCPRI接口处理模块，使AAU进入深度休眠状态以达到节能最大化的目的。深度休眠功能适用于5G低负荷场景或者时段，在AAU进入深度休眠前会进行相应的用户迁移以保证用户体验不受影响，其恢复时间约5-10分钟，属于慢恢复功能。 在宏微组网的场景下，同样可以对微站进行深度休眠，尤其针对Qcell室内覆盖场景，每个pRRU均可以分别独立控制，在低负荷时段进行pRRU深度休眠。 基础节能功能已是当前通信网络中必备功能，是基站节能的基础手段也是根基所在。中兴通讯多年来致力于节能基础技术的研发，并取得了丰硕的成果。自2008年以来，基础节能功能已在全球2