前言
5G小区带宽是4G的5倍以上，且室外主要使用复杂度较高的64/32通道MassiveMIMO设备，导致5G工字钮功耗极高。数据显示，2019年初5G功耗约为4G的3~4倍，高功耗是运营商大规模部署5G的棘手问题。
过去一年多，引导产业界持续开展降低功耗关键技术的研究，提出了“三技术领域、三阶段部署”的综合解决思路。其中，“三技术领域”是指设备级节能、站点级节能、网络级节能三大技术领域；“三阶段部署”是基于技术成熟的先后顺序，分先单站硬件、再单站软件、最终网络协同三个部署阶段。2020年初，第一阶段的“单站硬件节能方案”已基本成熟，目前已在二期网络设备中规模应用，功耗值已大幅降低，但与4G相比仍偏高。因此，降低5G功耗仍将是近两三年的重点攻关工作。 为了更好的落实公司“降本增效”战略，制定了5G节能技术白皮书，从5G节能的需求、目标出发，聚焦于设备级、站点级、网络级节能三大技术领域，提出相应的技术需求和
应用场景建议，以及5G节能技术的总体路标要求，以降低功耗，实现更加绿、高效、可持续发展的5G网络，满足5G发展及网络运营要求。 其中，设备级节能重点阐述了整机能耗分布、节能对芯片能力、工艺、集成度的要求；站点级节能技术描述了亚帧关断、通道关断、深度休眠等基础型节能技术和微站关断、下行功率控制、载波关断功能等增强型节能技术的要求；网络级节能描述了多网协作节能技术和多网协作硬件架构技术要求等；技术路标章节给出了未来3年，在上述技术领域的需求和目标。
1.5G节能概述
1.15G节能需求
2019年以来，通过引入新架构、新材料以及提出新的共存指标，5G功耗值已大幅降低，但与4G相比仍偏高，建议通过进一步提升芯片能力、工艺和集成度，扩大节电关键功能以及网络级节能方案的规模应用。
1.2电力线适配器5G节能目标
基于以上节能需求，设备级、站点级和网络级节能目标如下：
✧设备级节能：实现更高效率的新架构、新材料、新功能。扩大液体散热、高功放效率、高集成度器件的应用，实现整机功耗的逐年降低；
✧站点级节能：实现能耗采集、亚帧关断、通道关断、深度休眠的5G商用部署，双扣管并探索设备关断等增强性节能技术的性能及应用场景，推动网络智能节能，充分挖掘节能潜力；
✧网络级节能：开展多网络协作节能系统建设，实现商用网络规模部署；在C-RAN集中部署的条件下，通过BBU基带资源池共享，节省硬件板卡配置，实现节能效果。
2.5G节能技术和应用场景
5G节能总体技术体系包括设备级、站点级和网络级节能。其中，设备级重点从器件、硬件设计开展硬件节能方案研究；站点级主要从亚帧、通道关断及深度休眠等方面开展软件节能方案研究；网络级节能重点从多网协调角度，开展智能节能方案研究。
图1：节能技术体系示意图
2.1设备级节能技术
2.1.1能耗分布
5G产品功耗高是由多因素累加导致的，具体包括：1）收发通道数从原来的8通道变为64/32通道；2）带宽从原来的几十兆变为160/200兆；3）流量从传统的2流变为16流；4）发射功率从100多瓦变为240/320瓦。以上因素共同导致5G额定满载功耗约4G的3~4倍。
功耗可以分为AAU和BBU两大部分，AAU的功耗约占整机功耗的90%，是功耗的主要组成部分。AAU功耗按照功能模块可分为功放、小信号、数字中频和电源功耗。
功耗随着业务负载的变化而变化，各功能模块的功耗比例也随之发生变化。在满载条件下，功放的功耗占比最高，平均约58%；在空载条件下，数字中频部分的功耗占比最高，平均约46%。因此，在设备级节能技术领域，不仅要提升功放效率，降低功放功耗，在5G初期负载较低的情况下手动打包工具，更需要降低小信号和数字中频模块的基础功耗。
图2：能耗分布图
2.1.2能耗降低需求
设备中，能耗最高的是射频功放，需进一步提升功放在整机中的工作效率，以及在低负载下保持较高效率的能力，并增强DPD算法的鲁棒性，支持功放配置状态实时调整状态下线性工作。
数字器件的集成度和芯片处理能力也会大幅影响设备功耗，其中，数模转换芯片集成度下一代产品需支持8通道，数字中频下一代产品需支持32通道，基带处理芯片需单颗支持2载波NR@64通道。在芯片处理能力提升的同时，数字中频和基带处理部分需要进一步优化算法，降低处理复杂度，降低功耗。
2.2站点级节能技术
水麻叶2.2.1基础型节能技术
a)能耗采集
5G能够采集BBU及AAU的功耗并通过OMC-R上报，测量精度误差控制在5%以内。
b)亚帧关断
检测到部分下行亚帧（符号）无数据发送时，在此周期内关闭功率放大器等射频硬件，降低静态功耗；功能生效时间颗粒度为微秒级别。
图3：亚帧关断技术方案示意图
亚帧关断主要适用于低负荷场景，实验室测试显示整机功耗可降低10%左右。目前已开展现网商用验证。另外，4G/5G共模场景，建议支持4G/5G联合调度，实现更优的节能效果，并降低对时延敏感类业务的影响。
c)通道关断
室外宏站通过关闭（或休眠）部分发射射频通道，以达到降低功耗的目的；关断或开启的时间颗粒度为秒级。
图4：通道关断技术方案示意图
通道关断功能主要用于部署了64通道、32通道宏的区域，实验室测试可节省约15%的能耗。目前已开展现网商用验证。当前通道关断为网管静态配置，建议支持基于用户覆盖和容量的需求，动态实现最佳的通道关闭策略。
d)深度休眠
关闭AAU功放、绝大部分射频以及数字通路，仅保留最基本的数字接口电路，使AAU进入深度休眠状态以达到降低功耗的目的。
图5：深度休眠技术方案示意图
深度休眠适用于5G负荷不高的场景或者时段，该功能基本不影响用户体验，AAU启动深度
休眠为秒级，从深度休眠状态恢复时间约5~10分钟，当宏站及其覆盖范围内的微站承载的业务量均降低到一定阈值时，还可将微站进行深度休眠，由宏承载全部业务量，以节省能耗。目前已开展现网商用验证。当前深度休眠采用网管静态配置生效时间段，建议支持基于网络状态自适应启动/关闭该功能，并将AAU从深度休眠状态恢复时间进一步控制在5分钟以内。
2.2.2增强型节能技术
载波关断：在多层频点小区同覆盖场景下，当小区负荷低，可考虑关闭其中一个载波，降低功耗。2020年将推动产业实现并开展现网验证。
图7：载波关断示意图
4G/5G共模协作关断：在4G和5G网络重叠覆盖区域下，引入5G与4G共模协作关
断功能，根据业务量高低智能关断5G载波，实现节能效果。2020年将推动产业实现并开展现网验证。
图8：4/5G共模协作关断示意图
下行功率优化：5G支持下行基于用户级调整发射功率，在保证用户感知不下降的前提下，减小对部分用户的下行发射功率，实现节能效果。2020年将推动产业实现并开展现网验证。
智能节能：将5G节能与人工智能相结合，引入智能业务预测算法，提高针对每个小区、不同时间点的预测准确度，从而精细化制定相应的节能策略，形成“节能智能大脑”，做到“一站一策、一时一策”，在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。2020年推动产业实现并开展现网验证。
设备关断：在深度休眠基础上，通过优化网管告警流程和远程操控，进一步下电关断AAU，实现零业务零功耗。该功能需要频繁开关设备，需提升设备可靠性。目前已联合部分主设备厂家开展相关技术验证，存在凝露等问题，后续需联合产业界研究适用场景。
2.3网络级节能技术
随着5G网络的部署，现网将出现4GTDD/FDD、5GNR长期共存的现状，同时5G网络目前在2.6Ghz部署时存在大量的与TD-LTE共模的站点，因此在现网中可通过应用网络级节能技术实现进一步能效提升。C-RAN作为5G带写字板的椅子部署的重要方式，通过基带集中，相比传统部署方式能够有效降低机房功耗及相应成本。
2.3.1多网协作节能技术
多网协作节能技术利用现网的配置、性能统计等基础数据，基于内置的策略算法，在保证业务质量的前提下对小区进行关断，以实现降低现网能耗的目标。该技术应支持TD-LTE和LTEFDD、5GNR等多种网络制式下的典型设备，适用于单网或多网共存场景，可根据网络环境的不同通过在网管段进行数据采集和大数据处理自动识别多频多模网络状态下覆盖小区及容量小区，进行适时小区关断和唤醒，需网管系统支持批量指令下发。
图9：多网协作系统节能原理示意图
该技术可以基于特征聚类和神经网络算法对5G设备级节能功能进行参数优化，实现设备级节能功能效果最大化，可应用于4G/5G有较多重叠覆盖的网络场景。目前研究院以完成相关4G系统（MCES）的开发，现网测试结果显示，4G网络每万小区年节电超过40万度，5G网络接入后总体节电效果将更明显。2020年计划在现网进一步开展MCES的5G升级版本iGREEN的研发及测试验证。
2.3.2多网协作硬件架构
C-RAN是研究院于2009年提出的新型无线接入网架构，通过机房集中，仅在远端保留射频和天线的方式，减少的数量及其配套设备（如空调、备电需求），实现降低能耗的目标。
另外在C-RAN集中部署的条件下，通过节省硬件实现功耗降低，建议支持BBU基带资源池共享，从而节省硬件板卡配置，据测算，C-RAN将使得包括能耗在内的单站维护成本下降17.1%-23.7%。
3.5G节能技术总体路标
未来3年，将大力推动节能技术的研究和应用，实现端管协作的高效节能目标。5G节能技术总体路标分为三阶段，下面将区分设备级、站点级和网络级分别给出：
设备级方面，将持续与各领域合作，推动半导体材料、工艺、射频系统、功放等众多关键技术发展，推动设备硬件功耗持续降低。2020年推动基带芯片支持3载波（64通道），其中每载波下行最高16流&上行最高8流，采用7nm工艺，GaN功放应用比例为80%；2021年建议GaN功放应用比例提升至90%；2022年建议基带芯片支持5nm工艺，GaN功放应用比例继续提升至90%。
站点级方面，2020年建议实现亚帧关断、通道关断、深度休眠功能的全面商用，2021年计划引入增强型节能功能，并明确节能技术关键参数配置建议、自适应启动/关闭功能，实现智能的节能落地应用，形成节能功能整体应用解决方案；2022年将继续探索新的节能功能。网络级方面，2020年将开展多网协作节能系统开发，2021年实现样机和规模试点，2022年实现现网规模部署；通过BBU基带资源池共享，节省硬件板卡配置，实现功耗降低。
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