5G時(shí)代的到來改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活方式，但是5G基站AAU功耗大的問題不容忽視。目前華為、中興、愛立信等主流設(shè)備的AAU功耗比4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中RRU的功耗增加許多，極大地增加了運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。運(yùn)營(yíng)中的通信網(wǎng)絡(luò)資源由于承載業(yè)務(wù)的不均衡導(dǎo)致資源利用率不充分，甚至有的網(wǎng)絡(luò)資源處于空載狀態(tài)。
同時(shí)，在5G網(wǎng)絡(luò)中由于其AAU本身的特點(diǎn)，有的站點(diǎn)其垂直維度尤其是較高垂直維度的小區(qū)層資源很難被充分利用，導(dǎo)致了單小區(qū)部分資源處于利用率過低甚至空載的狀態(tài)。在目前整個(gè)社會(huì)都提倡將本增效的環(huán)境下，如何在降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗成本的同時(shí)，確保網(wǎng)絡(luò)資源高效運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)運(yùn)營(yíng)商的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。
本文從AAU天線通道關(guān)閉、網(wǎng)絡(luò)存在潮汐區(qū)域的節(jié)能方案、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力增強(qiáng)以及網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域的合理設(shè)置等4個(gè)方面來探討5G網(wǎng)絡(luò)如何更有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)能后能確保用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)良好，5G網(wǎng)絡(luò)資源利用率更充分。
5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案實(shí)施
5G基站AAU基于通道關(guān)閉的節(jié)能方案
AAU通道的關(guān)閉分兩種情況：通道完全關(guān)閉以及通道內(nèi)分時(shí)段關(guān)閉。
一是通道完全關(guān)閉。以5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中經(jīng)常用到64通道的AAU為例，5G網(wǎng)絡(luò)端可以監(jiān)測(cè)每一個(gè)通道的流量承載情況，如果流量低于特定的門限值，則開啟此通道流量全量遷移嘗試，嘗試將此通道原來承載的流量遷移到相鄰?fù)ǖ溃R近通道是否接收取決于自身通道的流量承載極限。同時(shí)AAU由于其波瓣具有自我恢復(fù)能力，因此通道關(guān)閉后對(duì)AAU覆蓋性能的影響可以忽略不計(jì)。
基于AAU通道完全關(guān)閉方案的流量遷移算法流程圖如圖1所示：將64通道的AAU中某個(gè)通道設(shè)為Tk，Tk通道承載的流量M，Tk-1通道承載的流量O，Tk+1通道承載的流量P；設(shè)Tk通道承載流量的最低門限值是L，最高門限值是H，其中L<H，若M<L則開啟Tk通道流量遷移嘗試；流量遷移優(yōu)先向相鄰?fù)ǖ乐谐休d流量較低的通道開啟嘗試。
圖1 AAU通道流量遷移算法流程圖
二是通道內(nèi)分時(shí)段關(guān)閉。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)的AAU檢測(cè)到部分應(yīng)該發(fā)送下行信號(hào)或者上行信號(hào)的時(shí)刻，而沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，則關(guān)閉PA，節(jié)省PA靜態(tài)功耗。一旦AAU檢測(cè)到有信號(hào)發(fā)送，PA立刻恢復(fù)為正常狀態(tài)。以下行信號(hào)發(fā)送為例，具體5G網(wǎng)絡(luò)AAU正常狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)對(duì)比如圖2所示。
圖2 5G網(wǎng)絡(luò)AAU正常狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)對(duì)比圖
潮汐區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案
所謂潮汐區(qū)域指的是不同時(shí)間段5G網(wǎng)絡(luò)的流量承載負(fù)荷不同，城市中的CBD區(qū)域以及商業(yè)街區(qū)潮汐現(xiàn)象相對(duì)明顯一些，這些區(qū)域存在的共同特點(diǎn)為白天人流量較大、網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)荷較大，夜晚人流量較小，網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)荷較小。
潮汐區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能主要聚焦于潮汐區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)時(shí)各個(gè)扇區(qū)的流量承載。網(wǎng)絡(luò)通過日常監(jiān)控5G基站各個(gè)扇區(qū)的流量承載情況，按照如下方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能，即如果出現(xiàn)扇區(qū)A承載的流量>扇區(qū)B承載的流量，且扇區(qū)B承載的流量完全可以遷移到扇區(qū)A，同時(shí)扇區(qū)A同意遷移，則開啟扇區(qū)B休眠模式，此時(shí)同步調(diào)整扇區(qū)A的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（如適當(dāng)抬升下傾角）確保B扇區(qū)的流量能夠全部足量地遷移駐留進(jìn)扇區(qū)A。另外，扇區(qū)A和扇區(qū)B的流量遷移基于相鄰5G基站中距離最近的兩個(gè)扇區(qū)間完成。
5G基站各個(gè)扇區(qū)流量遷移具體實(shí)現(xiàn)情況如圖3所示：gNB3基站的三個(gè)扇區(qū)向周邊基站實(shí)現(xiàn)流量遷移方向如箭頭所示，接收基站gNB3流量的基站gNB2、gNB4、gNB5能夠完全接收gNB3三個(gè)扇區(qū)的流量；gNB3基站完成流量遷移后開啟休眠或者關(guān)段模式，暫時(shí)退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)。
圖3 5G基站各個(gè)扇區(qū)流量遷移示意圖
由于5G網(wǎng)絡(luò)具備自我優(yōu)化的能力，所以網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置可以自我配置、自我動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)。從一定意義上說，扇區(qū)B是一個(gè)只用于承載容量的扇區(qū)，它在高人流量、高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的時(shí)候開啟，在低負(fù)荷、低人流量的時(shí)間段關(guān)閉。時(shí)間節(jié)點(diǎn)的選擇以不引起5G網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)扇區(qū)出現(xiàn)擁塞預(yù)警為前提。
提升5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，降低網(wǎng)絡(luò)能耗
網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的好壞主要影響5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制信道信令的開銷。在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力較差的情況下，終端需要不斷地檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)信道，這樣導(dǎo)致信息傳輸?shù)乃俾蚀蟠蛘劭垡约靶帕铋_銷增加，信令開銷的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的增加。另外，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)頻信號(hào)設(shè)置不合理可能會(huì)引起終端的乒乓切換，增加網(wǎng)絡(luò)不必要的信令開銷，無法完成業(yè)務(wù)信道正常的數(shù)據(jù)傳輸。
5G基站的控制信令主要是RRC建立流程（如圖4、圖5所示），兩種信令流程的區(qū)別是只有激活了接入層安全的終端才可以發(fā)起重建過程，如果有上下文并校驗(yàn)通過，則重建成功，否則按照?qǐng)D4完成RRC重新建立。
圖4 5G基站RRC信令流程（1）
圖5 5G基站RRC信令流程（2）
無論5G網(wǎng)絡(luò)和終端之間通過圖4流程還是通過圖5流程建立RRC連接，當(dāng)傳輸指定長(zhǎng)度的報(bào)文時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能不足，則終端和網(wǎng)絡(luò)之間需要多次嘗試RRC連接建立鏈路，這樣導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源主要是信令開銷增加，增加網(wǎng)絡(luò)能量消耗。
5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的提升從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)無線參數(shù)，比如通過調(diào)整AAU的設(shè)計(jì)參數(shù)如掛高、下傾角和方向角來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能；充分運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)特有的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)提升覆蓋能力，比如通過在網(wǎng)絡(luò)的上行方向引入低頻實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的上行覆蓋能力增強(qiáng)；通過合理使用波束賦形技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。
合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域，降低網(wǎng)絡(luò)能耗
網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域的設(shè)置主要影響用戶選擇的駐留小區(qū)，當(dāng)終端向信號(hào)質(zhì)量較好的目標(biāo)小區(qū)發(fā)起切換請(qǐng)求時(shí)，如果切換門限設(shè)置不合理，勢(shì)必會(huì)影響終端不能及時(shí)駐留到質(zhì)量較好的目標(biāo)小區(qū)，而出現(xiàn)終端依然駐留較差小區(qū)的情況，這樣導(dǎo)致終端不斷地檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量，增加5G網(wǎng)絡(luò)的信令開銷，進(jìn)而導(dǎo)致能耗增加。
5G網(wǎng)絡(luò)切換的信令流程如圖6所示，如果終端發(fā)起切換請(qǐng)求（HO Request）時(shí)，原來5G基站由于切換參數(shù)的設(shè)置不合理導(dǎo)致終端不能及時(shí)切換到目標(biāo)小區(qū)，原來的小區(qū)由于信道質(zhì)量較差，終端的切換請(qǐng)求始終在進(jìn)行，這樣導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的信令交互，增加資源消耗，進(jìn)而增加網(wǎng)絡(luò)能耗。
圖6 5G切換流程圖
5G網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域的合理設(shè)置從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：合理設(shè)置切換鄰區(qū)，合理控制5G網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)基站的覆蓋范圍，確保相鄰扇區(qū)中相互重疊的區(qū)域最優(yōu)；合理設(shè)置切換門限以及切換完成時(shí)間，確保終端始終可以及時(shí)駐留到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量最佳的目標(biāo)小區(qū)。
5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能綜合分析
基于AAU通道關(guān)閉的節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的影響是由于通道關(guān)閉影響到扇區(qū)的波瓣寬度，進(jìn)而影響扇區(qū)邊緣的覆蓋范圍，最后影響用戶在小區(qū)邊緣的速率體驗(yàn)。若64通道的AAU在垂直維度上半部分長(zhǎng)期存在業(yè)務(wù)流量承載較低的情況，則考慮更換較低通道如32通道或者8通道的AAU實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。
針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)潮汐區(qū)域的節(jié)能方案實(shí)現(xiàn)效果最明顯，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較大，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自我優(yōu)化以及配置能力要求較高，不僅涉及一般參數(shù)（如掛高、方向角、下傾角、發(fā)射功率等）的調(diào)整，也涉及鄰區(qū)及切換門限值的調(diào)整。
提升5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力優(yōu)先選擇不增加基站來完成，這種方案實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)容易，首先通過調(diào)整工程參數(shù)（如掛高、方向角、下傾角）來完成，其次選擇覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整基站的發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)。
5G網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域的合理設(shè)置主要涉及切換鄰區(qū)以及切換門限值的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)容易。只要5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化不頻繁，切換區(qū)域設(shè)置很快完成后不需要頻繁調(diào)整。
基于5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案研究本文從4個(gè)方面進(jìn)行論述，分別是AAU通道關(guān)閉、針對(duì)潮汐區(qū)域的節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力增強(qiáng)節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)切換區(qū)域合理設(shè)置節(jié)能，以上4種節(jié)能方案如果綜合使用則效果更好。另外，涉及潮汐區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案還可能涉及區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)之間的協(xié)同，尤其是參數(shù)之間的協(xié)同調(diào)整，這樣對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的自我優(yōu)化、自我配置能力都提出了很大的挑戰(zhàn)。
當(dāng)然，5G網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能以不降低網(wǎng)絡(luò)的用戶感知為前提，只有這樣的節(jié)能才能同步實(shí)現(xiàn)用戶感知良好和運(yùn)營(yíng)商收益雙贏。
作者：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 王振章 刁兆坤 劉威 范才坤
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