如何在不降低网络的情况下实现5G网络节能

5G时代的到来改变了人类社会的生产和生活方式，但是5G基站AAU功耗大的问题不容忽视。目前华为、中兴、爱立信等主流设备的AAU功耗比4G网络设备中RRU的功耗增加许多，极大地增加了运营商的运营成本。运营中的通信网络资源由于承载业务的不均衡导致资源利用率不充分，甚至有的网络资源处于空载状态。

同时，在5G网络中由于其AAU本身的特点，有的站点其垂直维度尤其是较高垂直维度的小区层资源很难被充分利用，导致了单小区部分资源处于利用率过低甚至空载的状态。在目前整个社会都提倡将本增效的环境下，如何在降低5G网络能耗成本的同时，确保网络资源高效运转对运营商的可持续发展具有非常重要的意义。

本文从AAU天线通道关闭、网络存在潮汐区域的节能方案、网络覆盖能力增强以及网络切换区域的合理设置等4个方面来探讨5G网络如何更有效地实现节能，且网络节能后能确保用户网络体验良好，5G网络资源利用率更充分。

5G网络节能方案实施

5G基站AAU基于通道关闭的节能方案

AAU通道的关闭分两种情况：通道完全关闭以及通道内分时段关闭。

一是通道完全关闭。以5G网络建设中经常用到64通道的AAU为例，5G网络端可以监测每一个通道的流量承载情况，如果流量低于特定的门限值，则开启此通道流量全量迁移尝试，尝试将此通道原来承载的流量迁移到相邻通道，临近通道是否接收取决于自身通道的流量承载极限。同时AAU由于其波瓣具有自我恢复能力，因此通道关闭后对AAU覆盖性能的影响可以忽略不计。

基于AAU通道完全关闭方案的流量迁移算法流程图如图1所示：将64通道的AAU中某个通道设为Tk，Tk通道承载的流量M，Tk-1通道承载的流量O，Tk+1通道承载的流量P；设Tk通道承载流量的最低门限值是L，最高门限值是H，其中L

图1 AAU通道流量迁移算法流程图

二是通道内分时段关闭。当5G网络的AAU检测到部分应该发送下行信号或者上行信号的时刻，而没有数据发送的时候，则关闭PA，节省PA静态功耗。一旦AAU检测到有信号发送，PA立刻恢复为正常状态。以下行信号发送为例，具体5G网络AAU正常状态和节能状态对比如图2所示。

图2  5G网络AAU正常状态和节能状态对比图

潮汐区域的5G网络节能方案

所谓潮汐区域指的是不同时间段5G网络的流量承载负荷不同，城市中的CBD区域以及商业街区潮汐现象相对明显一些，这些区域存在的共同特点为白天人流量较大、网络承载负荷较大，夜晚人流量较小，网络承载负荷较小。

潮汐区域5G网络的节能主要聚焦于潮汐区域的网络结构以及网络运营时各个扇区的流量承载。网络通过日常监控5G基站各个扇区的流量承载情况，按照如下方式实现网络节能，即如果出现扇区A承载的流量>扇区B承载的流量，且扇区B承载的流量完全可以迁移到扇区A，同时扇区A同意迁移，则开启扇区B休眠模式，此时同步调整扇区A的网络参数（如适当抬升下倾角）确保B扇区的流量能够全部足量地迁移驻留进扇区A。另外，扇区A和扇区B的流量迁移基于相邻5G基站中距离最近的两个扇区间完成。

5G基站各个扇区流量迁移具体实现情况如图3所示：gNB3基站的三个扇区向周边基站实现流量迁移方向如箭头所示，接收基站gNB3流量的基站gNB2、gNB4、gNB5能够完全接收gNB3三个扇区的流量；gNB3基站完成流量迁移后开启休眠或者关段模式，暂时退出网络运营。

图3  5G基站各个扇区流量迁移示意图

由于5G网络具备自我优化的能力，所以网络参数的设置可以自我配置、自我动态实现。从一定意义上说，扇区B是一个只用于承载容量的扇区，它在高人流量、高网络负荷的时候开启，在低负荷、低人流量的时间段关闭。时间节点的选择以不引起5G网络中各个扇区出现拥塞预警为前提。

提升5G网络覆盖能力，降低网络能耗

网络覆盖性能的好坏主要影响5G网络系统控制信道信令的开销。在5G网络覆盖能力较差的情况下，终端需要不断地检测网络信道，这样导致信息传输的速率大打折扣以及信令开销增加，信令开销的增加会导致系统能耗的增加。另外，网络导频信号设置不合理可能会引起终端的乒乓切换，增加网络不必要的信令开销，无法完成业务信道正常的数据传输。

5G基站的控制信令主要是RRC建立流程（如图4、图5所示），两种信令流程的区别是只有激活了接入层安全的终端才可以发起重建过程，如果有上下文并校验通过，则重建成功，否则按照图4完成RRC重新建立。

图4 5G基站RRC信令流程（1）

图5 5G基站RRC信令流程（2）

无论5G网络和终端之间通过图4流程还是通过图5流程建立RRC连接，当传输指定长度的报文时，如果网络的覆盖性能不足，则终端和网络之间需要多次尝试RRC连接建立链路，这样导致网络资源主要是信令开销增加，增加网络能量消耗。

5G网络覆盖能力的提升从以下几个方面来实现：优化5G网络无线参数，比如通过调整AAU的设计参数如挂高、下倾角和方向角来提升网络覆盖性能；充分运用5G网络特有的覆盖增强技术提升覆盖能力，比如通过在网络的上行方向引入低频实现网络的上行覆盖能力增强；通过合理使用波束赋形技术也可以实现增强网络的覆盖性能。

合理设置网络切换区域，降低网络能耗

网络切换区域的设置主要影响用户选择的驻留小区，当终端向信号质量较好的目标小区发起切换请求时，如果切换门限设置不合理，势必会影响终端不能及时驻留到质量较好的目标小区，而出现终端依然驻留较差小区的情况，这样导致终端不断地检测网络信道质量，增加5G网络的信令开销，进而导致能耗增加。

5G网络切换的信令流程如图6所示，如果终端发起切换请求（HO Request）时，原来5G基站由于切换参数的设置不合理导致终端不能及时切换到目标小区，原来的小区由于信道质量较差，终端的切换请求始终在进行，这样导致系统产生不必要的信令交互，增加资源消耗，进而增加网络能耗。

图6 5G切换流程图

5G网络切换区域的合理设置从以下几个方面来实现：合理设置切换邻区，合理控制5G网络中每个基站的覆盖范围，确保相邻扇区中相互重叠的区域最优；合理设置切换门限以及切换完成时间，确保终端始终可以及时驻留到网络质量最佳的目标小区。

5G网络节能综合分析

基于AAU通道关闭的节能方案，实现起来相对容易，对网络带来的影响是由于通道关闭影响到扇区的波瓣宽度，进而影响扇区边缘的覆盖范围，最后影响用户在小区边缘的速率体验。若64通道的AAU在垂直维度上半部分长期存在业务流量承载较低的情况，则考虑更换较低通道如32通道或者8通道的AAU实现网络节能。

针对5G网络潮汐区域的节能方案实现效果最明显，但是对网络结构的影响相对较大，对5G网络参数的自我优化以及配置能力要求较高，不仅涉及一般参数（如挂高、方向角、下倾角、发射功率等）的调整，也涉及邻区及切换门限值的调整。

提升5G网络的覆盖能力优先选择不增加基站来完成，这种方案实现起来也相对容易，首先通过调整工程参数（如挂高、方向角、下倾角）来完成，其次选择覆盖增强技术，必要时适当调整基站的发射功率来实现。

5G网络切换区域的合理设置主要涉及切换邻区以及切换门限值的设置，实现起来也相对容易。只要5G网络结构变化不频繁，切换区域设置很快完成后不需要频繁调整。

基于5G网络节能方案研究本文从4个方面进行论述，分别是AAU通道关闭、针对潮汐区域的节能、网络覆盖能力增强节能、网络切换区域合理设置节能，以上4种节能方案如果综合使用则效果更好。另外，涉及潮汐区域的网络节能方案还可能涉及区域内站点之间的协同，尤其是参数之间的协同调整，这样对5G网络的自我优化、自我配置能力都提出了很大的挑战。

当然，5G网络的节能以不降低网络的用户感知为前提，只有这样的节能才能同步实现用户感知良好和运营商收益双赢。
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