如何在不降低網絡的情況下實現(xiàn)5G網絡節(jié)能

5G時代的到來改變了人類社會的生產和生活方式，但是5G基站AAU功耗大的問題不容忽視。目前華為、中興、愛立信等主流設備的AAU功耗比4G網絡設備中RRU的功耗增加許多，極大地增加了運營商的運營成本。運營中的通信網絡資源由于承載業(yè)務的不均衡導致資源利用率不充分，甚至有的網絡資源處于空載狀態(tài)。

同時，在5G網絡中由于其AAU本身的特點，有的站點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)。在目前整個社會都提倡將本增效的環(huán)境下，如何在降低5G網絡能耗成本的同時，確保網絡資源高效運轉對運營商的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

本文從AAU天線通道關閉、網絡存在潮汐區(qū)域的節(jié)能方案、網絡覆蓋能力增強以及網絡切換區(qū)域的合理設置等4個方面來探討5G網絡如何更有效地實現(xiàn)節(jié)能，且網絡節(jié)能后能確保用戶網絡體驗良好，5G網絡資源利用率更充分。

5G網絡節(jié)能方案實施

5G基站AAU基于通道關閉的節(jié)能方案

AAU通道的關閉分兩種情況：通道完全關閉以及通道內分時段關閉。

一是通道完全關閉。以5G網絡建設中經常用到64通道的AAU為例，5G網絡端可以監(jiān)測每一個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通道，臨近通道是否接收取決于自身通道的流量承載極限。同時AAU由于其波瓣具有自我恢復能力，因此通道關閉后對AAU覆蓋性能的影響可以忽略不計。

基于AAU通道完全關閉方案的流量遷移算法流程圖如圖1所示：將64通道的AAU中某個通道設為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

圖1 AAU通道流量遷移算法流程圖

二是通道內分時段關閉。當5G網絡的AAU檢測到部分應該發(fā)送下行信號或者上行信號的時刻，而沒有數據發(fā)送的時候，則關閉PA，節(jié)省PA靜態(tài)功耗。一旦AAU檢測到有信號發(fā)送，PA立刻恢復為正常狀態(tài)。以下行信號發(fā)送為例，具體5G網絡AAU正常狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)對比如圖2所示。

圖2 ?5G網絡AAU正常狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)對比圖

潮汐區(qū)域的5G網絡節(jié)能方案

所謂潮汐區(qū)域指的是不同時間段5G網絡的流量承載負荷不同，城市中的CBD區(qū)域以及商業(yè)街區(qū)潮汐現(xiàn)象相對明顯一些，這些區(qū)域存在的共同特點為白天人流量較大、網絡承載負荷較大，夜晚人流量較小，網絡承載負荷較小。

潮汐區(qū)域5G網絡的節(jié)能主要聚焦于潮汐區(qū)域的網絡結構以及網絡運營時各個扇區(qū)的流量承載。網絡通過日常監(jiān)控5G基站各個扇區(qū)的流量承載情況，按照如下方式實現(xiàn)網絡節(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，同時扇區(qū)A同意遷移，則開啟扇區(qū)B休眠模式，此時同步調整扇區(qū)A的網絡參數（如適當抬升下傾角）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扇區(qū)間完成。

5G基站各個扇區(qū)流量遷移具體實現(xiàn)情況如圖3所示：gNB3基站的三個扇區(qū)向周邊基站實現(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gNB3三個扇區(qū)的流量；gNB3基站完成流量遷移后開啟休眠或者關段模式，暫時退出網絡運營。

圖3 ?5G基站各個扇區(qū)流量遷移示意圖

由于5G網絡具備自我優(yōu)化的能力，所以網絡參數的設置可以自我配置、自我動態(tài)實現(xiàn)。從一定意義上說，扇區(qū)B是一個只用于承載容量的扇區(qū)，它在高人流量、高網絡負荷的時候開啟，在低負荷、低人流量的時間段關閉。時間節(jié)點的選擇以不引起5G網絡中各個扇區(qū)出現(xiàn)擁塞預警為前提。

提升5G網絡覆蓋能力，降低網絡能耗

網絡覆蓋性能的好壞主要影響5G網絡系統(tǒng)控制信道信令的開銷。在5G網絡覆蓋能力較差的情況下，終端需要不斷地檢測網絡信道，這樣導致信息傳輸的速率大打折扣以及信令開銷增加，信令開銷的增加會導致系統(tǒng)能耗的增加。另外，網絡導頻信號設置不合理可能會引起終端的乒乓切換，增加網絡不必要的信令開銷，無法完成業(yè)務信道正常的數據傳輸。

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通過，則重建成功，否則按照圖4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網絡和終端之間通過圖4流程還是通過圖5流程建立RRC連接，當傳輸指定長度的報文時，如果網絡的覆蓋性能不足，則終端和網絡之間需要多次嘗試RRC連接建立鏈路，這樣導致網絡資源主要是信令開銷增加，增加網絡能量消耗。

5G網絡覆蓋能力的提升從以下幾個方面來實現(xiàn)：優(yōu)化5G網絡無線參數，比如通過調整AAU的設計參數如掛高、下傾角和方向角來提升網絡覆蓋性能；充分運用5G網絡特有的覆蓋增強技術提升覆蓋能力，比如通過在網絡的上行方向引入低頻實現(xiàn)網絡的上行覆蓋能力增強；通過合理使用波束賦形技術也可以實現(xiàn)增強網絡的覆蓋性能。

合理設置網絡切換區(qū)域，降低網絡能耗

網絡切換區(qū)域的設置主要影響用戶選擇的駐留小區(qū)，當終端向信號質量較好的目標小區(qū)發(fā)起切換請求時，如果切換門限設置不合理，勢必會影響終端不能及時駐留到質量較好的目標小區(qū)，而出現(xiàn)終端依然駐留較差小區(qū)的情況，這樣導致終端不斷地檢測網絡信道質量，增加5G網絡的信令開銷，進而導致能耗增加。

5G網絡切換的信令流程如圖6所示，如果終端發(fā)起切換請求（HO Request）時，原來5G基站由于切換參數的設置不合理導致終端不能及時切換到目標小區(qū)，原來的小區(qū)由于信道質量較差，終端的切換請求始終在進行，這樣導致系統(tǒng)產生不必要的信令交互，增加資源消耗，進而增加網絡能耗。

圖6 5G切換流程圖

5G網絡切換區(qū)域的合理設置從以下幾個方面來實現(xiàn)：合理設置切換鄰區(qū)，合理控制5G網絡中每個基站的覆蓋范圍，確保相鄰扇區(qū)中相互重疊的區(qū)域最優(yōu)；合理設置切換門限以及切換完成時間，確保終端始終可以及時駐留到網絡質量最佳的目標小區(qū)。

5G網絡節(jié)能綜合分析

基于AAU通道關閉的節(jié)能方案，實現(xiàn)起來相對容易，對網絡帶來的影響是由于通道關閉影響到扇區(qū)的波瓣寬度，進而影響扇區(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。若64通道的AAU在垂直維度上半部分長期存在業(yè)務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實現(xiàn)網絡節(jié)能。

針對5G網絡潮汐區(qū)域的節(jié)能方案實現(xiàn)效果最明顯，但是對網絡結構的影響相對較大，對5G網絡參數的自我優(yōu)化以及配置能力要求較高，不僅涉及一般參數（如掛高、方向角、下傾角、發(fā)射功率等）的調整，也涉及鄰區(qū)及切換門限值的調整。

提升5G網絡的覆蓋能力優(yōu)先選擇不增加基站來完成，這種方案實現(xiàn)起來也相對容易，首先通過調整工程參數（如掛高、方向角、下傾角）來完成，其次選擇覆蓋增強技術，必要時適當調整基站的發(fā)射功率來實現(xiàn)。

5G網絡切換區(qū)域的合理設置主要涉及切換鄰區(qū)以及切換門限值的設置，實現(xiàn)起來也相對容易。只要5G網絡結構變化不頻繁，切換區(qū)域設置很快完成后不需要頻繁調整。

基于5G網絡節(jié)能方案研究本文從4個方面進行論述，分別是AAU通道關閉、針對潮汐區(qū)域的節(jié)能、網絡覆蓋能力增強節(jié)能、網絡切換區(qū)域合理設置節(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)域的網絡節(jié)能方案還可能涉及區(qū)域內站點之間的協(xié)同，尤其是參數之間的協(xié)同調整，這樣對5G網絡的自我優(yōu)化、自我配置能力都提出了很大的挑戰(zhàn)。

當然，5G網絡的節(jié)能以不降低網絡的用戶感知為前提，只有這樣的節(jié)能才能同步實現(xiàn)用戶感知良好和運營商收益雙贏。
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