摘要：对比已商业化的4G网络，5G需要提供更多的宽带和通道数来达到ITU提出的性能要求，而这也造成了5G功耗的明显上升。基站节电技术是利用在距离和领域上关闭相应的发射来源以达到基站功率的有效减少，以防止节电技术对网络覆盖和使用体验的干扰，在系统运行过程中必须寻求节电效率与上网效能之间的互相协调。本章首次介绍了5G基站能耗的基本组成和5G基站节能技术，再分析了基于AI算法的5G基站节能系统的原理、现状和存在的问题。

关键词：5G；基站节能；AI算法

一、引言

截止2020年年底，全世界已经有五十七个国家和区域已商用了142个5G网络，世界各地的5G终端接入量已经超过了2.3亿次。而我国在2020年已建设了将近72万个5G基站，基本完成了对全国主要地区的连续覆盖。而5G基站的建设也进展得很快，运营商的5G基站功耗正极速上升。中国国内的5G主设备耗电量均在四千瓦以下，仅5G基站一个全年就将消耗约一百五十一亿人民币电力。移动通讯网络用户增长和高能耗问题间的冲突正逐渐加深，节能降耗已变成影响未来中国移动通讯业务可持续发展的企业长期生存的主要问题，持续减少电信网络建设成本中的电力成本，已变成决定运营商业务能力的关键。经计算，目前浙江移动5G在低流量小区时段中占比百分之六十以上，3万户以上的逻辑站潮汐优势突出，无线网络可统筹调配的能力来源充足。因此关注于5G基站节电研究，积极寻求节电对策，在保证客户体验、网络效率等情况下，寻求最大的节电减费有着巨大的市场蓝海。基于以上背景，本文首先从基站能耗构成的角度，分析了耗能大户有源天线单元（Active Antenna Unit， AAU）和室内基带处理单元（Building Base band Unit， BBU）。随后介绍了5G基站节能技术，并分析了基于AI算法的5G基站节能系统的原理、现状和存在的问题。

二、5G基站单站能耗模型

5G基站由AAU和BBU组成。AAU在结构上整合了4G基站的RRU和天线二个组成部分，主要完成基站的数字中频处理、信号功率放大和发送。5G基站的BBU则和4G差不多，主要是完成信号基带处理。某运营商对大量5G基站在不同负荷下的实际功耗进行了测算，从测试数据可以看到，随着负荷的增加，BBU功耗变化不大，而AAU功耗则上升较快。AAU功耗在整站功耗中的占比在90%左右。

（1）AAU能耗模型

在5G中，AAU集成了一个天线阵列，需要支持的通道数从4G的4/8通道大幅增加到了32/64通道，支持的带宽也由4G的20 Mb/s增加到100 Mb/s，同时AAU还集成了部分基带处理功能，以上因素共同导致了5G AAU设备功耗大幅增加，达到4G RRU的3～4倍。AAU器件中耗能的功能模块， 主要包括：小功率信号放大器、数据基带模块（包含数字中间频率、基带模块）、小信号模块、电源控制模块。AAU的效率随着负载的不同而发生变化，这几个关键功能模块的功率分配和使用都随负载变化。

（2）BBU内部模块与功耗占比

BBU主要负责实现基带业务，在上行方向接受由AAU发送出去的天线信息，完成双极化天线信息的解调、成帧，之后再通过NG接口将业务信息和控制传输给5GC。而对于下游方面，BBU则通过NG接口收到来自5GC的业务信息和控制数据，完成解帧、基带信息的调制，之后再通过eCPRI接口将反射天线信息传输给AAU。

BBU功耗与基站负荷无关，也就是说，当BBU配置的基带板数量一定时，BBU功耗基本稳定。下面以下挂两个5G 64TR 100 Mb/s S111基站的BBU为例，此时BBU配置两块5G基带处理板，其他耗电模块包括主控板、电源/监控板、风扇单元。基带板是BBU的主要能耗单元，功耗占到BBU功耗的80%以上。

（2）小结

从以上的分析可知，5G基站设备能耗中占比较大的器件主要有功率放大器、数字中频模块、小信号模块和基带板，在满载情况下，这部分器件的功耗可以占到基站设备整体功耗的90%左右。基站节能技术的研究主要聚焦于对以上部件的改进，从研究方向上主要分为硬件改进和软件算法改进。硬件改进主要利用目前最新的硬件制造工艺，如更高制程的芯片工艺，采用高集成度ASIC芯片代替FPGA芯片，用小型化氮化镓（GaN）功率放大器代替LDMOS功率放大器等。而软件算法改进则是利用软件控制使基站射频、中频、基带器件在基站、通道或载波空闲时临时关闭或休眠，从而实现降低能耗的目的。

三、5G基站节能技术及基于AI算法的5G基站节能技术。

（1）5G基站基础节能技术

当前主流的5G基站节能技术可分成硬件和软件两类，硬件节能技术主要有：高制程芯片工艺、高集成度ASIC芯片、氮化镓功放GaN；软件节能技术方面，无线业务存在明显的潮汐效应，在凌晨等空闲时段，基站的实际负荷很低。根据这一特点，我们可以通过定制软件算法，使5G基站在空闲时可以自动关闭部分硬件资源实现降低功耗的目的。根据关闭的资源种类不同，可以分为符号关断、通道关断、载波关断和深度休眠等多种软件节能技术。

越高制程的芯片生产工艺代表在相同的体积的硅片上能集成更多的晶体管，同时也带来功耗的降低。目前业界主流5G设备厂商均已推出7 nm制程的基站芯片。2020年6月6日，中兴虚拟性产品的首席科学家屠嘉顺率先对外发布了芯片方面的最新进展，中兴目前已推出了基于7 nm技术三点零版的多模基带芯片和数字中间频率芯片，这种产品将能够实现比上世代产品达到四倍的算力增强，以及达到百分之三十的AAU功率的降低，同时他还认为，在2021年推出的基于五奈米的芯片将会提供更高的性能，以及更少的功率。

在5G初期，为加速开发速度，几乎每个基站厂商都采用了FPGA芯片。FPGA是一种半定制芯片，它的最大特点是开发周期短、使用灵活、可以随时更改设计，但为了实现通用性，FPGA芯片需要配置大量冗余单元。随着5G基站设计逐步稳定和产量提升，采用专用的ASIC芯片替代FPGA将是更为经济的选择。相比FPGA，ASIC芯片具有更高的集成度，可以根据特定的功能需求进行设计，因此可以实现更高的工作频率和更低的功耗，在相同规格下，ASIC芯片功耗可以比FPGA芯片降低30%以上。

对于多载波基站，一般可以将载波分为基础覆盖层载波和容量层载波，基础覆盖层载波一般选择频率较低，覆盖效果较好的频段。比如，目前电信5G网络中，在双频覆盖区域，2.1 GHz频段作为基础覆盖层载波，3.5 GHz频段为容量层载波。移动5G网络在引入 700 MHz频段后，大概率会将700 MHz频段作为基础覆盖层载波，2.6 GHz频段为容量层载波。针对双载波5G基站，载波关断的思路是：当基站整体负荷低于某一门限时，基站将容量层载波承载的用户迁移到基础覆盖层载波，并关闭容量层载波，从而达到节能的目的。

载波关断的前提是两个载波间有基本相同的覆盖区域。载波关断后，由于基础覆盖层载波所能提供的带宽有限，因此对高速业务有一定的影响。对于4G/5G共模的基站，如果4G/5G小区覆盖区域大致相同，还可以利用4G小区作为基础覆盖层，当 5G小区负荷很低时，将5G用户迁移到4G小区并关断 5G小区。当业务量增加到某一门限时，再次打开5G小区并将5G用户迁回。这种4G/5G协同的载波关断方法可以进一步降低5G基站功耗，但对用户体验有较大影响，应慎重使用。

如高铁、商业、政府办公楼、体育场、国际会展中心等的特定地方，在夜间往往保持零工作状态，此时可以通过切断5G或AAU的部分有源器件的电源，基站进入休眠状态，以此达到减少AAU空载时间的目的。进入休眠的AAU并非全部关闭，仍会定期与核心网进行信令交互，维持最低的功耗值，但是不提供业务。当后台网管系统检测到周边用户开始增多时，可以随时唤醒AAU，恢复正常工作。实际结果表明，5G二期中主力AAU的深入休眠降耗达到了百分之八十以上，符号关断叠加深入休眠之后全天均可达到降耗百分之三十以上，并在节能期内网络各项性能良好稳定。

（2）AI技术发展及其在5G基站上的应用

5G基站软件节能的本质是在低业务时段释放出部分空闲资源，从而降低基站能耗。但是，节能往往伴随着网络性能的下降，比如通道关闭、载波关闭、深度休眠等节能技术可能会造成用户峰值速率的下降，用户接入时延变长、通信质量变差等不良影响。基站节能比越高，网络性能下降越大，因此，我们需要找到基站节能效果和网络性能的平衡点，在可接受的网络性能下降程度范围内获取最佳的节能性能。

节电的开启方式通常依据单一的模型或人工预先设置好的门限，模式或门限通常基于经验值设置，只区分了少量的场景类型，参数偏保守，因此节电成效有限，也无法很好地满足如今复杂多变的环境，也无法处理在各种环境下对各公用移动通讯基站节电策略的自主选择性问题，也无法在使用感受与节电成效之间取得平衡。利用AI技术，通过历史数据学习构建模型，同时引入实时数据不断训练修正模型，进而能够在当前环境下进行节能场景的识别、负荷的智能预测、节能策略的智能推荐，在保证用户体验的条件下，基站能达到智慧节能的效果[3]。

四、5G基站节能技术应用现状

在2021年10月14日闭幕的2021世界移动宽带论坛上，华为公司就推出了Green Site和PowerStar2.0两大新解决方案，大大提高了上网效率，有效减少上网能耗，并助力运营商建设了绿色低碳5G网络。Green Site解决策略通过引进高集成射频技术硬件、站点室外化去空调以及整站协同软硬件的融合与创新，实现了效率二十倍提高。而PowerStar2.0智慧节电解决策略在1.0的基础上，进一步达到毫秒量级的节能关断控制颗粒度，并引入了基站与互联网的双智能化，通过正交保护协议，在典型网络配置下，进一步减少了上网功率的百分之二十五以上。

中兴通讯集团于2020年推出了《PowerPilot 4G/5G上网节能科技白皮书》，在自身负载预估及AI节电科技的基石上首次提出了行业引导AI节能技术，在保证应用体验的前提下，通过实时识别行业、大数据分析及服务效率，并主动将服务引导至最合适的网络层进行调节负载，以确保每比特数据功耗最小化，整网能效比最高，节能效率翻倍。目前，中兴通讯的PowerPilot技术已在天津、徐州等全国多个城市使用，并取得良好的效果。

传统的节能决策大多通过阈值判断，而不能进行统一集中的信息融合智能判断。但随着AI技术应用的出现，可以借助AI的决策选择，达到与最佳节能战略的匹配。不过，当前的5G基站的节电方法主要面向于5G应用市场，即满足了绝大多数的5G手机用户要求后，仍面临着以下问题：（1）工业生产（或重要保障行业）可能在某一时期数据流速较低导致AI决策失败，5G终端用户容易被误伤，导致5G终端不能连接5G网络系统；（2）非固定路段的无规则5G业务用户使用情况，如救援车、消防车等偶发性非稳定道路运行，可能发生5G基站关停造成服务停顿；（3）有限时间的5G基站通过深度休眠不能满足服务迅速回复的响应要求，因此急需更为智慧且灵活的节电方法，以获得更迅速的基站服务恢复功能。

五、结语

5G基站的节电是一项长时间的系统性工作，因此必须软硬件协调配套，并持续开展创新，通过新结构、新工艺、材料、新方法、新设计，逐渐减少基站设备的基础耗电量。同样，将人工智能技术融入到通讯网络系统经营运维管理的各个环节，以达到4G/5G网络系统的智慧协作，网络资源调配的不断优化，以及应用体验的持续提升。而依托AI的5G基站节能技术创新与发展将高效地减少运营商OPEX降低成本，增强运营商业务市场与可持续发展能力。

参考文献

[1] 吕婷，张猛，曹亘，等．5G基站节能技术研究[J]．邮电设计技术，2020（5）：46-50.

[2] 张志荣，许晓航，朱雪田，等．基于AI的5G基站节能技术研究[J]．电子技术应用，2019，45（10）：1-4．

[3]黄俊，田森，张诗壮．5G-NR基站软节能技术[J]．中兴通讯技术， 2019（06）： 19-23.

[4] 华为发布Green Site及PowerStar2.0解决方案 助力打造绿色低碳 5G网络[EB/OL].运营商财经网．https：//www.163.com/dy/article/GMLR1LAE0511BBQE.html，2021-10-19/2021-10-25.

作者简介：周祥（1979-），男，汉族，湖北武汉人，本科毕业，高级工程师，研究方向：AI人工智能、5G行业应用