面向5G-A 6G的無線網(wǎng)節(jié)能技術(shù)

1面開展了大量卓有成效的探索與實(shí)踐，5G基站功耗相比建網(wǎng)初期下降超三分之一。面向5G-A和未來6G，無線網(wǎng)絡(luò)需要提供更立體的覆蓋、更智能的網(wǎng)絡(luò)和更豐富的應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)能耗和運(yùn)營提出更高挑戰(zhàn)。本文從“設(shè)備級、網(wǎng)元級系統(tǒng)級”三級節(jié)能體系出發(fā)，介紹了5G-A和6G無線網(wǎng)節(jié)能ICT產(chǎn)業(yè)自身面臨節(jié)能減排壓力，隨著5G基站和數(shù)據(jù)中心的規(guī)模發(fā)展，無論碳排放總量和強(qiáng)度都是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；另一方面，ICT產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)、數(shù)字減碳的重要任務(wù)，5G作為新基建之首對實(shí)現(xiàn)全社會綠色低碳作用尤2過去幾年，中國移動與產(chǎn)業(yè)合作伙伴在節(jié)能降耗方面開展了大量卓有成效的探索和實(shí)踐，5G基站功耗相比建網(wǎng)初期下降超三分之一，節(jié)能效果顯著。未來移動通信網(wǎng)絡(luò)需要提供更立體的覆蓋、更智能的能力以及更豐富的應(yīng)用統(tǒng)級節(jié)能，其中設(shè)備級重點(diǎn)從器件、硬件設(shè)計(jì)開展硬件節(jié)能方案研究；網(wǎng)元級主要從亞幀、通道關(guān)斷及休眠等方面開展軟件節(jié)能方案研究；系統(tǒng)級節(jié)能重點(diǎn)從新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新算法研發(fā)更高效的芯片和功放等設(shè)備，保證入網(wǎng)設(shè)備的3未來6G網(wǎng)絡(luò)將融合通信、感知、AI、計(jì)算等多種能力于一體，因此對底層硬件處理器的高性能、低功耗要求越來越高。處理芯片的功耗是重要的關(guān)鍵指標(biāo)之一。集成度將持續(xù)演進(jìn)，通過超高集成度的基帶及數(shù)字中頻芯片，配合超高集成度的模擬射頻前端芯片，不斷優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和相關(guān)算法，可降低6G基站整機(jī)功耗。此外，芯片架構(gòu)改良也可以改善功耗。近年來，越來越多基站采用加速器，與功放功耗占基站功耗的60%，在未來更大帶寬的需求下，功放功耗將進(jìn)一步增加。因此，降低功放的能耗將對降低具有功率和效率方面的明顯優(yōu)勢，以此為基礎(chǔ)的功放管得的支持，但功放效率面臨挑戰(zhàn)。鍺化硅(SiGe)將作為100-4新型化合物半導(dǎo)體材料磷化銦(InP)等具有高速率的顯著優(yōu)在架構(gòu)方面，Doherty架構(gòu)設(shè)計(jì)簡單且成本低，在額定功率下可以保持較高的功放效率，但隨著輸出功率下降，功放效率逐漸下降。未來6G需要根據(jù)場景進(jìn)行架構(gòu)選擇，型架構(gòu)并存。在此基礎(chǔ)上，可考慮使用更小、更密集的小管芯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大管芯，實(shí)現(xiàn)多級多路架構(gòu)，提升功放效率。針對低負(fù)荷下功放的效率下降問題，可考慮管芯的按需自適應(yīng)開啟，在低負(fù)荷下開啟少量管芯，減少功放飽和在算法方面，功放動態(tài)調(diào)壓是提升功放效率的關(guān)鍵技5術(shù)。傳統(tǒng)包絡(luò)跟蹤技術(shù)(ET)是供電電壓跟蹤信號包絡(luò)同步變化，但對硬件挑戰(zhàn)巨大。分級動態(tài)調(diào)壓技術(shù)，采用分級可變電壓模式，實(shí)時(shí)跟蹤基站業(yè)務(wù)量，根據(jù)發(fā)射功率大小對供電漏壓進(jìn)行自適應(yīng)控制，使不同負(fù)載下功放效率均達(dá)面向運(yùn)營網(wǎng)元能效最優(yōu)，需要系統(tǒng)研發(fā)時(shí)域域、功率域等網(wǎng)元級節(jié)能技術(shù)，在保證用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)具體網(wǎng)元業(yè)務(wù)流量與能效精細(xì)匹配，提升網(wǎng)絡(luò)整亞幀靜默：中低負(fù)載場景下，基站檢測到部分下行亞幀（符號）無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)關(guān)閉功放等射頻硬件，降低靜態(tài)6在亞幀靜默技術(shù)基礎(chǔ)上，提出集中調(diào)度技術(shù)，提升空閑符號占比，可進(jìn)一步提升節(jié)能效果。集中調(diào)度是基站將有效數(shù)據(jù)在部分下行亞幀（符號）上盡量集中，以增加連續(xù)關(guān)閉功放等射頻硬件的時(shí)長，進(jìn)一步提升節(jié)能效果。可結(jié)合業(yè)務(wù)感知和識別能力，針對不同業(yè)務(wù)的時(shí)延和速率需求，進(jìn)行差異化集中調(diào)度，在保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上提升集中調(diào)度技術(shù)是將分散的業(yè)務(wù)集中到一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延會有所增加，基于此提出幀內(nèi)集中調(diào)度技術(shù)，即在每個(gè)時(shí)隙調(diào)度周期內(nèi)（幀內(nèi)）進(jìn)行符號級業(yè)務(wù)7休眠技術(shù)：低負(fù)載場景下，基站關(guān)閉AAU/RRU功放、收發(fā)信機(jī)等模擬器件和數(shù)字中頻器件，大幅降低功耗?；拘菝呒夹g(shù)根據(jù)關(guān)閉深度不同，又分為淺層休眠、深度休眠和極致休眠。關(guān)閉的器件越多，節(jié)能增益越好，但從休眠狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間也越長，需結(jié)合業(yè)務(wù)需求選擇合適的休眠技針對傳統(tǒng)淺層休眠技術(shù)從休眠狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間約30秒，如遇突發(fā)業(yè)務(wù)無法及時(shí)喚醒而影響用戶感知的問題，實(shí)現(xiàn)了亞秒級淺層休眠，通過硬件架構(gòu)及軟件配置優(yōu)化，控制8針對傳統(tǒng)極致休眠僅支持定時(shí)喚醒，無法感知業(yè)務(wù)變化進(jìn)而影響用戶體驗(yàn)的問題，提出基于業(yè)務(wù)喚醒的極致休力的基礎(chǔ)上，BBU可根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)情況控制AAU/RRU休眠與100M實(shí)現(xiàn)三載波聚合，構(gòu)成260M超大帶寬，可大幅提升網(wǎng)絡(luò)連接速率，有力保障裸眼3D、XR云游戲、高清直播等高9設(shè)備能耗。節(jié)能功能方面，支持頻段級節(jié)能，通過2.6G和4.9G獨(dú)立器件按需休眠，獲取靈活關(guān)斷增益；并支持休眠深度自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)所有頻段均滿足休眠條件，自動生效通道靜默：在中低負(fù)載場景下，通過關(guān)閉（或休眠）部分射頻通道，以降低功耗；靜默或開啟的時(shí)間顆粒度為秒級。傳統(tǒng)通道靜默技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋有一定程度的影響，下行需通過Powerboosting補(bǔ)償廣播信道覆蓋，且靜默的TTI級通道靜默是基站每個(gè)TTI/slot根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化，判斷通道靜默生效狀態(tài)（不靜默、靜默50%、靜默），下行功率控制：在中低負(fù)載場景下，基站根據(jù)各終端的無線信道環(huán)境及業(yè)務(wù)需求分別調(diào)整下行信道發(fā)射功率，在保證用戶感知不下降的前提下，減小基站對于信道質(zhì)量3GPP引入了基于多CSI的自適應(yīng)功率回退機(jī)制，基于一套CSI-RS配置，引入多套CSI上報(bào)，分別對應(yīng)多套功率回退配置的CSI-RS。在有業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，基站可以根據(jù)CSI此外，未來6G網(wǎng)絡(luò)中基站的部署將更加密集，可結(jié)合站間能耗、干擾等情況，在滿足覆蓋的基礎(chǔ)上自適應(yīng)調(diào)整同節(jié)能、智能化節(jié)能等系統(tǒng)級節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源的全時(shí)極簡基站（C-RAN）：存量基站設(shè)備可進(jìn)行C-RAN集中化、配套輕量化改造，通過頻率極簡、設(shè)備極簡和機(jī)房極簡，降低空調(diào)耗電與設(shè)備能耗。同時(shí)基于現(xiàn)網(wǎng)中的不同組頻率極簡：多制式RRU合并，退頻退RRU。精簡頻段數(shù)量，按照覆蓋層、容量層連續(xù)覆蓋規(guī)劃頻點(diǎn)，機(jī)房極簡：多電源室外化，引入室外電源、刀片電為滿足未來網(wǎng)絡(luò)中用戶不同的體驗(yàn)訴求，未來6G網(wǎng)絡(luò)將支持更多的頻段。由于無線電波傳播特性導(dǎo)致高頻段小區(qū)覆蓋范圍有限，高頻小區(qū)部署走向超密集化，傳統(tǒng)的蜂窩組網(wǎng)方式會帶來能耗的急劇增長，需研究綠色節(jié)能的新超蜂窩組網(wǎng)：超蜂窩組網(wǎng)通過合理的控制與數(shù)據(jù)分離，實(shí)現(xiàn)高低頻有機(jī)協(xié)同，通過低頻的信令小區(qū)實(shí)現(xiàn)廣域的覆蓋，中高頻的數(shù)據(jù)小區(qū)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)按需的數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合對業(yè)務(wù)需求的感知，按需開啟和關(guān)閉數(shù)據(jù)小區(qū)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能無蜂窩組網(wǎng)：面向未來流量更加廣域分布、現(xiàn)場接入需求更加迫切的要求，6G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模MIMO形態(tài)將由式規(guī)劃向分布式轉(zhuǎn)變。無蜂窩網(wǎng)絡(luò)以用戶為中心，部署多個(gè)分布式接入點(diǎn)以及一個(gè)與所有接入點(diǎn)相連接的中央處理單元，通過中央處理單元的集中信號處理，廣泛分布的接入點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高水平協(xié)作。通過對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活編排和按需使用，最大程度利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的計(jì)算及通信能力，有中頻段、毫米波、太赫茲、可見光等全頻段資源相互協(xié)同深度融合的網(wǎng)絡(luò)，可基于多頻段的動態(tài)互補(bǔ)滿足多樣化的場景需求。以能效/能耗為約束優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和流量分布，根據(jù)不同頻段的能效特征和業(yè)務(wù)承載能力，結(jié)合終端能力和業(yè)務(wù)需求，制定用戶接入和遷移策略，提高網(wǎng)絡(luò)整體能基于內(nèi)生AI技術(shù)，6G將從網(wǎng)元智能節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)能兩個(gè)方面持續(xù)探索時(shí)域、頻域、空間和功率域多維度的資源管理，通過更精準(zhǔn)高效的業(yè)務(wù)預(yù)測，合理配置并不斷網(wǎng)元智能節(jié)能：以拓展節(jié)能空間、保障用戶體驗(yàn)為目標(biāo)，通過靈活資源編排與節(jié)能技術(shù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)最優(yōu)資源利用例如，利用智能化的業(yè)務(wù)感知能力，識別短視頻、語音等不同業(yè)務(wù)類型及其數(shù)據(jù)特征，與攢包調(diào)度、通道靜默等節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，制定差異化調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)體驗(yàn)和節(jié)能增益的最佳平衡。利用智能化的場景感知能力，識別電力業(yè)務(wù)、工業(yè)控制等不同場景類型及其網(wǎng)絡(luò)要求，實(shí)現(xiàn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)能：具備全域協(xié)同能力，面向多場景、多制式、多頻段、多節(jié)能技術(shù)形成最佳節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗、網(wǎng)絡(luò)性能和業(yè)務(wù)體驗(yàn)多目標(biāo)優(yōu)化。例如，基于話務(wù)模型、工參、MR等指標(biāo)進(jìn)行小區(qū)簇識別，針對不同小區(qū)簇制定節(jié)能和性能目標(biāo)，通過區(qū)域聯(lián)合自學(xué)習(xí)不斷迭代優(yōu)化生成匹配流量分布的最佳網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置策略。在多頻組網(wǎng)場景下，通過智能化的網(wǎng)絡(luò)能效評估和業(yè)務(wù)預(yù)測能力，將綠色低碳已成為無線網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的必然要素，