打破能耗曲线：网络能耗建模与节能技术

信观察

 

随着5G新空口（NR）标准的出台，网络能耗成为该标准的重要指标。这是因为移动通信需要减少碳足迹和网络运营支出(OPEX)。此外，近期能源价格飙升，也使得运营商（CSP）的能源开支大幅增加。为了应对这一挑战，一些运营商下调了利润预期，另一些运营商则增加了节能功能的使用，以节省能源成本。现在打破能耗曲线比以往任何时候都更加重要。

《打破能源曲线》是爱立信的一份报告，介绍了如何降低网络能耗，其中最关键的一步是对现有网络进行现代化改造。博客文章“5G助力节能!如何实现电信运营商的成本优化”对此进行了深入的分析。

我们将深入研究相关的技术攻关和标准化工作，不断提升网络能源性能，尽可能降低网络在特定性能和容量条件下的能耗。

新空口（NR）有助于提高网络的节能能力，但在没有流量或很少流量时，网络还是会消耗过多的能源，造成浪费。我们参与了3GPP标准的制定，目的是降低新空口在低、中、高负载场景下的能耗。用户设备(UE)性能的变化主要取决于不同的流量负载，而不是我们研究的节能技术。因此，在中低流量期间使用节能功能，可显著减少UE性能的波动。在高流量负载场景下，虽然业务配置消耗的能源是合理的，但我们仍然可以利用空间、时间、功率和频率等方面的节能技术，来降低新空口基站gNB（下一代Node B）的能耗。

网络能耗建模

我们最近提出了一个网络能耗模型，作为这项工作的基础。该模型能够反映gNB打开/关闭选定组件（如天线链和数字单元）对能耗的影响。这个模型对于3GPP标准中的网络能耗模型有重大意义。这篇博客基于爱立信向3GPP提交的文章（在RAN1#111会议上提出）。

在我们的能耗模型中，睡眠模式是指关闭一个或多个组件以节省能源。活动模式（Active mode）是指所有组件都开启。转换时间（Transition time）或转换持续时间是我们引入的一个概念，用于表示从睡眠模式到活动模式或反之所需的时间。根据关闭的组件和模式转换持续时间的不同，睡眠模式分为3种状态:微睡眠（microsleep）、浅睡眠（light sleep）和深睡眠（deep sleep）。

每种睡眠状态的定义如下：

微睡眠

网络在这种状态下，只关闭转换时间很快的组件，如功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。这样，重新激活几乎可以瞬间完成，有时只需要几微秒。

浅睡眠

在这种状态下，中等转换时间（几毫秒）的附加电路组件关闭，如发射和接收单元中的集成电路（IC）。

深睡眠

网络在这种状态下，只留下少数组件（如转换时间长达几十毫秒的内部时钟），其余组件都关闭。

该模型还定义了上行链路（UL）和下行链路（DL）的活动模式，使用了所有可用的硬件资源。表1列出了不同睡眠状态（微睡眠、浅睡眠和深睡眠）的转换时间。显然，关闭的组件越多，睡眠就越深，gNB唤醒越慢。

表1也列出了各种状态的工作功率水平。由于不同的网络供应商的gNB实现不同，模型中的数值是相对值而不是绝对值，以深睡眠状态下的功率水平为基准。

该模型还考虑了基于发射和接收带宽、载波聚合（CA）和天线接收单元（RU）数量的缩放。表2展示了gNB的功率如何随着缩放因子的变化而变化。

在这里，我们可以看到，通过调整不同的因素，可以显著降低gNB的能耗。例如，表2的最后一列显示，将天线数从64个减少到32个，就能节省30%的能源。基于这个能耗模型，我们提出了一些网络节能技术，将在下一节介绍。

我们的模型综合了硬件和软件组件的优化以及技术的持续进步，使其能够作为未来网络能源性能评估的基础，即使在未来五到六年，软件或硬件发生了很大的变化，也能够应用。

网络节能技术

gNB不仅在没有活动时需要睡眠模式节能，而且在活动状态时也需要其他节能技术。在下图中，我们给出了这些技术在空间、功率和时域方面的示例，并对它们对网络节能的贡献进行了量化分析。

动态天线自适应（空域）

如图1所示，gNB的有源天线系统由多个天线单元组成，这些天线单元以子阵列排列。每个子阵列通常连接到两个收发器链，其中每个收发器链分别连接到不同的极化。

图1：gNB有源天线系统的示例天线布置（A），它包含多个子阵列，每个子阵列由4个带两个极化的天线单元组成。在典型的设置（B）中，每个子阵列的每种极化分别连接到单独的接收（Rx）和发射（Tx）链。信息来源：R1-2212155，“网络节能技术”，爱立信，3GPP TSG RAN WG1 #111

通常，gNB配备64个或更多的接收（Rx）和发射（Tx）链阵列，预计未来可能会更大，特别是在更高的频率上。这些收发器链消耗了gNB总能耗的大部分。此外，高效的波束管理还需要传输更多的参考信号，如信道状态信息参考信号（CSI-RS），这会增加信令量和减少睡眠时间，导致能耗增加。

不需要一直使用所有大阵列传输和激活的收发器链。节能的方法是静音一些收发器并关闭相关电路，如图2所示。

图2：收发器静音模式与UE的部署、负载和覆盖有关。信息来源：R1-2212155，“网络节能技术”，爱立信，3GPP TSG RAN WG1 #111

要静音的收发器数量取决于部署、负载和UE覆盖场景，促使gNB动态地调整静音模式。这可能涉及到在gNB节能和用户性能损失（如用户吞吐量）之间进行取舍。为了避免由于反复的重新配置和收发器静音带来的性能损失，gNB要先了解不同的静音模式对用户性能的潜在影响，再做适当的收发器静音决策。这需要UE不仅要报告当前收发器配置（如64链）的信道状态信息（CSI），还要报告其他候选配置（如48、32或16链）的信道状态信息。在图3中，我们对比了gNB的收发器链数分别为16、32和64时不同天线配置对能耗的影响，考察了在3种典型的系统负载（占用的物理资源）下的能耗和用户吞吐量，其中低负载、轻负载和中等负载分别占用系统资源的15%、30%和50%。

如图所示，在任何负载下，天线链数越少，能耗越低。当网络负载较低时，将天线链从64减少到16条，大部分UE的网络性能损失在3%以下。即使在中等负载下，将天线链减少到16条时的性能损失也只有大约7%，但能耗比64链下降了约61%，这是很显著的优势。

我们使用了半动态天线配置，预计如果根据一定的指标或阈值对网络进行动态配置，可以在节能的同时，尽量减少网络性能损失。

动态功率自适应（功率域）

目前，gNB为小区里的所有UE固定下行发射功率，目的是保证小区边缘的任何UE不会因为信干噪比（SINR）过低而影响其接收网络信令的能力。相比之下，小区中心的UE可能会信噪比过高，对感知性能无益。在这种情况下，降低gNB发射功率可实现节能，特别是对于在良好覆盖区域中的UE，在这样的区域中，较低的信噪比也不会损害UE的感知性能，如图4所示。

图4：在小区中心和小区边缘有UE的情况下gNB 示例功率布置（A）。

可以看到，如果小区边缘没有任何活动UE，将gNB的发射功率降低到一定水平，可以保证UE所在位置的信噪比仍然保持有利水平，用户吞吐量也不会受到显著影响，同时还能节省gNB的能耗。为了证明这一点，我们在图5和图6中分别将gNB的发射功率设为43 dBm、49 dBm和55 dBm，以评估不同功率配置对节能的影响。我们在3种典型的系统负载下，再次比较了能耗和平均用户吞吐量。图5显示，当小区边缘附近没有部署UE时，在所有负载条件下，发射功率越低，gNB的能耗就越低。

此外，系统负载越高，降低发射功率的节能效果就越明显。同时，发射功率配置对平均用户吞吐量几乎没有影响。显然，这种场景下的UE分布适合通过降低发射功率来实现节能。

另一方面，图6显示了UE在小区边缘附近的场景，这时降低gNB发射功率会导致平均用户吞吐量大幅下降。因此，这项技术要根据小区情况选择使用。

 

动态配置自适应（时域）

上述能耗模型表明，让gNB在空闲时进入睡眠模式是有效的节能方法。在不影响网络性能的前提下，空闲时间越长，gNB就越有机会进入并保持深睡眠状态，从而节省更多的能源。因此，在时域内增加空闲时间可以直接提高能源性能。为此，我们可以动态调整一些配置，让gNB在空闲时多睡眠，同时保证非空闲时的网络性能。

例如，新空口的典型同步信号块（SSB）周期为20 ms-160 ms。乍一看，如果在两个SSB传输之间没有任何要发送或接收的内容，那么gNB应该能够进入睡眠状态，节省许多能源。但是，这很难做到，因为gNB需要定期接收信号。例如，即使没有被明确授予上行链路传输许可，gNB也至少需要监听接入小区的潜在UE的物理随机接入信道（PRACH）前导码。但PRACH的接收周期有多种选择，而且也可以重新配置。因此，我们可以根据网络状态动态配置PRACH的接收周期，让gNB在空闲时多睡眠。

图7展示了gNB空闲时的总能耗，以及能耗在各个工作、睡眠状态和状态转换中的占比，gNB在空闲时每20 ms执行一次SSB和剩余最小系统信息（RMSI）传输。

图7：4种设置之间的能耗比较，PRACH时机周期分别为10 ms、20 ms、40 ms和80 ms（从左到右）。绘图工具：MATLAB R2023a，模拟工具：爱立信内部模拟器（Ericsson Internal Simulator）

图中展示了4种不同的配置对gNB接收机活动的影响。基线配置为了提高性能，将PRACH时机周期设置为10 ms，这样可以最大程度地减少初始连接建立的延迟。其他3种配置则把PRACH时机周期分别增加到20/40/80 ms，目的是提高gNB的能源性能。从图中可以看出，减少gNB中PRACH的前导码监测可以大幅节省能源。将PRACH时机周期从10 ms延长到40 ms，可以实现高达21%的节能。但是，这样也会增加UE的接入延迟，特别是在接入负载较高时，节能效果就不明显了，所以将PRACH时机周期增加到80 ms以上就没有太大意义了。因此，如果能根据场景动态配置PRACH时机周期，那么对于网络和UE的节能都是有好处的，例如，一些空闲的UE需要更快的转换来连接小区，就可以采用更轻量级的机制，而不是系统信息更新，因为系统信息更新本身会产生较大的延迟。

打破能耗曲线

能源价格不断上升，移动网络需求也在持续增长，如果我们不做出改变，能源使用和排放也会随之上升。我们的网络能耗模型可以预测现在和未来网络的能耗，并增强现有的新空口（NR）机制，以实现更多的节能。我们通过减少能源使用和排放，进一步为打破移动网络的能耗曲线做出贡献。

更多资料

点击此处，下载我们提交的3GPP RAN1#111论文全文：《网络节能技术评估》和《网络节能技术》。

阅读博客帖子《打破能耗曲线！5G技术何以成为打造更经济高效的电信公司的关键》。

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