移动通信网络的能源效率和可持续性(A 5G Americas white paper)学习-2（提高 RAN 能源效率的技术）

三、提高 RAN 能源效率的技术

为了降低环境影响，移动网络需要最小化能源消耗，优化能源利用，最终最大限度减少温室气体排放。值得注意的是，移动无线网络生命周期排放的大约 95% 发生在运营过程中。这一认识强调，在移动网络运营中有效管理能源消耗，是同时减少碳排放和运营支出 (OPEX) 的关键。

在现代移动网络中，大部分能源消耗发生在无线接入网络 (RAN) 领域。如图 3 所示，高达惊人的 73% 的总能源消耗归因于 RAN。相比之下，移动核心网络和专用数据中心分别占总能源消耗的 13% 和 9%，其余 5% 由其他运营组件贡献。值得注意的是，数据中心能源占比可能会因运营商配置而异。RAN 的能源消耗份额也取决于运营商配置和设备，可能占网络总能源消耗的 70-85%。在 RAN 内部，无线单元中的射频组件，例如功率放大器和数字前端，是整体 RAN 功耗的主要贡献者。

值得一提的是，近年来，基站节能取得了以下方面的进展：

• 将无线单元组件尽可能靠近天线，减少同轴电缆的射频信号损失；

• 尽可能开发可用于室外安装的RAN站点组件，从而减少空调需求；

• 开发支持多频段和/或多制式的“单一 RAN”无线产品，支持不同的射频共享解决方案。

这些创新本质上减少了能源需求，特别是用于冷却的能源。通常，用于冷却的能源份额可以占基站能源消耗的 10% 到 66%。图 3 所示的 29% 是传统 RAN 站点的典型值，这些站点位于室内并配备主动空调。减少主动风冷的使用，将更多的无线单元放置在室外，用于冷却的能源消耗份额可以下降到 10%。

3. 按域划分网络功耗. 资料来源：诺基亚贝尔实验室 (基于 NGMN 数据)。

由于 RAN 领域是移动网络中最大的能源消耗者，因此显而易见，提高移动网络盈利能力和实现气候目标最有效的方法是最小化 RAN 领域的能源消耗。因此，正如本章后续小节所述，RAN 将成为节能努力的主要关注和干预焦点。

本节旨在阐述实现网络节能和提高能源效率的技术和策略，重点关注 RAN 领域。通常，这些技术和策略基于一个基本原则，即根据流量变化调整（无线）网络参数可以实现节能，从而减少温室气体排放。但是，这些调整不应负面影响单个用户的服务质量 (QoS) 和体验质量 (QoE)，并且应根据活动用户数量谨慎应用。然而，在某些情况下，可以考虑最终用户 QoE 和节能之间的平衡。

认识到人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 在塑造现代网络运营中的重要性，本章还介绍了利用 AI/ML 功能提高能源效率的创新技术。这些方法在推进环境可持续发展目标和简化移动网络生态系统运营成本方面具有巨大潜力。

值得注意的是，终端移动设备的节能考虑不在本文讨论范围内，但这些设备的生产和处置对环境的影响远大于其使用阶段。然而，即使在使用阶段，最新一代设备和无线技术也在不断改进。

在蜂窝网络演进过程中，随着网络从一代切换到另一代，其能源消耗越来越依赖于网络负载。因此，网络流量成为优化网络组件的主要驱动因素和重要参数，使能够根据流量负载的变化跨时间、频率、空间和功率域调整无线资源。以下描述了可以在 RAN 中部署以显著提高能源效率的关键技术，并考虑了 3GPP 5G-Advanced 最近实现的网络节能增强功能。

3.1、时域技术

在时间域方面，节能技术包括微睡眠 (micro-sleep)，其可以在微秒内使功率放大器 (PA) 停用和重新激活，从而在空闲时段节省能源。这些技术在 4G LTE (长期演进) 网络中被证明是有效的。

此外，随着 5G NR (新空口) 的出现，物理层采用了更精简的设计，负载依赖性也大大增加。例如，5G NR 设计去掉了 LTE 始终存在的小区特定参考信号，从而持续中断小区休眠的机会。因此，像微睡眠这样的功能在 5G NR 网络中变得更加有效。一些现有的网络已经观察到这些进步的积极影响。

5G-Advanced 引入了进一步利用微睡眠的增强功能，例如小区不连续传输 (DTX)。该技术使小区能够在关闭期间省略某些原本在传统网络中必需的传输。设备会提前获知小区的关闭时段，从而使网络和设备都能节省电量。

Figure 4: The power consumption journey of the radio unit in the base station

此外，5G NR 采用大规模多输入多输出 (MIMO) 技术，支持比 LTE 更宽的带宽，以提供更高的数据速率和容量。然而，更大的带宽和更多的天线分支增加了模拟器件的峰值功耗。同时，数字处理时间（与 LTE 产品相比增加了 320 倍）也增加了数字器件的功耗，如图 4 所示。这就需要采取新措施，超越在各个领域开启和关闭功率放大器，下面将进行讨论。

3.2、频域技术

在频域中，有几种措施可以使网络更加精简，从而实现更高的能源效率。从一个无线网络生成到下一个，采用的波形（如整体物理层设计）变得更加灵活和精简。例如，在4G中，采用了正交频分复用（OFDM）波形，因为它具有改进的频谱效率和MIMO采用。然后，在5G中，引入了一种灵活的OFDM设计，支持多个子载波间距，即采用了一种灵活的数字方案，具有一系列不同的子载波间距，而不是一个，以适应各种频段和用例，同时允许不同子载波间距的共存。

OFDM波形的主要挑战是其高峰均比功率比（PAPR），在使用更高频段时会加剧。随着无线网络的不断发展，当使用更高频段时，PAPR现象可能变得更严重。这对上行链路和设备的能源效率特别有害。因此，在5G-Advanced和6G中，波形的灵活性应进一步增强。这不仅将提高系统的能源效率，还将实现不同波形的共存，这些波形可能用于不同的目的（例如联合感知和通信）。例如，在负载较低时，没有必要在频域中复用多个用户。对于这种情况，一种可行的解决方案是采用单载波波形，使网络能耗与带宽较窄的系统相当。另一种减少PAPR的解决方案是保留一些音调，以减小传输信号的PAPR，从而在给定的输入工作点下最小化失真。

解释说明：

PAPR 是指信号的最大功率与平均功率的比值，如果 PAPR 过高，就会导致发射机的功放产生非线性失真，影响信号的质量。OFDM 是一种多载波调制技术，它将数据分配到多个正交的子载波上，然后同时传输。由于多个子载波的叠加，可能会出现某些时刻的信号功率远高于平均功率，从而导致 PAPR 问题。

为了降低 PAPR，一种方法是在频率域中保留一些频率，也就是不在这些频率上发送数据，而是用它们来调整信号的峰值。这些频率就叫做 “some tones”，它们的数目和位置可以根据信号的特点来选择。通过在这些频率上添加适当的相位，可以使信号的峰值降低，从而降低 PAPR。这种方法的优点是不需要额外的边信息，也不会增加信号的复杂度，但是它会牺牲一些频谱效率，因为这些频率不能用来传输数据。

“some tones” 的原理是在频率域中选择一些不用于传输数据的频率，也就是空闲的子载波，然后在这些子载波上加上一些合适的相位因子，使得它们与其他子载波叠加后，能够抵消或减小信号的峰值。这样可以降低信号的 PAPR，但是也会损失一些频谱资源，因为这些子载波不能用于传输数据。

此外，利用软件功能来提高能源性能而无需增加更多硬件也很重要。其中一种途径是载波聚合，可以通过使用较低的频率扩展覆盖范围，并将数据有效地传输到较高的频段，同时利用跨载波调度功能。在5G NR中，载波聚合可以扩展中频段覆盖范围，同时利用低频段，并将数据传输到可能更能效的高频段。需要注意的是，在更高频段操作意味着需要增加发射功率以补偿更大的传播损耗。然而，它通常受益于更大的频谱可用性和大规模MIMO能力，这提高了实现的频谱效率，从而提高了能源效率。

在未来的网络中，通过减少或省略诸如同步信号块（SSB）或系统信息块（SIB）等公共信道传输，可以进一步提高容量层的能源效率，使用5G-Advanced技术，如无SSB的次要小区运行或按需的SSB/SIB1操作。此外，创新的解决方案，如频谱共享，使单个通信服务提供商能够在现有频段/基础设施上部署新技术。这些技术使得可以重复使用预先部署的硬件和基础设施，而不损害性能，并允许在扩大全国范围的同时控制长期可持续性和能源效率目标。例如，在引入6G时，可以在与5G相同的载波上运行，利用完全灵活和动态的5G和6G多RAT频谱共享（MRSS）技术。