5G的3D-MIMO及小基站绿色节能技术探讨

Drony

“面向5G的3D-MIMO及小基站绿色节能技术研讨会”于2017年7月5号在中国移动研究院举行。

会议由中国移动研究院绿色中心主任崔春风主持，移动研究院主要领导移动集团公司计划部绿色行动计划办公室领导参加会议并致词，中国移动研究院首席科学家易芝玲博士出席并发表演讲，并主持多家设备上和芯片商签署了“面向5G的无线网能效提升合作宣言”。


会上，来自华为、中兴、大唐以及爱立信的技术专家针对5G系统设计中的节能技术进行了专题演讲，同时，来自Intel、NXP、塞灵思等芯片厂家的代表也参与演讲，讲解了5G时代芯片设计中的节能技术及其未来发展。此外，山东移动也结合绿色节能软件在山东移动的具体应用，讲解了GSM系统中老旧载频置换的效果。最后，采用圆桌会议的方式对5G节能技术进行了进一步探讨，并回答了现场人员的一些疑问。

编者注：由于领导讲话中提到的信息量极大，技术专家分享的技术内容众多，故考虑采用2篇文章发布，本文首先摘录领导讲话的部分信息，供大家学习参考。下文继续奉献5G节能方面的技术手段和见解。

本文为第一部分，“领导观点“。领导们，高瞻远瞩，从宏观和大局入手，帮助我们深入了解绿色发展和通信节能的意义，从而使我们对5G时代的mMIMO和小站这”一大一小“技术和设备产生新的认识和思考。

1.     移动研究院副院长黄宇红讲话内容摘录

移动研究院主要领导讲话认为，2020年中国移动节能减排目标是降低二氧化碳排量和能耗。

中国移动有160万基站/LTE，加上2G和3G基站，总共有300多万基站。2016年CMCC总能耗突破200亿，无线网站比超过50%。

mMIMO技术是个好技术，但是其能耗极大，功放效率是8TRX的3~4倍，大规模部署会更厉害。5G中除了mMIMO，超密集部署中小站的功耗也很大，整机能耗还不到1%，因此它们会成为网络部署的瓶颈。

5G需求中，5G之花中有3个绿叶，频谱利用、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需提高5～15倍，能源效率和成本效率均要求有百倍以上提升。


2. 中国移动集团公司计划部绿色行动计划办公室主任李海滨讲话内容摘录

中国移动集团公司计划部绿色行动计划办公室领导讲话中提到，十三五期间，节能低碳和绿色发展是国家高度，绿色首次纳入五大发展的理念之一且排名第三，党建从4建变成了5建，增加了生态文明的建设。席主席说绿水青山就是金山银山，今年碳排放纳入了地方方政府的业绩考核。

中国移动2008年就启动了以节能减排为中心的绿色行动计划，不但关注自己的绿色网络建设，同时非常关注绿色产业链的发展，早在十二五期间，就和53家合作伙伴合作，提出研发阶段就需要进行设计革命，将能效和性能并重，采购中也具有节能标准。中国移动获得了国资委2013到2015年度的节能先进集体(20家企业之一)，去年作为唯一一家内地企业首家入选国际碳排放气候变化(???)最高评分名单。

和节能减排之前对比，2016年单位业务量耗电下降了94%，相当于节电度569亿度，相当于1600万辆小汽车一年的碳排放量。从无线设备方面来讲，通过和合作厂家的共同合作，以BBU为例， 2016年采购的BBU的能耗比2013年下降了60%，相当于每年节电6.6亿度，成效非常显著，也就是说合作厂家的器件和设备本身能耗的降低给中国移动带来了能耗收益，给国家节约了资源，给客户节约了成本。

5G建设当中，mMIMO和小站也希望降低功耗，把未来网络打造得更加绿色、高价高效。

3. 中国移动研究院首席科学家易芝玲博士讲话内容摘录

中国移动研究院首席科学家易芝玲博士演讲中展示了研究院在绿色节能方面的努力和成果。

中国移动作为全球最大的运营商，LTE基站超过160万，2/3G加起来将近150万，如果没有绿色计划办公室的成立，没有中国移动的大量努力，能效增长变化决不会这么大(569亿度)，但未来挑战更大。

绿色通信技术中心于2011年成立，并在体系化思考的基础上建立了金字塔形框架，认为绿色计划应当分层分级从不同层面进行考虑，从材料器件到设备、到站点再到网络，更进一步到部署和跨网等方方面面，中国移动和设备上紧密合作，对各项技术都进行了研究和探讨。

2/3G网络是部署后才开始考虑节能技术，但4G站点从初始部署起就已经考虑到节能的概念了，因此LTE从开始就是绿色网络。2013年集采时一些技术尚未成熟，但是大规模部署时，所有节能技术，比如从2/3G的时隙关断和载波关断到4G时代的符号关断、通道关断以及小基站关断，在网络中都已经得到了规模化的应用。对于一些特殊场景，比如高铁场景下，运营轨迹时是线性可预测的，因此可以使用一些特定的节能技术，并已经得到应用。

比如2/3G共模基站，在时隙对齐的基础上，节能技术也得到了大幅提升并已经规模应用。网络级和跨网络技术从2014年就已经进行了工作，2/3/4G网络作为一张网，一个系统，进行整体的跨网协作、协同和部署，不光跨系统还跨厂商，所以是一个很完备的全面适配的系统。

简单来讲，就是用纯软件方式，采用服务器等简单技术来进行2/3/4G网络的管理，一个服务器可管理的小区容量就达到了4万个，目前已经在多个城市进行了规模化部署，后续会考虑省级部署，并引入了大数据分析技术，将其引入到网络管理和节能技术中，让未来的2/3/4/5G以及WLAN等实现全局的节能优化，目前已经能够做到根据流量和用户需求每15分钟进行一次无线参数配置了，将来是否能够更加提升实时性还有待研究。

中国移动在5G方面提出的5G之花中的关键指标基本上全部被ITU接受了，除了成本效益有争议没有被接受之外。其实，当初有提出17个关键指标的，也有提出3个KPI的，我们提出的9个中有8个被接受，应该很值得中国人自豪。其中，能效提升几百倍(我们提的是一千倍但是ITU最终确定是几百倍)表明能效是非常受重视的。

一大一小，即大规模天线和超密集小站是5G很重要的关键技术，但目前实际上5G技术4G化，所以这些技术在4G网络中已经得到了应用，其应用规模也在增加。对于mMIMO(大规模天线)基站，中国移动在2015/8已经在上海市中心区采用128天线部署了全世界第一个预商用基站，2016年开发出3载波mMIMO技术，今年会在2000个基站上得到应用。其应用范围不太大的原因是成本实在太高。

目前，单载波8T8R基站的功耗约为22W，64T64R就增加到100W，基本上为指数增长方式，因为BBU的处理复杂度指数级增加。RRU部分整机效率目前大多为15%，达不到20%，相比成熟的4G技术的40%有很大差距。而这些还是满载时候的统计数据，其实网络并非经常满载，在中等负荷的情况下，整机效率则低至10%，这是非常糟糕的事情。对于单载波128天线基站来说，其发射功率为120W时，基站的功耗约为600~800W，假如部署3/3/3载波的站点，同样方式下，其站点功耗约为2500W~4000W，非常不理想，需要大力改进。

小基站从2015年逐步规模化部署，2015年一体化基站约为10万套，今年集采中超过50万套RRU，BBU也超过20万套，未来还会逐步增加。由于整机效率不到1%，250mw的小站的功耗约为20~40W，实在浪费得很。

由此可见，一大一小需要改进的空间确实很大。欧盟有个项目的能耗模型表明，小基站的功耗特性与宏站不同，小站只要开机，其功耗和流量没有关系，因此小站的能耗区别是开与不开，基本上满载不满载都一个样，其最有效的节能放大就是如何有效地进行休眠，休眠时间如何拉长。

估算表明，如果将LTE的160万站中的1%(不到10万个)升级为一大一小基站，以目前的水平看，其耗电量就会达到20亿度，当然将来规模部署时可能不止10%的比例；对于小站转换比例，按照小站和宏站的比例不到1:3来考虑，长期看可能会有300万个小站，以目前技术水平看，其耗电量会增加15亿度。而其中绝大多数是浪费掉的，小站有效能耗只有1%，大站也只有10%，其余都会造成环境污染。

这些数字都是按照4G在2.6GHz上，小站20MHz带宽，大站60MHz带宽得到的，而5G系统可能会在3.5GHz上甚至更高，带宽100MHz起跳，而能效带宽越高能耗越低，频带越高带宽越大能耗越低，因此未来5G时代能效改善的挑战很大，机会也很大，需要大家一起努力共同实现能耗提升的目标。

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