1、研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 1 5G 基站节能技术白皮书 5G 基站节能技术白皮书 （2020 年） （2020 年） 研究院 研究院 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 2 前前 言言 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 Massive MIMO 设备， 导致 5G 基站功耗极高。 数据显示， 2019 年初 5G 基站功耗约为 4G 基站的 34 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

2、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，基站功耗值已大幅降低，但与 4G 相比仍偏高。因此，降低 5G 基 站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 基 站节能技术白皮书，从 5G 基站节能的需求、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 基站节能技术的总体路标要求

3、，以降低 基站功耗，实现更加绿色、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 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 3 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，中国 移动在上述技术领域的需求和目标。 本白皮书起草单位：研究院 本白皮书主要起草人：刘建华，边森，黄庆，张瑞艳，王希栋， 徐婧文 本

4、白皮书审核单位：总部计划建设部 本白皮书主要审核人：毕成，张晟 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 1 目 录 1. 5G 基站节能概述 2 1.1 5G 基站节能需求 2 1.2 5G 基站节能目标 2 2. 5G 基站节能技术和应用场景 3 2.1 设备级节能技术 3 2.1.1 基站能耗分布 3 2.1.2 基站能耗降低需求 4 2.2 站点级节能技术 5 2.2.1 基础型节能技术 5 2.2.2 增强型节能技术 7 2.3 网络级节能技术 8 2.3.1 多网协作节能技术 8 2.3.2 多网协作硬件架构 9 3. 5G 基站节能技术总体路标 11 4. 总结与展望

5、 13 缩略语列表 14 参考文献 15 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 2 1. 5G 基站节能概述1. 5G 基站节能概述 1.11.1 5G 基站节能需求 5G 基站节能需求 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 基站功耗值已大幅降低，但与 4G 相比仍偏高，建议通过进一步提 升基站芯片能力、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，力争功耗平均每年可降低 10%以上（近三年内） 。 1.21.2 5G 基站节能目标 5G 基站节能目标 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：设备级

6、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：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，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：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。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 3 2. 5G 基站节能技术和应用场景 2. 5G 基站节能技术和应用

7、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 2.12.1 设备级节能技术 设备级节能技术 2.1.12.1.1 基站能耗分布基站能耗分布 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/

8、320 瓦。 以上因素共同导致 5G 基站额定满载功耗约 4G 的 34 倍。 基站功耗可以分为 AAU 和 BBU 两大部分，AAU 的功耗约占整机功 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 4 耗的 90%，是基站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，

9、更需要降低小信号和数字中频模块的基础功耗。 图 2：基站能耗分布图 2.1.22.1.2 基站能耗降低需求基站能耗降低需求 基站设备中，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

10、功耗。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 5 2.22.2 站点级节能技术 站点级节能技术 2.2.12.2.1 基础型节能技术基础型节能技术 a) 能耗采集 5G 基站能够采集 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 基站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

11、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。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 6 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 通道宏基站的区域， 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 基站关闭 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

12、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 510 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 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 7 一定阈值时，还可将微站进行深度休眠，由宏基站承载全部业务量， 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。

13、2.2.22.2.2 增强型节能技术增强型节能技术 载波关断载波关断：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 共模基站协作关断：共模基站协作关断：在 4G 和 5G 网络重叠覆盖区域下， 引入 5G 与 4G 共模基站协作关断功能， 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。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 8 图 8：4/5G 共模基站协作关断示意图 下行功率优化下行功率优化：5G 支持基站下行基于

14、用户级调整发射功率，在 保证用户感知不下降的前提下， 减小基站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：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：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

15、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。 2.32.3 网络级节能技术 网络级节能技术 随着 5G 网络的部署，现网将出现 4G TDD/FDD、5G NR 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 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。 2.3.12.3.1 多网协作节能技术多网协作节能技术 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 9 多网协作节能

16、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 LTE FDD、 5G NR 等 多种网络制式下的典型基站设备，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。 节能 小区 补偿 小区 补偿 小区 节能 小区 节能前节能后 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

17、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。 2.3.22.3.2 多网协作硬件架构多网协作硬件架构 C-RAN 是研究院于 2009 年提出的新型无线接入网架 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 10 构，通过机房集中，仅在远端保留射频和天线的方式，减少基站的数 量及其配套设备（如空调、备电需

18、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%。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 11 3. 5G 基站节能技术总体路标 3. 5G 基站节能技术总体路标 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 基站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

19、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%，整机功 耗相对2019年降低18%； 2021年建议GaN功放应用比例提升至90%， 整机功耗相对 2020 年降低 10%；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%，整机功耗相对 2021 年降低 8%。 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

20、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。 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 12 研究院 研究院 5G 基站节能技术白皮书（2020） 13 4. 总结与展望 4. 总结与展望 本白皮书从 5G 基站节能的需求、目标出发，聚焦于设备级、站 点级、网络级节能三大技术领域，提出了相应的技术需求和应用场景 建议：

21、 设备级节能设备级节能：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、高集成度器件等在产业的应用，实现整 机功耗的逐年降低，预计平均每年可降低 10%左右。 站点级节能：站点级节能：加快亚帧关断、通道关断、深度休眠等基础型节 能技术方案的商用部署，加快设备关断、智能节能等增强型节能 技术方案的性能及应用场景研究。 网络级节能：网络级节能：开展多网络协同智能平台建设，基于业务动态变 化特征， 对相关设备的功能、 模块、 设备开关等进行自适应控制； 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，实现功耗降低。 随着 5G 商用网络规模的增加

22、和 5G 网络建设实践的持 续探索和创新，5G 节能技术的探索必将进一步深入，希望 5G 是一张更加绿色、 更低成本、 更高性能的商用网络， 更好的满足 5G 发展和网络运营需求。 研究院 14 缩略语列表 缩略语列表 缩略语 英文全名 中文解释 C-RAN Centralize Radio Access Network 集中式无线接入网 BBU Baseband Unit 基带单元 AAU Active Antenna Unit 有源天线单元 DPD Digital Pre-Distortion 数字预失真 OMC Operation and Maintenance Center 操作维护中

23、心 eMBB Enhanced Mobile Broadband 增强的移动宽带 MIMO Multi-Input Multi-Output 多输入多输出 SA Standalone 独立组网 NSA Non-Standalone 非独立组网 GSMA Global System of Mobile communication Association 全球移动通信系统协会 MCG Master Cell Group 主小区组 SCG Secondary Cell Group 辅小区组 SRS Sounding Reference Signal 探测参考信号 CRS Common Reference Signal 公共参考信号 QoS Quality of Service 业务服务质量 CAPEX Capital Expenditure 资本性支出 OPEX Operating Expense 日常运营开支 研究院 15 参考文献参考文献? 1 5G+4G 无线技术白皮书，2019 2 2020 年 5G 节能技术手册-无线网络分册，2020 研究院