中国联通5G智能节能技术白皮书.pdf

中国联通 5G 智能节能技术白皮书中国联通 2019 年 6 月目录 1 引言 . 1 1.1 背景 . 1 1.2 技术愿景 . 2 1.3 白皮书目标 . 3 2 5G 网络节能需求与挑战 . 4 2.1 需求 . 4 2.2 挑战分析 . 4 3 5G 网络节能技术及解决方案 . 7 3.1 基站硬件节能方案 . 7 3.2 软件节能功能 . 8 4 5G 智能网络节能技术演进 . 12 4.1 5G 基站设备功耗阶段目标 . 12 4.2 节能技术方案演进路标 . 12 4.3 基于 AI 的智能节能技术方案 . 14 5 总结与展望 . 15 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 1/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 1 引言 1.1 背景全球能源消耗带来全球温室效应和一系列的自然灾害。为了保护环境，遏制全球变暖成了人类生存和发展面临的重要挑战。绿色低碳成为当前社会可持续发展的内在需求。随着通信网络建设规模逐年增加，各种通信设备对能源的需求与日俱增，主要表现在电信网络的电量消耗逐年增加，通信行业已经成为一个高能耗和高排放行业。节能减排不仅是电信运营商必须承担的社会责任，也是电信运营商不断推进降低电费成本，提高市场竞争力的内在发展需要。目前，发达国家电费已经达到运营商 OPEX 的 15%；而在发展中国家，电费占运营商 OPEX 高于 15%，甚至达到 30%。因此，电信运营商一直密切关注节能减排技术，持续降低电信运营商 OPEX 中的电费成本，提高市场竞争力。随着 5G 时代到来，各类新业务层出不穷、应用场景不断涌现、设备连接向海量连接的发展趋势不可逆转，不断推动移动数据流量爆发式的增长。 2010 年到 2020 年，中国移动数据流量增速预计将增长 300 倍，国内重点城市及其热点地区的移动数据流量增速更大。为了满足未来 5G 业务及数据流量迅猛增长的发展要求， 5G 网络不仅需要使用更多的频谱资源、更大的系统带宽，也采用新型多址、大规模天线阵列、超密集组网等新技术来大幅提高移动网的总容量，为国内数字经济发展奠定坚实的基础。随着 5G 网络建设快速增长， 5G 网络耗电量预计将超过 4G 网络耗电量的若干倍以上。预计到 2025 年，通信行业将消耗全球 20%的电力，电费将成为决定运营商经营能力的重要因素。因此，移动通信网络数据增长与高能耗问题之间的矛盾进一步加剧，节能降耗是未来移动通信行业可持续发展的长期存在的首要需求。中国联通 5G 智能节能技术白皮书 2/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 1.2 技术愿景节能技术一直都是业界关注的热点，随着 5G 技术的成熟，设备节能成为重要的研究方向。目前，业界对 5G 网络的节能目标、技术方案、节能技术演进目标还没有形成统一认识，节能技术方案还不成熟，难以满足运营商 5G 网络规模化部署的需求。为了整合行业力量，加快推进 5G 基站设备智能节能技术方案商用化，持续推进降低基站设备能耗、节省 5G 网络运营成本、实现移动通信行业节能减排目标，白皮书将从智能节能解决方案、节能目标路标、基于人工智能（ AI）的节能方案等几方面，展示通信行业具有应用前景的智能节能技术方案。传统的基站节能技术方案从软件功能、硬件设计两个方面着手，不断优化基站产品实际功耗。如下图 “节能技术方案金字塔” 所示， 5G 时代的智能节能技术以设备的硬件设计为基础，软件功能为优化手段，以 AI 技术为创新突破口，实现多张移动通信网络协同的综合智能节能技术方案。图 1-1 节能技术方案 “金字塔” 基站的硬件架构从根本上决定基站设备的最低能耗水平。而基站设备组网运行过程中，软件功能可以根据不同的业务场景采用相应的节能优化手段，从而达到功耗最佳应用效果。软件节能可以从器件级、设备级、网络级几个层面考虑技术方案，具体的，在保障用户业务体验的同时，可以采用器件关断、业务调度、网间协作等方案来降低基站设备能耗。未来， 5G 节能技术将向着智能化方向发展。结合大数据技术及人工智能技术， 5G 网络将实现节能策略选择智能化、参数配置自动化、效果评估全面化，达智能节能软件节能硬件节能基于 AI 的 4/5G 协同节能符号关断、通道关断、小区关断硬件技术中国联通 5G 智能节能技术白皮书 3/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 到全网运行效率最优、综合节能效率最优的节能目标，不断降低移动通信网络的运维成本，助力电信运营商在 5G 网络建设向更高水平持续发展。 1.3 白皮书目标白皮书从 5G 节能的需求出发，总结运营商 5G 网络节能所面临的挑战、多种节能技术方案。在此基础上，根据中国联通网络现状及发展需求，提出 5G 基站设备的能耗演进目标和节能技术方案规划，最后，介绍基于 AI 技术的智能节能方案及其应用前景。中国联通呼吁合作伙伴携手并进，积极参与 5G 节能技术的研究和应用，共同推进 5G 产业链的成熟发展，加快新技术、新工艺、新产品在 5G 设备中的商用应用，加速智能化节能技术的相关开发。让我们共同推进 5G 基站设备节能方案演进，共同促进 5G 网络快速发展。中国联通 5G 智能节能技术白皮书 4/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 2 5G 网络节能需求与挑战 2.1 需求电信运营商为了保证网络业务质量，建设了数百万的无线基站。这些基站设备地理分布广泛、数量巨大，其能耗在运营商电费支出成本中占有加大比重。从4G 发展到 5G，移动通信技术与产品都发生了深刻变化，随着高清视频、 VR、 AR、在线游戏等 5G 新业务的不断涌现、数据流量激增，运营商需要不断扩大 5G 基站建设规模，而 5G 网络能耗激增将带来越来越大的运营成本压力。 5G 网络带来的不仅是更高速率、更低时延、更大连接密度的全新网络能力和崭新的数字化生态圈，同时对运营商网络建设、运营、管理也带来新的挑战。在 5G 大规模化商用部署到来之际，持续深入研究 5G 智能节能技术，大力推动降低 5G 单站能耗水平、降低 5G 网络运营成本，是运营商面临的当务之急。 2.2 挑战分析为了满足 5G 丰富的业务场景的要求， 3GPP R15 规范定义了 NR 新空口标准，对 5G 基站设备的硬件能力、软件功能等都提出更高要求。例如， 5G 基站需要支持更大带宽，在 Sub-6GHz 频段支持 100MHz 带宽，毫米波频段支持 400 至 800MHz带宽，大带宽对软件、硬件处理能力要求更高，功耗需求也更大。 2.2.1 基站能耗占比分析基站站点一般包括基站设备、传输设备、空调设备和电源电池等耗能设备。中国联通 5G 智能节能技术白皮书 5/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 图 2-1 4G/5G 基站功耗对比图根据基站设备测试结果， 4G 基站设备（ S111 单站）最大能耗约为 900W，随着 5G 技术发展， 5G 单站（ S111）基站设备功耗大幅增加至 3950W， 5G 基站设备能耗在单个站点（机房）能耗比例预计将达到 50%。因此降低 5G 基站设备能耗将是未来提升无线网络能效的重要手段之一。 2.2.2 AAU 能耗占单基站能耗比例根据 5G 基站功耗的测试数据分析，基站设备中 AAU 设备（ 64T64R AAU）在5G 基站设备总能耗占比约 90%，提高 AAU 的能效水平可有效降低单站总能耗。 5G AAU 与传统的 4G RRU 设备有很大差别，例如 AAU 内部集成了天线阵列、支持高达 64 个射频通道、以及部分基带功能等，这些使得 AAU 内部在功放模块、数字基带、收发机等器件的功耗数值和功耗占比都有较大幅度增加。此外， AAU 的功耗还要考虑时钟模块、电源模块、滤波器等其它模块增加的热耗。为了提高 AAU 设备的能效，需要从功放模块、数字基带（含数字中频、基带模块）、收发机等对功耗影响较大的关键器件入手进行技术提升，例如提高芯片的性能与集成度，同时采用更高工艺（如 7nm 技术）来减少芯片面积，使得在提高集成度和处理能力， AAU 将需要更少芯片，从而降低热耗。 5G 国内首发频段为 3.5GHz、 2.6GHz、 4.8GHz 等频段，与 4G、 3G 等现有移动通信网络形成多制式多频组网。 4G 网络和 5G 网络都用于承载数据业务，在4G/5G 网络业务负荷动态变化较大的场景，不同制式网络之间使用 4G 和 5G 网络协同的人工智能算法，可以综合考虑各制式网络资源使用情况，将移动用户动态05000最大功耗基础功耗4G 5G基站功耗对比4G单站功耗 5G单站功耗4.5倍3.5倍3.5 倍中国联通 5G 智能节能技术白皮书 6/15 版权所有中国联通网络技术研究院 2019 迁移到某一制式网络，从而实现整体网络功耗最优的效果。图 2-2 AAU 主要模块功耗分布图 010203040功放模块数字基带收发机电源模块滤波器AAU功耗分布情况