5G 设备功耗分析及省电方案实施
前景理论 2021-05-07



1.方案背景

随着5G红红火火的大建设, 5G站点设备越来越多,其功耗经统计约是同等条件下的4G设备的3倍左右,从而带来了各种问题,诸如:电源配套的改造,现有线路的修改,机房的改造,电费的提升等等。所以如何想方设法降低5G设备功耗,对相关投资的降低至关重要。


2.设备功耗分析

从专业角度,5G为要达到高可靠、低时延、高密度、高速率、广覆盖的宽带高频传输,基站和终端所用的能耗必然要增加,并且单位功耗占比理论上也必然要提高的。我们就大致举例下:

单纯就以AAU出发:5G中应用的MASSIVE MIMO技术,利用矩阵型天线、结合波束赋形技术,以此达到同一时刻与更多用户进行数据传输。如:4G:4 根天线,5G:64根天线或更多。在保持每根天线传输信号强度相同的情况下需要耗费更多电能, 并且还要进行码本校对等;同时由于下沉,带来了一小部分简单的计算需要处理;有此可知AAU必然耗电要激增,同时用户的增加可能再相等条件下较 4G的RRU耗电量增加也更大。


2.1、中兴设备功耗

就以目前本地网5G中兴厂家的设备,下文文暂以中兴设备来进行相关的讨论和实验。具体我们先以其最关键的两个部分来看下具体的功耗情况:可以看到功耗都较大,

BBU情况:

其中 AAU 和 RRU 情况:


3.现网电量分析

3.1、5G未来电量全天趋势

通过网管指标, 统计市区基站的 4G 耗电量可以发现基站测量能耗和流量走势基本一致, 凌晨流量最低此时能耗也降至谷底。

我们预估 5G 业务量起来后趋势应该于 4G 基本吻合;从目前的 4G 的能耗来看全天顶峰几乎为低谷的近 118%, 从 5G 来看可能将会差距可能会进一步拉大达到 20%左右。


3.2、典型站型 4G/5G 能耗评估

以宏站为例,下挂3个 AAU或RRU数量的维度进行统计:以一周的耗电量来看4G目前几乎满载约是652W,5G目前空载约是 1606W。


4.节能各技术原理


通过对目前的业务和用户统计和未来的发展态势, 结合小区经纬度处于的物理位置, 按场景区分, 将时间段分离;寻找可以进行实际降能的场景, 并加以实验为未来的具体的节能降耗提供切实可行的稳固基础。

目前5G系统经过分析, 中兴厂家可以采用主要如下 5 种节能手段:

  • DTX 策略;

  • 通道关断策略;

  • 载波关断策略;

  • PA 调压测量;

  • PRRU 节电下电策略


4.1、DTX

DTX (Discontinuous Transmission) 不连续发送, 在 5G 系统中是让 AAU/RRU自适应判断, 在没有数据发送的符号周期时刻关闭功放, 从而降低功耗。

加强:目前中兴厂家提供符号关断和时隙关断 2 种。区别主要是一种是将少量的用户数据集中在几个子帧传输, 以便在剩余的无用户数据子帧采用符号关断技术;另一种是根据当前时隙是否有业务, 控制关断该时隙达到降低静态功耗目的。


4. 2、通道关断

通道关断可以在指在特定时间段内, 系统根据小区负载情况, 智能关闭 PA的栅极电压, 以实现关闭 PA 的射频通道。例如针对 AnrNum=64 的机型, 通道关断的粒度设置为 16, 即支持关闭 16、 32、 48 个发射或接收通道。

加强:目前中兴厂家提供了 2 种判断是否实行关断和开启的条件:UE 数门限和负荷门限。同时较 4G 功能进行了增强, 增加了上行;即提供了 2 种选择:关闭下行, 或者同时关闭上下行。


4. 3、载波关断

载波关断就是将对应的服务小区执行关断, 从而达到降低基站能耗。本质指当本小区上的用户和业务较少时, 将用户迁移到允许的目标其他小区然后关掉本小区, 以节约能耗;或因为无用户直接关闭。

加强:目前中兴厂家提供了 2 种判断是否执行条件:UE 数门限和负荷门限。而载波关断节能模式较 4G 也有所增强, 有 2 种选择模式为小区闭塞和深度休眠。小区闭塞是指将载波的发射功率关闭, 等于让小区不再发射信号;但是它只是关闭PA。深度休眠为 5G 特有状态, 调节小区状态将小区改为深度休眠状态, 深度将把其他配套的设备视情况也给予关闭, 如:TRX SOC、 中频 FPGA 等。(而轻度休眠只为关断导频信道, 保留寻呼信令与控制信令)


4. 4、PA 动态调压

动态调压是根据小区实际发射功率及载波智能下电状态来调整 PA 电压, 并据此来判断目标功率的方式, 进行调整功放漏极输入电压, 提高功放效率, 达到节能目的。在小区实际功率小于设备额定功率或者载波处于下电状态时降低功放输入电压, 在小区实际功率达到设备额定功率时逐渐增大功放输入电压, 直到功放默认工作电压, 确保设备始终处于高效工作状态来节能。

4. 5、PRRU 下电

PRRU 下电功能是QCell 特有的功能。可以对每个 PRRU 进行对于的是否下电,下电功能是采用定时关断方式。

5GNR 新型室分 PICO RRU 主要由数字接口、 收发信机、 PA、 滤波器和 LNA几部分组成。只关断 PA 技术效果不明显, 所有在无业务时段可通过网管控制 PB端口供电状态, 实现 PICO RRU 定时上下电处理, 对 PRRU 无业务时段进行下电深度休眠, 从而极大地节能电费。


5. 节能应用

5. 1小区选取

结合网管业务量指标及实际覆盖场景, 在现网选取了 PRRU 室分小区与宏站小区两种类型进行节能试验。

其中室分场景:(实验 QCELL 特有的功能:PRRU 下电)

宏站场景:(实验 DTX、 通道关闭、 载波关闭、 PA 调压)

5.2、策略下发和评估

5.2.1、DTX

全天开启DTX,采用时隙关断。在目前极低用户的情况下, 能省约 45.42%的电量, 较为明显:

全天开启 DTX, 采用符号关断。在目前极低用户的情况下, 能省约 60.57%的电量, 较为明显;效果明显优于时隙关闭:

5.2.2通道关断

全天开启通道关断, 设置为可关闭3/4 的通道, 发现整体功率约下降52.54%:

全天开启通道关断, 设置为可关闭1/2 的通道, 发现整体功率约下降47.33%:

5.2.3载波关断

0:00-5:00 进行载波关断, 发现整体功率约下降30.10%:

0:00-5:00 进行深度休眠, 发现整体功率约下降 31.47%:

5.2.4PA 动态调压

全天开启动态调压, 发现整体功率变化不大在 3%附近, 认为无效果。


6. 总结

方案实施后, 发现除了 PA 动态调压外, 在极低用户和业务时, 省电效果都较为可观。

DTX 功能:

“符号关断” 指 AAU 自检的关断的方式, 约能省电 45.42%。“时隙关断”为 BBU 集中调度+AAU 符号自检, 效率高一些, 约能省电 60.56%。推荐时隙关断。

好处:可以降低功耗, 同时无线网络平均干扰会有所下降。 

坏处:较多用户场景下开启可能会对用户做业务的质量会有所影响。

<2>通道关断:

全天开启, 设置为通道关闭3/4 可以省电52.54%, 关闭1/2 可以省电47.33%;

建议非特殊情况可以选择关闭 1/2 的通道数。

由于通道关断后, 可能导致小区的覆盖收缩, 所以中兴提供了可以增加功率来

弥补;但是对功能可能会对业务带来感知下降和 RB 指标变差的影响, 具体如下:

1、 关断后使得流间相关性变高, 造成小区平均空分流数下降, 空分 RB 占比下降, 使 PRB 利用率升高。

2、 关断后赋型增益受到影响, 可能导致用户调度使用的 MCS 降低, 为提高速率将会使 PRB 利用率升高。

3、 关断后一般会对调度 RB 数进行限制, 导致调度时提供的资源减少。

<3>载波关断:

在近乎无业务的凌晨开启 5 小时, 载频关断可以省电 30.1%, 深度休眠可以省电 31.4%。

从节能效果上看, 深度休眠模式要好于小区闭塞模式;从唤醒速度上看, 小区闭塞模式要快于深度休眠模式。

通常情况下, 使用小区闭塞模式做基于负荷的小区关断节能, 使用深度休眠模式做定时小区关断节能。

<4>PA 动态调压:

全天开启跟踪发现几乎在正常波动, 前后相差 3%左右无明显的效果。

5G 由于自身原因, 同时又处于初始大规模建网阶段;存在的特性是覆盖不足同时用户较少, 而且小区配置为默认功率。如果在这种情况下进行调压, 可能功率下降覆盖进一步收缩, 导致规划的热点 5G 业务无法吸收。

<5>PRRU 下电:

省电效果与载波关断的深度休眠相类似。传统节能技术载波关断、 通道关断、 符号关断未特殊设置大部分未关断 PA,5G QCELL 的 PA 输出功率较低功耗占比不高, 因此 Qcell 站功耗波动较小, 只关断 PA 技术效果不明显。在没有话务时段可以通过网管控制 PB 端口供电状态, 实现对一些无必要的 PRRU 定时上下电处理, 可以极大化地节能电费。 



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