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 2 3 4 5 引言 .......................................................... 1 1.1 背景 ..................................................... 1 1.2 技术愿景 ................................................. 2 1.3 白皮书目标 ............................................... 3 5G 网络节能需求与挑战 .......................................... 4 2.1 需求 ..................................................... 4 2.2 挑战分析 ................................................. 4 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 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 总结与展望.................................................... 15 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 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。 1/15 版权所有 © 中国联通网络技术研究院 2019 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 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。 基于 AI 的 4/5G 协同节能 智能节能 符号关断、通道关断、小区关断 软件节能 硬件技术 硬件节能 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 2/15 版权所有 © 中国联通网络技术研究院 2019 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 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。 3/15 版权所有 © 中国联通网络技术研究院 2019 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 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。 4/15 版权所有 © 中国联通网络技术研究院 2019 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 4G 5G基站功耗对比 5000 4.5倍 3.5倍 0 最大功耗 基础功耗 4G单站功耗 5G单站功耗 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 5/15 版权所有 © 中国联通网络技术研究院 2019 中国联通 5G 智能节能技术白皮书 迁移到某一制式网络，从而实现整体网络功耗最优的效果。 AAU功耗分布情况 40 30 20 10 0 功放模块 数字基带 收发机 电源模块