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1、5G网络能效评估2015年12月，3GPP召开了第70次会议，定义了5G网络，设定了一个目标，即在未来10年内，5G应支持100O倍的流量增长，同时整体网络能耗应比目前典型网络的能耗减少一半。很明显，为了支持移动网络在生态和经济上的可持续发展，网络能效已经成为一个越来越重要的要求。除了网络能源成本和二氧化碳排放，减少基站能耗的额外动机是实现依赖可再生能源的离网解决方案。在全球范围内，大约80%的移动网络能耗发生在基站，预测表明，使用LTE,这将进一步增加到90%甚至更高。2015年，即使在负载最高的网络中，LTE网络一周24小时的平均PRB利用率也仅为5-25%,中值低至约2.5%。显然，基站
2、能效的关键因素之一是在小区“空闲”时，即在小区没有用户面流量的情况下，将能耗降至最低。目前的LTE基站在这方面表现相当差；空闲LTE宏站与满负荷基站相比仅消耗约50%的能量,确切值取决于小区的最大功率和其他实现方面，在低功率基站中，无业务期间消耗的功率减少可能仅约为10%o这主要是因为LTE的CRS设计没有针对快速小区检测进行优化，也没有针对能效进行优化。空闲的LTE小区每ImsTTI以14个符号中的4个符号传输CRS,这使得高效利用诸如microDTX之类的节能机制变得困难。功率放大器消耗基站级的大部分功率。在宏站中，PA(Poweramplifier)的占比通常约为60-70%,而在低功率
3、基站中，基带也消耗了相当大的总功率份额。图1显示了一个基站断电的例子(2011年)。功率放大器的效率将会提高，但更高的频率、更低的射频功率和更宽的信号带宽给5G带来了新的挑战。此外，由于PA效率的发展相对数字部件的发展缓慢，预计未来PA的相对份额将增加。AflexibleandFuture-ProofPowerModelforCellularBaseStations,B.Debaillie,C.Desset,F.Louaigie,IMEC,IEEE2015中介绍的一个最新功率模型预测，2020年，对于macro和SC(signalcarrier)而言，20MHZmacro中PA的份额已经达到7
4、5-80%,电源是第二大消耗组件20%),基带的份额将下降到K以下。另一方面，数字部件的消耗量根据带宽呈线性增长。因此，在5G中，基带的份额会更高。例如，对于总功率为240W、带宽为500MHz的宏站，该模型计算出2020年基带的份额约为16%。PAMainSupplyDC-DCIRFBBCooling136y7%9%12%5%7%8%9%7%5%7% %80UMoP,Jq UoAdEnSUoJ-BMOdMacroMicroPicoFemto图1:无线基站的功耗分布GalliumNitride（GaN）FET是最有前途的5G放大器功率晶体管技术，适用于3-30GHz范围（2015年）。成本一直
5、是采用GaN的限制因素，但成本正在迅速下降，第一个由GaN供电的宏基站已经上市。包跟踪是在较低负载水平（目前适用于几十兆赫的带宽）下提高功率放大器效率的一项有前途的技术。如今，部分加载的放大器效率低下，留下了更多的改进空间。通过假设PA峰值效率在未来15年内从当前的约40%提高到约60%,当前提出的模型推断出的预测，首先是由于引入了GaN,然后是由于目前正在研究的开关模式PAo假设在IOdB较低负载下，功率放大器效率分别从当前的约15%提高到约40%。假设数字部件的效率每24个月提高2倍，即略低于摩尔定律。在短的微秒级不活动期间，基站可以关闭PA以降低功耗，也称为microDTXo如图2所示,
6、在较长的不活动时间内，可以考虑采用更多的深度睡眠模式来进一步节省能源Power由于LTE参考信号的设计，LTE基站中的微DTX节能受到很大限制。此外，由于LTE需要每ImsTTI发送4次CRS,因此LTEPCELL不可能使用更深(Ims-Is)的睡眠模式。只有完全开/关切换(例如对于微小区)才允许在LTE中使用深度睡眠模式，但这是一种相当缓慢的机制，主要适用于跟踪一些长期的流量变化。此外，完全关闭的PCELL的有效唤醒并非微不足道。从分析的角度比较不同的设计方案对其物理层能效的影响是很简单的。影响能效的关键设计选择是基站发射机的活动量和无用户面数据发送时的不活动时间，因此这应该是比较不同设计能效特性的关键标准。在更实际的情况下，5G应尽量减少强制公共信道传输的范围，从而在没有预定数据的时间段内实现高效的基站DTXo除其他外，这意味着公共参考符号传输的最小范围，并重新考虑同步信号和PBCH类型的传输。由于小区发现和同步维护性能可能由同步信号传输的数量和周期决定，该设计可能需要为运营商提供工具，通过允许不同小区中的不同同步信号周期来权衡移动性性能和能源效率。
