5G网络节能原则

近年来，网络能效被认为是NR通信系统的关键性能之一（各运营商都在想尽办法节能）。例如，在“NGMN Alliance, “5G white paper”, Feb. 2015”白皮书中指出，网络的能效与网络的环境足迹一起，是使总体拥有成本最小化的关键因素。这是NR的核心设计原则。在3GPP TR 38.913 中，网络能效也被确定为关键性能指标（kpi）之一。预计NR网络在提供更好的区域业务容量的同时，能够最大限度地降低RAN能耗。

从系统的角度来看，网络能效的提高需要多领域的联合解决方案，需在不同的资源领域，如时间/频率/空间/功率进行处理。

时域

在时域中，我们应该只在需要时才发射功率。在不同的时间段内，打开/关闭网络设备中的不同组件，有望获得明显的节能效果。这里，组件包括不同的硬件设备（例如PA）及其组合（例如RU或甚至整个基站）。对于不同的组件，开/关持续时间可能会非常不同。例如，PA可以在时隙或甚至符号级别打开和关闭，而对于BBU，短期开/关 开关可能不可行。为了在时域内最大限度地提高节能效益，我们应该考虑如何将无线资源利用与业务需求相匹配。传统系统中，数据信道设计是为了将业务量波动与动态调度相匹配，但设计了包括控制信道在内的常用信号，以实现鲁棒性和较高的可靠性，而在大多数情况下，这些信号与业务无关。

因此，即使在业务需求非常低的情况下，系统的公共信号仍在不断地传输，导致高能耗。因此，对常用信号进行重新设计，使其具有可配置性和业务适应性，以满足业务需求和控制开销，特别是在时域上是相当合理的。例如，用于解调物理信道的参考信号仅包含在该物理信道占用的同一时间/频率资源内，并且仅在该物理信道存在时才被发送。这包括从传输物理信道的TRP获取精细同步。UE最低性能要求应基于此原则规定。这适用于公共信号/信道以及UE特定信号/信道。

频域

在频域中，我们应该只在宽带可用时才发射功率。从香农定律我们可以看出，带宽越宽，链路能耗性能越高，然后我们就可以得出，在带宽上具有对齐的时长脉冲是首选。由于基站的功耗与所使用的带宽不是线性关系，而容量几乎会随着带宽的增加而线性增长，特别是在干扰受限的环境下（如密集的城区），因此如果能同时使用更多的带宽，则期望更高的能耗性能。类似地，可以看到带宽共享也是有益的，例如，聚合许可和未许可的频谱。这种宽带传输的原理是，应该机会主义地利用带宽和功率，因为只有这样才能在较少的TTI内完成突发传输，基站才有更多的机会在低功率甚至空闲状态下工作。注意，即使具有相同的负载水平（例如，用资源利用率测量），短持续时间（在较宽带宽上）的突发传输也可能比长持续时间（在有限带宽上）的突发传输具有更少的功率消耗，因为基站中的一些组件如果不关机，会一直耗电。只要能够为单个传输突发聚合宽带宽，就可能需要新的控制信道和链路自适应机制。

空域

在空域，我们应该只在需要的地方发射功率。如果能量分布能够得到控制，那么就有可能获得更高的网络能效性能，因为大部分的能量可以用来服务于所需的业务，并且会浪费更少的能量。利用多个天线产生定向波束，然后将能量提供给有用的用户就是这样一种技术。基本上，可以使用阵列增益来降低所需的发射功率，然而，如果RF链的数目明显增加以支持更多的空间数据流，则可能导致基站的更高的总功率消耗。因此，需要研究先进的波束赋形技术，以达到性能和能耗的平衡。

在给定接收器处天线的最大数目的情况下，随着基站处天线单元的数目的增加，在能量消耗和容量增加之间存在权衡。一旦考虑到能量消耗，在基站处增加天线单元的数量可能并不总是有益的。然而，使用最先进的混合波束形成技术和超材料（meta-materia）聚焦阵列技术可以提高波束赋形增益，提高能效。在混合波束赋形中，基站可以控制波束指向性的最大化和同时数据流数目的最大化，从而达到能耗和容量提高之间的折衷。在超材料聚焦阵列技术中，形成不同的预先定义的模拟波束特征，并使用数字电路控制选择哪些波束来传输数据。因此，需要为RF链指定天线端口的最大数目和预定义的模拟波束特征集，以实现高能量效率性能。

功率域

在功率领域，我们只能从高能高效的无线点发射功率。由于不同基站的功耗行为有很大的不同，因此建议考虑基站功耗行为的影响来利用该功率。例如，微站的功耗比宏小区的功耗要低，而对于用户面，微站比宏站支持更高的数据速率，特别是在热点场景中，因此，如果宏站服务的用户较多，则可以实现更高的网络效能。宏站与微站相比，能够支持更大的覆盖范围，在移动管理和整体无线资源分配方面具有明显优势。因此，一种基于能耗的解决方案是从少数基站（例如宏站）发送目标为宽覆盖的信号/信道，同时发送针对大吞吐量但来自微站的较短覆盖的信号/信道。这样，宏站将消耗更少的功率，因为更多的流量负载被卸载到微站，而对于微站，由于功耗非常低，功耗的增加是边际的。