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5G节能:以终为始,知行合一

移动互联吕森│文

随着科技文明的飞速发展,人类对能源的消耗达到了前所未有的程度,在享受科技带来的便利的同时,地球正遭遇能源匮乏、环境恶化的危机。随着温室效应引起各国的关注,倡导低耗高能发展已成为全球的共识。在国内,各大城市所面临的雾霾天气已让节能减排迫在眉睫。

全球信息化建设的加速推进,以及云计算、大数据、互联网+等新技术新业务的蓬勃发展,通信网络规模快速扩展,通信业务和数据量与日俱增。信息通信行业能源消耗呈现快速增长态势,其能源消耗占比逐年增加。据统计,目前信息通信行业消耗的能量已经占到全球二氧化碳排放量的2%,预计未来会进一步快速增长。

大唐移动作为国内著名的移动通信设备提供商,一直致力于节能减排工作的规划和开展,一直努力提供高性能,低能耗的移动设备,打造5G绿色基站产品。

对于移动通信,其典型的蜂窝网络系统由三部分组成:无线接入网、数据交换的核心网,以及用户终端设备。在整个网络中,无线接入网的基站设备的能耗约占到总能耗的80%。而在5G网络中,无线接入网的基站设备由于具有大功率、大带宽、多天线等技术特点,导致能耗大幅增加。运营商机房的开关电源、蓄电池、空调等需扩容改造,而市电扩容成本高、周期长,将严重影响5G部署进度且大幅增加投资。因此,5G无线接入网的节能变得至关重要。

一、设备节能

大唐移动认为,在5G网络建设初期,节能的重点应放在基站设备本身的节能技术,以及站点的综合节能方向。

对于基站设备自身的节能,可通过改善基站硬件的设计,以及增加新的软件模块与系统特性,来实现系统性能与节能效果的双重提升。大唐移动根据自身的技术积累和强大的产品实力,5G基站产品均秉承高集成度、低能效设计。

在产品设计上,主要可以从两方面来考虑,第一,从软件特性方面看,可针对业务的QoS(Quality of Service,服务质量)要求与服务队列的状态,联合UE(User Equipment,用户设备)的信道状态信息,进行动态的无线资源管理和调度,无线资源包括时间资源、频率资源、码字资源,以及空间天线资源等。基站调度器根据QoS要求,得到资源分配的最优解,与传统的调度目标不同,这里是以能效优先的调度。对于时间资源,在没有UE需要服务的空闲时隙,基站可以暂时关闭传输链路的功率放大器,例如:基站采用了非连续发送模式(DTX,Discontinuous Transmission),暂时关闭硬件模块,在链路级实现基站的高能效运行。对于频率资源,节能措施主要是基站根据负载情况,调整传输带宽和载波分组传输等宽带自适应技术,每组子载波均使用独立功率放大器来传输,当某组子载波不传输数据时,可以暂时关闭与其对应的功率放大器。对于天线资源,在基站处于低负载时,减少基站活跃天线的数量,暂时关闭与天线相关的射频链路,从而减少电路功耗,此时需要保证小区边缘参考信号与控制信号的强度不变,以维持小区的覆盖;第二,从硬件方面看,因为AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)的功率放大器功耗一般占到无线传输总能耗的一半左右,使用GaN(氮化镓)功率放大器等技术可提升基站的功放效率,从而降低基站的整体功耗。

二、站点节能

对于站点的节能,由于设备自然散热技术的不断创新,以及安装便利性的不断提高,在一些场景下可不再建设机房,或只需建设简易机房,这样对空调的需求就越来越低,从而降低了站点的功耗;此外,光伏太阳能电池、风能、生物能等可再生能源的应用,替代了传统的柴油发电机供电,这些可再生能源可以降低移动通信网络的运营成本,同时有利于环境保护。

大唐移动室外型基站具备高集成性和应用环境多样性,环境适应能力很强,对于机房站址没有特殊要求,能有效节省机房资源。

此外,在5G网络建设有一定规模后,节能的重点应放在4G/5G网络间、以及5G宏微设备之间的协同节能。

三、网络节能

从4G到5G的演进,必然经历4G与5G共存的过程。在5G建设过程中,也会采用宏站广覆盖、小站微站补盲补热的建网模式。而协同节能的关键在于监控和预测基站小区的无线资源利用率,这样就可以用来对每个小区睡眠时间做出个性化的精准设置,解决基站节能特性“不敢用”的问题。但做到预测并非易事,首先需要得到成千上万个小区的历史数据,比如时间、邻区关系、事件等特征值,再把这些特征值与无线资源利用率的映射关系找出来。同时,还要监控KPI/KQI的变化,根据调整策略部署后KPI/KQI的变化动态调整关断参数。显然,仅依靠人工判断在实践中基本无法实现。

而AI(Artificial Intelligence,人工智能)的出现完美地解决了这个问题,通过AI的神经网络算法,将各种影响因素的历史特征数据和无线资源利用率之间的映射关系找出来,确定权重矩阵和偏置矩阵,从而得到无线资源利用率预测模型。在预测模型建设完成之后就可部署到系统中,根据无线资源利用率预测结果设置睡眠门限参数,计算满足小区睡眠门限的时间段,从而实现网络协同节能的最优化。

综上所述,通过设备、站点、网络三个层面的立体式节能及AI的不断优化,绿色5G的目标也将逐步实现。大唐移动将继续致力于基站系统节能减排的“绿色改造”。生态兴则文明兴,建设生态文明是关系中华民族永续发展的根本大计,功在当代、利在千秋,关系人民福祉,关乎民族未来。