提高5G網路的能源效率

在5G和6G發展中對能源效率的持續關注，無論對於實現尺寸更小、重量更輕的電信設備新部署方案，還是最大程度降低行動網路對氣候影響均至關重要。

隨著5G持續部署以及6G發展，從能源效率的角度來看，處理需求的指數級成長終將成為最大的挑戰之一。

長期以來，電信產業始終將峰值性能和更高容量作為關注的重點。直到最近，低能耗通常也只是被視為一種錦上添花的優勢，而非最先進的行動網路設備的關鍵特性。隨著對於優化電信網路能源效率需求的認識不斷提高，有幾項挑戰最終將不得不面對。

與早期的長期演進（LTE）產品相比，5G網路基站中的數位處理任務增加了300多倍，其原因主要歸咎於天線分支數量增加、頻寬加寬以及傳輸時間間隔（TTI）變得更短。預計6G中的這種增加仍然不會停止。為了從能耗角度以負責任的方式面對這種增加，未來的6G標準就必須盡可能精簡。最重要的是，必須將強制性和隨時提供的信號量保持在最低程度，這樣就可以讓底層元件和子系統在能耗方面具有足夠的負載依賴性。

隨著新無線（NR）部署的不斷推進，來自計算和數位矽晶片的能耗百分比還將繼續攀升。更大頻寬、更多天線埠和更短TTI的趨勢正在推動數位前端的處理需求呈指數級增長，並且還會傳遞到無線單元、波束賦形和第一層處理。第二層處理需求、資料處理和控制功能也在增加，但速度相對較慢。

什麼是能源效率？

在目前的行動通訊系統中，能源消耗對於負載的依賴性較低且流量增長較快，因此能源效率指標並不是特別有用。就算不去降低能源消耗，流量的增長也會導致能源效率逐年提高。

能源效率這一術語將關注點從每比特能源擴展到總消耗能源，凸顯了獲得更高系統性能與實現更低能耗之間的相似之處。優化能源效率也就意味著最大程度降低一系列性能要求（使用者傳輸量、容量、時延等）的能耗。能源效率這一概念讓能源消耗和性能要求之間的利弊得失一覽無遺。

能源效率與經濟、生態和工程這三個截然不同的背景均有關聯，這三個背景有著不同的利益關係者，並使用不同的術語。就經濟背景而言，優化能源效率不僅可以降低行動網路營運商的營運費用，還可通過使用尺寸更小、重量更輕的設備降低資本支出。這類設備不僅可以實現更新、更簡化的部署，還可以實現成本更低的供電和儲能解決方案。因此，在討論增強可用性及增強國家安全的成本時，低能耗尤為重要。

就生態環境而言，愛立信約94%的總碳排帶來的影響與我們產品的運行息息相關，這也是最能體現優化能源效率價值的地方[1]。

工程背景可以說是能源效率中最被低估且未獲得充分利用的一面。產品工程設計階段對降低能耗的高度重視可以推動減小產品的尺寸和重量。在變革過程中，更加嚴苛的產品能源效率要求將會推動技術、管理和組織創新，最終在多個技術領域實現更加緊密的合作。

根據背景不同，可以使用資金、碳排放、熱設計限制等方面闡述能源使用的影響。但不管如何看待收益，降低能耗所需的解決方案都非常相似。但更重要的是需要區分減少平均能源使用量的目標（主要與營運成本、碳排放等有關）和減少峰值能源使用量的目標（主要與產品外形尺寸、熱設計、尺寸規格和重量有關）。不過幸運的是，有效的降低能耗解決方案通常可以同時降低峰值和平均能源使用量。

網路能源效率的發展歷程

圖1 說明了行動網路能源效率的發展歷程。左圖顯示了2010-2020年期間典型LTE基站的功耗。中間的圖表顯示了現今典型新無線（NR）基站的功耗。右圖顯示了2025年以後成熟NR基站的預計功耗。

在LTE中，無線接取網路（RAN）的能源消耗主要來自基站，約占RAN用電量的80%。而每個基站大約80%的能源消耗用在功率放大器（PA）上面[2]。在這個時代，主要能源效率目標是降低PA的閒置模式能耗。

LTE早期的網路流量相對較低。在全國的網路中，通常只有5%的物理資源塊（PRB）用於處理數據流量，而約95%的PRB是空的。高靜態能耗和低平均流量導致網路中的負載依賴性非常低，在這種情況下因網路流量而增加的額外能耗遠遠低於總能耗的2%[3]。

為了改善負載依賴性，我們引入了微睡眠傳輸，這是一種可以在幾微秒內停用和重新啟動PA的節能功能。當沒有來自基站的傳輸時，微睡眠傳輸始終發揮作用。然而，如果LTE標準不包含即使沒有流量也無法強制關閉和始終開啟的參考信號，或許發揮的作用更大。最顯然的解決方案是重新設計實體層，這樣在沒有資料傳輸時只需最少的信號即可，但這需要制定全新的標準。

在開發5G NR時，我們就已經確保其實體層採用超精簡設計[4]。這種設計讓微睡眠傳輸等功能更加高效，並且對實時網路的影響也非常顯著[5]。微睡眠傳輸顯著降低了基站類比無線部分的能耗，在過去十年的影響非常重大。

專門針對大規模MIMO（大規模陣列天線）設計的5G NR還可以支援比4G TE更寬的頻寬。一個典型的LTE基站包括兩個發射和接收分支，支援20MHz的頻譜，基站的數位處理時間為1ms（對應一個TTI）。早期NR產品有64個天線分支，支援100MHz的頻譜，TTI為0.5ms。這意味著與早期LTE產品相比，無線基站的數位處理需要提高320倍。

在現今的NR產品中，數位元件消耗的能源可能與類比元件（主要是PA）消耗的能源一樣多，甚至更多。此外還引入了更大的頻寬和更多的天線，同時將射頻（RF）功率密度保持在2W/MHz左右。典型20MHz LTE基站的射頻輸出功率可以達到40W，而100MHz NR基站的射頻功率則可以達到320W。

更大的頻寬和射頻功率增加了類比組件的峰值功率使用，而更多的天線分支和數位處理則增加了數位元件的功耗（見圖1的中間部分）。正是這種大規模的能力提升造成了產業能耗增加的趨勢。幸運的是，採用新的實踐方法有可能扭轉這一趨勢。我們的研究表明，通過以下行動，從目前的情況（圖1的中間部分）邁向更加節能的未來（圖1的右側部分）並非沒有可能：

• 通過在閒置模式能源使用、重新啟動時間和調整維度方面顯著改善睡眠模式，改善元件（尤其是數位元件）的負載依賴性。動態電壓和頻率縮放（DVFS）就是目前在很多數位設計中尚未得到充分利用的其中一項技術。
• 動態變化地放寬對類比元件的要求（如果可能）。
• 在網路節點中部署更多電源管理功能（需要更多負載相關元件才能發揮作用）。
• 利用人工智慧（AI）技術實現網路級優化（需要更多依賴負載的網路節點才能發揮作用）。
• 考慮停止對WCDMA（寬頻碼分多工存取）和GSM（全球行動通訊系統）等傳統技術的支援。

最後一點特別重要，因為支援遺留技術不但導致需求失控蔓延還會消耗開發和測試的資源，繼而減少可用於實現節能功能的資源。

成功落實這些行動不僅可以優化能源效率，還可讓營運商能夠通過在流量增加時以增加更大容量的方式減少網路總能耗，原因是更大的容量會導致更長的空閒模式執行時間[6]。

從現場資料中得到的啟示

儘管某些營運商的網路將每個基站的功率固定設置在最高水準運行，但也有很多營運商採用更加優化和多樣化的配置。圖2 為兩家歐洲營運商所配置最大傳輸功率的長條圖。左側的營運商A優化了其網路中的功率級別，而右側的營運商B使用默認的最大功率設置。

一項相關研究[7]表明，只需調整輸出功率水準，就能夠在不影響性能的情況下將網路能源總使用量減少約10%，如圖2所示。MIMO睡眠模式、增強載波睡眠、細胞深度睡眠和低能耗調度方案等現有節能特性在不同網路的啟動（或不啟動）方式也存在類似差異。這表明想要優化現有網路的能源效率，顯然存在改進工具的必要性。

具有意義的基準點

某些節能解決方案與負面的關鍵績效指標（KPI）影響存在相關性。然而，我們認為這通常取決於選擇用來比較的基準KPI，或者更重要的是，取決於預期要實現的目標KPI。

圖3 顯示了真實網路中一天的總下行鏈路流量（紫色）和平均用戶傳輸量（藍色）。由於流量變化，流量高峰時段和流量最小時段之間的用戶傳輸量相差約兩倍。問題是，在評估開啟節能功能獲得的傳輸量時，我們是否應該將其與高峰時段或最小流量時段的性能聯繫起來？我們通常在網路中觀察到的較大KPI變化並不總是令人滿意的，而節能功能既可以節省能源和成本，又可以提高全天網路中可預測的傳輸量，有可能是一種更具吸引力的方式。

沒有必要將節能功能的理想KPI設置為高峰時段獲得的最小KPI，也可以將其設置為特定網路的其他目標KPI，比如網路層級已經確定的KPI。網路層級KPI目標可以具有區域和/或服務相關性。在某些區域，比如市中心或室內工廠，需求可能更高，而在其他區域則可以適當放寬。不論如何，這些應該由營運商作出決策。比如，可以允許將高於最低要求的一小部分性能用來降低能耗。

集中式與分散式無線接取網路

通常認為，集中式RAN（C-RAN）本質上比分散式RAN（D-RAN）部署更適合實現低網路功耗解決方案。由於行動網路是針對峰值流量設計的，因此網路中的某些地方總會存在資源過剩。由於峰值流量發生在網路不同位置的不同時間，在處理資源可以在公共池中共用的情況下，C-RAN可以利用池化的好處。除了處理池化的好處外，C-RAN部署還可利用更加高效的冷卻、供電和儲能解決方案。在這個基礎上，據稱能夠獲得相當大的收穫[8]。

特別重要的是要瞭解網路的哪些部分以及在什麼情況下能夠真正集中在C-RAN部署之中。C-RAN部署通常假設運行在現成硬體上，這就開闢了通過定制晶片增加價值的可能性，這樣不但可以實現更高的負載依賴性，還可以獲得更低的固定能源成本。時延增加是一項考慮因素，它會限制對時間要求更高且更耗電的低層處理（如數位前端）進行集中化。類比（無線）部分也必須在C-RAN部署中仍然保持分散式，原因是用戶也依然是分散式。

流量：行動寬頻及未來的RAN

減少RAN能源使用的方法主要有兩種：快速休眠和速率自我調整。快速休眠方法旨在盡可能快速傳輸資料，這樣就可以最大程度延長睡眠模式的時間。速率自我調整旨在讓傳輸速率適應立即要求，從而通過在傳輸資料時降低頻率或停用某些元件實現節能。

考慮到真實網路中的流量統計，顯然這兩種方法都很必要。大約95%的資料流量都很小（小於1MB），而1%最大的流量占總數據量的近四分之三。對於較小的資料流量，速率自我調整是降低能源需求的有效方式，原因是大多數流量不需要大頻寬和很多天線。相比之下，從能源效率角度來看，處理大型流量的最佳方法是將高資料速率與有效機制相結合，以便設備傳輸完成後立即進入休眠狀態。

目前估計影片流量占所有行動數據流量的69%，預計到2027年這一比例將增加到79%[9]。為了提供令人滿意的使用者體驗，網路必須能夠按需求播放影片內容，不能出現延遲或停頓。影片流通過緩衝方式消除傳輸量的變動。因此，影片服務可以輕鬆與RAN中的節能功能相容。

避免停頓需要能夠在相對較慢的時間尺度（秒）上進行速率自我調整。確保影片服務的播放到達時間和Web服務的內容到達時間夠短，需要大約20Mbps[10]幾乎即時可用的位元速率。由於可接受的內容到達時間和播放到達時間可能達到1到4秒的量級，「幾乎即時」需要遠小於該值（比如100毫秒）。

因此，對於Web和影片服務，如果可以在一秒內提供能夠滿足新服務要求的額外容量，那麼基站在100毫秒內向任何用戶提供大約20Mbps的速率就足夠了。這將可實現大約1.5秒的內容到達時間，而這種情況在近期的愛立信行動趨勢報告[9]中被歸類為在2025年是非常出色的情形。

如果謹慎管理低時延要求，關鍵型機器通信和其他低時延服務也可以與RAN節能功能相容。低時延服務需求必須要分為另外兩個類別：服務註冊時延和協定啟動時延。低時延服務的啟用需要獲得RAN服務品質保證，其中包括要花費100毫秒或更長時間進行的設置過程。

此外，需要根據區域和頻段納入低時延要求。沒有必要為了在有限區域內的工廠自動化，而在全國提供超低時延服務支援。提供低時延服務支援的頻段、基站和節點並非時時刻刻存在這項要求。即便最關鍵的低時延服務也不需要網路一直處於高度警戒狀態，導致節能速率自我調整或容量自我調整被禁止在RAN中使用。

簡而言之，只要滿足以下兩個條件，就有可能支持目前和未來（據目前所知）的所有服務，同時停用基站中接近100%的多餘功能：

1. 可以在100ms內提供至少20Mbps給額外的用戶。
2. 可在一秒鐘內提供任何額外的所需容量和速率。

超出該範圍的所有處於活動狀態但未使用的備用容量均屬能源浪費。

標準化和6G

標準化的系統設計是實現整個網路節能設計的基礎。但只有好的標準還不夠，元件和產品還必須發揮標準所提供的潛力。包括利用AI工具實現負載平衡和能耗最小化的網路管理也必不可少。為了發揮作用，網路管理需要一個能夠實現低能耗和負載相關運行的良好標準，以及利用該標準實現節能的產品。

NR已經成為網路低能耗強大驅動因素的精益標準。從能源效率的角度來看，向6G邁進最重要的是保持和擴展NR所立足的精益屬性，比如，實現長達160毫秒的無傳輸週期。對於6G來說，精益設計的概念應該得到擴展，這樣才能更好地支援網路緻密化甚至大規模MIMO陣列天線，而不必在同步、系統資訊和尋呼方面對閒置模式信號進行過多的空間重複和波束掃描。

如今的NR規範可以為閒置模式的使用者設備（UE）提供信號支援，用於查看配置並且可在活動模式下使用的全部波束、頻段和節點。考慮到相關傳輸的能源成本和較短的無傳輸期，以及減少睡眠的可能性，標準和產品是否需要這種透明度值得商榷。

在關於下一代技術的討論中，有一種意見是允許一個領域的需求傳播到其他領域，甚至傳播到所有領域。對極限能力的支援——比如極高速率和相應的極限傳輸頻寬、極低且可預測的延遲以及極限可靠性——對於實現針對6G設想的各種案例非常重要。

同時，這類功能也會帶來網路能耗方面的成本。但必須要指出的是，這項成本僅限於需要使用特定能力的地點和時間。做到這些的其中一種方法是避免將對活動模式的要求也應用於閒置模式。我們認為，有必要在未來網路中對活動模式和閒置模式進行更加嚴格的區分。

此外，應當儘量設計獨立自足的功能，避免重複使用為某一功能指定的信號支援其他功能。這聽起來可能有悖常理，但經驗顯示，不同功能之間的相關依賴性通常會妨礙實現理想的睡眠模式。這方面的一個典型例子就是LTE中的社區特定參考信號，它既用於資料的活動模式解調，也用於閒置模式UE社區搜索和移動。這種重複使用導致在閒置模式下傳輸信號的成本非常高。

我們希望在6G中看到的其中一項改進就是能夠避免在沒有資料傳輸時獲取渠道狀態資訊（Channel-state information, CSI）的開銷成本。一種基於前同步碼的物理無線鏈路設計能夠將用於CSI採集的同步信號和參考信號與資料突發一起傳輸，可以讓所有配套信號（同步、CSI採集等）的成本變得明確。這種配套信號的機會性調度將因此變得更加自然。

更多共用和共用基礎設施的可用性將有助於進一步降低網路總能耗。這方面的例子還包括多無線接入技術（RAT）、多營運商和/或多頻段運行。儘管針對這種場景已經有數種標準化的解決方案，但相關強化還需要進一步研究。

關於AI在提高能源效率方面的作用，預計絕大多數AI功能都與實施相關，而不是規格。然而，有些標準化AI支援功能與在網路中優化能源為目標的可觀察性和控制相關，這類功能將有所幫助。

隨著6G工作的推進，必須要注意到在後續技術規範版本中引入與新功能關聯的風險。根據不同的新功能和相關指令添加方式，精益設計的潛力很可能會在標準和實施中大打折扣。總而言之，5G有能力在行動系統中執行低能耗措施，已經是非常出色的標準。精益設計可以通過涵蓋更多領域（頻段、波束、節點、RAT、切片等）在6G中得到進一步優化和增強。

結論

精益設計是提高無線接取網路能源效率的基礎。與長期演進（LTE）相比，新無線（NR）標準的精益設計可謂一項重大改進，能夠讓5G現網的能耗達到前所未有的低水平。最重要的是，這一進展在未來的標準化和產品中不會受到影響。

展望未來，主要的能源效率挑戰將是通過擴展流量處理滿足高性能網路的數位處理需求，這類網路既具備更大的天線陣列和頻寬，也存在更短的處理時間要求。在6G發展的時程中，我們主張進一步減少固定閒置模式的能源使用和峰值功率要求，這些變化將讓我們能夠使用尺寸更小、重量更輕的產品，同時還可支援6G網路的新型部署解決方案。

1. 愛立信，2021年永續發展暨企業社會責任報告書
2. EARTH可交付成果2.3，參考系統的能效分析、改進領域和目標分解，2010年12月
3. IEEE Xplore，2014 IEEE第79屆車輛技術會議（VTC春季），多RAT場景中降低能源消耗的替代方案評估，2015年，Frenger, P; Ericson, M
4. 愛立信，IMT-2020自我評估：無線網路能源效率，3GPP TSG-RAN WG1 #91，R1-1720954，美國里諾，2017年11月27日至12月1日
5. 愛立信部落格，5G能耗：5GNR對真實網路的影響如何？，2021年10月8日
6. 愛立信，容量更強，功耗更低：5G NR如何降低網路能耗，2019，Frenger, P; Tano, R
7. 愛立信技術評論，以人工智慧確保網路能源效率，2021年4月13日，Vandikas, K; Hallberg, H; Ickin, S; Nyström, C; Sanders, E; Gorbatov, O; Eleftheriadis, L
8. IEEE Xplore，5G及其後的綠色行動網路，2019年，Masoudi，M等人
9. 愛立信行動趨勢報告，2021年11月
10. 愛立信部落格，誰更在意5G峰值下載速度？2022年1月18日，Ludwig, R