1 面向绿色未来的高能效 5G 技术 易芝玲、韩双锋、边森 中国移动研究院 成本和能耗形成了极大的挑战，必须要有革命性的通信技 术来应对。 面向绿色 5G，业界在科研和标准化方面的努力： 频谱效率（单位带宽的数据速率）是通信网络设计中的一 个重要参数。为提高频谱效率性能，人们提出了多种技术， 包括先进的编码和调制技术[3]、大规模天线多输入多输出 （MIMO）[4,5]、全双工技术、非正交多址（NOMA）[6,7] 等。自 5G 发展之初，能量效率（定义为数据传输速率与 总功耗之比）也被作为一项关键性能指标，绿色无线通信 一直是学术界和工业界的研究热点[8-12]。例如，2012 年， 中国移动提出了“绿色和柔性”的 5G 设计理念，也就是 5G 网络应该具有巨大的资源效率和软件定义的高度灵活 性[8]。清华大学的教授提出了一种基于小区缩放（根据业 务负载自适应调整小区大小）的低成本绿色小区网络设计 方案[9]。此外，行业还开展了一些项目，如 EARTH 和 GREENTOUCH 等。 能量效率指标在随后的 5G 标准化进程中也发挥了重要作 用。在第三代合作伙伴关系项目（3GPP）的最新规范版本 中，引入了多项新的节能功能，以实现更好的能效，包括 删除始终处于开启状态的参考信号，扩大广播同步信号间 隔，以及在轻载条件下的基站休眠机制。 有了产学研和标准化组织的重视，5G 技术足够绿色吗？ 3GPP 和 ITU 规定，网络的能量效率取决于业务负载较高 时的数据传输效率，并以平均频谱效率为特征。当业务负 载较低时，可以通过网络和移动设备的休眠时间来估计能 量效率[13,14]。例如，在 30khz 子载波间隔以及 20ms SSB 设置周期的情况下，基站的时隙级睡眠比为 98.75%。这意 味着可以节省 98.75%的电量[15]。正如业界在设计和部署 5G 网络时通常预测的那样，业务流量负载将非常高。但是， 频谱效率的提高不等同于更高的能量效率，特别是当频谱 效率的增加是由于总功率也同样增加的情况。为了准确评 估基站的能效，同时考虑硬件和软件消耗，就需要考虑正 式的能效定义（数据速率与总功耗的比率，而不是 3GPP 和 ITU 的方法）。ITU 的相关评估工作是不严谨的（它认 为：高业务量时频谱效率高就是能量效率高，低业务量时 基站有休眠能力就认为能量效率高。一个根本的问题是这 种方法忽略了 5G 系统的总功耗的评估，这恰恰是 5G 系统 最严重的问题） 与 4G 相比，5G 系统具有以下特性，这些特性会影响其功 耗和最高数据速率。  更大的天线数量：5G 的基站可能配备 64、128 或更多 天线。天线数目的增加使得频谱效率得到提高，形成 摘要: 能量效率 EE（Energy efficiency, 定义为数据传输速率与 总功耗之比）一直被认为是5G网络的一个重要设计指标。 然而5G 更高的天线数、更大的带宽和更高的基站密度严 重恶化了5G网络的整体功耗。本文介绍了全球为绿色5G所 做的科研与标准化方面的努力，指出了3GPP标准化在能效 分析方面的一些不完善之处。此外，基于5G基站系统的实 际功耗测试结果，深入分析了高功耗的根本原因。并指出 了单天线/多天线系统的能量效率与频谱效率SE（spectrum efficiency,单位带宽的数据速率）之间的根本矛盾：频谱效 率的提升会导致能量效率的恶化。面向未来的绿色5G和6G， 进一步提出了解决这一基本的EE-SE矛盾的方案，包括高 能效的空中接口技术设计、网络架构以及基站实现。最后， 分析了5G如何助力实现一个更绿色的社会。 通信行业为什么必须绿色节能？ 从几十年前第一代（1G）模拟通信系统商用以来，无线通 信产业蓬勃发展。然而，由于移动通信量的不断增加，对 行业提出了越来越高的要求，这意味着能量效率现在是一 个紧迫的问题。根据全球电子可持续发展倡议（Global e-Sustainability Initiative）的一份报告，到 2020 年，信息和 通信技术产业每年的温室气体排放量将达到 130 亿吨[1]。 此外，预计到 2030 年，连接设备的数量也将增长到 1000 亿台，进一步加剧了这一问题 [2]。与前几代通信网络相比， 第五代（5G）网络将需要更多的天线、更大的带宽和更高 的基站密度，未来 6G 系统情况尤甚。这对运营商网络的 

2 了较窄的波束。然而，增加的更多天线和收发器所需 的处理功耗可能显著增加，甚至恶化能量效率[16]。  带宽更大：假设功率谱密度（PSD）相同，在带宽为 100 兆赫兹的 5G 网络中，数据传输所需的功率将是带 宽为 20 兆赫兹的 4G 网络的 5 倍。  更高的基站密度：5G 基站的平均密度有望是 4G 的 3 倍，到 2025 年，全球 5G 基站数量有望达到 6500 万 个。 表 1： 4G 和 5G 典型宏基站功耗比较 表 1 显示了中国移动 2019 年测量的典型 2.6GHz 4G 和 5G 宏基站的功耗。基站的总功率包括基带处理的功耗和远程 无线电单元（RRU）的功率。4G 基站的每个扇区（通常有 三个扇区）的带宽为 20MHz，传输功率为 40W，并使用八 个发射天线和八个接收天线。相比之下，5G 基站的传输功 率为 240W，带宽为 100MHz，使用 64 个发射天线和 64 个 接收天线。5G 的平均测量吞吐量约为 4G 的 16 倍，主要是 由于带宽和频谱效率的提高，使得能量效率比 4G 提高了 4 倍以上。然而，5G 基站单站的总功耗大约是 4G 的四倍。 能量效率与频谱效率的矛盾是否不可调和？ 为了提高带宽效率，Shannon 的信道容量理论一直在指导 研究人员和工程师开发单输入单输出（SISO）系统和 MIMO （多天线）系统。在单输入单输出（单天线）系统中，我 们可以认为能量效率和频谱效率之间的关系是单调的，较 高的频谱效率总是导致较低的能量效率（为了简单起见， 假定电路消耗的功率为零）。然而，当在分析中考虑电路 功率时，在能量效率-频谱效率曲线上存在一个“绿点（能 量效率最高点）”，在这里可以实现最大能量效率（图 1）。 与单输入单输出（SISO）系统相比，MIMO 能够同时提高 能量和频谱效率。 毫米波大规模 MIMO 系统的另一种实现方法是模拟/数字 混合波束赋型，它可以减轻传统全数字波束赋型结构的巨 大功耗和成本负担（这也是 5G 标准化重点考虑的课题）。 例如，对于收发机数为 N 且每个收发机的天线数为 M 的混 合波束形成结构，它的绿色点处的对数能量效率与频谱效 率成线性比例，并且斜率和 N 天线 MIMO 情况的斜率相同。 由于每个收发器的 M 个天线能够提供 M 倍的波束形成增 益，因此能量效率性能通常是 MIMO 情况的 M 倍。该混 合波束形成的绿点能量和频谱效率关系式为[17]， （1） 其中，η *EE、h、η PA、η *SE 和 N0 分别表示绿点能量效率、 信道增益、功率放大器效率、绿点频谱效率和噪声功率谱 密度。注意，当 M 为 1 时，是 MIMO 情况，而当 M=N=1 时，是 SISO 情况。在图 1 中，带宽为 20MHz，N0=-173dbm/Hz， h=-100dB，η PA=0.3。 5G 比 4G 的能量和频谱效率的提高可以归因于更多天线的 引入。在未来，如果能通过更节能的基站实现技术进一步 降低电路功率，绿点能量效率将提高，但绿点频谱效率将 降低（这和实际需求之间会存在很大的矛盾）。如果引入 更多的天线以进一步提高能量和频谱效率，总功耗也会大 大增加，除非基站设计可以很好的控制电路功率的增加。 这一点说明了 5G 巨大功耗背后的根本原因。未来 6G 及以 后的通信系统频谱效率性能极有可能大幅提升，这意味着 绿点能效将进一步下降，功耗将加速恶化。如果无线通信 行业遵循这一趋势，相关的碳排放将不可避免地增加。因 此，在保持高频谱利用率的同时，打破频谱利用率与能效 之间的根本矛盾，提高能效具有重要意义。 图 1. 4G/5G 系统能量效率和频谱效率的关系 潜在关键技术解决方案 为了克服能量和频谱效率参数之间的根本矛盾，业界研究 了各种技术。我们在此着重分析两种空中接口技术：非正 交多址技术 NOMA 和波形重叠复用技术（WOM），这两 种技术可以在不增加天线数量的情况下同时提高能量和频 谱效率。这是传统的多天线技术不可能达到的效果。 NOMA 是一种很有前途的多址接入技术，它可以提高可实 现的网络容量（多用户的和容量）。在 NOMA 方案中，在 下行链路或上行链路中，多个用户被调度在同一时间/频率 资源上，包括信道条件非常差的小区边缘用户。例如，对 于下行链路的两个用户，可以基于用户的服务需求和调度 算法来分配资源[18]。因此，能量和频谱效率区域的上限是 所有发射功率分配给强用户的情况，下限是所有发射功率 分配给弱用户的情况。因此，能量和频谱效率之间的关系 变得与 B/P（带宽与总功率之比）的斜率成线性关系，这 表明 NOMA 系统能够通过功率分配实现能量和频谱效率 的同步提高。这为解决挑战性的功耗问题提供了一个机会。 *SE/0E*E 2)2(/NPAMhNln

近年来，出现了几种波形重叠方案，如比 Nyquist（FTN） [19]和频谱有效频分复用（SEFDM）[20]更快的方案。在这 些方案中，传统的 SISO 系统可以转化为有效的 MIMO 系 统，其中每个波形类似于一个天线。注意，波形间干扰矩 阵（其实是有效的 MIMO 信道矩阵）不需要测量，并且通 过简单的信令在发射机和接收机处容易知道。这与需要测 量信道矩阵的传统 MIMO 系统有很大不同。理论上，与单 天线系统相比，波形叠加技术提供了巨大的性能改进。然 而，在实际环境中，WOM 方案需要克服许多问题。例如， 衰落信道中的多径效应可能会降低波形间干扰消除性能。 此外，随着 MIMO 甚至大规模 MIMO 在当前网络中的广泛 应用，WOM 方案可能会受到严重的天线间干扰。 (2010). (2011). 3 (Global 21st Century Challenges https://go.nature.com/3ba2ZPA e-Sustainability Initiative, 2015). [3] Niu, K., Chen, K., Lin, J.& Zhang, Q. IEEE Commun. Mag. 7, 192-203(2014). [4] Rusek, F. et al. IEEE Signal Process. Mag. 1, 40-60 (2013). [5] Larsson, E. G., Edfors, O., Tufvesson, F. &Marzetta, T.L. IEEE Commun. Mag. 2, 186–195 (2014). [6] Dai, L. et al. IEEE Commun. Surveys Tuts. 3, 2294–2323 (2018). [7] Ding, Z. et al. IEEE Commun. Mag. 2, 185–191 (2017). [8] [9] Niu, Z., Wu, Y., Gong , J. &Yang, Z. IEEE Commun. Mag. 11, 74–79 I, C.-L. et al. IEEE Commun. Mag. 2, 66–73 (2014). [10] Li, G. Y. et al. IEEE Wireless Commun. 6, 28–35 (2011). [11] Feng, D. et al. IEEE Commun. Surveys Tuts. 1, 167–178 (2013). [12] Chen, Y., Zhang, S., Xu, S. &Li, G. IEEE Commun. Mag. 6, 30–37 [13] ITU-R M.2083-0, Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), 2017-11. [14] Mishra, A. R. Fundamentals of Network Planning and Optimisation 2G/3G/4G: Evolution to 5G. (John Wiley & Sons, 2018). [15] 3GPP TR 37.910 v16.0.0, Study on self-evaluation towards IMT-2020 submission (R16), 2019-06. [16] Liu, W., Han, S. & Yang, C. IEEE Trans. Commun. 2, 107–121 (2017). [17] Han, S., I, C.-L., Xu, Z. &Rowell, C. IEEE Commun. Mag.1, 186–194 (2015). [18] Han, S., I, C.-L., Xu, Z. & Sun, Q. IEEE MMTC E-Letter, 5, 21–24 (2014). [19] Rodrigues, M. &Darwazeh, I. In 2003 Int. OFDM Workshop 48–49 (2003). [20] Anderson, J.B. , Rusek, F. &Öwall, V. IEEE Proc. 8, 1817–1830 (2013). [21] Checko, A. et al. IEEE Commun. Surveys Tuts. 1, 405-426 (2015). [22] I, C.-L. et al. IEEE Access. 2, 1030 – 1039 (2014). [23] Xin, Y. et al. IEEE Trans. Veh. Technol. 5, 3243–3254 (2016). 为了进一步降低系统功耗，人们研究并部署了新型无线接 入网（RAN）结构。例如，如果实现基于中央处理的云 RAN （C-RAN）架构，则可以显著降低基站空调系统的功耗 [21,22]。还有，正如 O-RAN 联盟正在探索的那样，如果有 效地减轻小区间/小区内干扰并对资源进行全局优化，则系 统的能效可能会进一步提高。根据 3GPP 的评估，基站睡 眠是另一种有效的节能方法。 基站的基带和 RRU 构成总功率（表 1）。因此，需要实现 更节能的基带算法（如发送、接收、媒体访问控制（MAC） 调度和协议处理方案）和硬件（如芯片、处理板、模数/数 模转换器和功率放大器）。对于低于 6GHz 和更高频率的 频段，如毫米波频段，存在一个最佳的天线/收发器数目， 该数目产生最佳的能效性能[17,23]。然而，优化设计需要 全面分析部署场景、信道条件、用户分布、频带、硬件和 软件实现以及成本。 5G 开创绿色未来 5G 能够在不同的场景中支持各种无线服务，可以为个人消 费者以及各种垂直行业提供通用的连接。这为一个更绿色 的社会和生活方式打开了宽广的机遇之门。例如，5G 超可 靠低延迟通信（URLLC）功能可以支持自动驾驶，同时优 化路线以及燃油和刹车控制。特别是，通过优化加速过程、 速度和方向，可以大幅降低车辆的油耗，从而显著影响油 耗。此外，5G 还可以通过智能车辆调度来改善城市交通拥 挤状况，从而显著节约能源。 5G 技术还可以为智能电网提供强大的能力，例如自动识别 故障、校正和恢复能量流的超低响应时间。考虑到 2018 年 全球发电量超过 26 万亿千瓦，电网控制和管理的任何改进 都将大大节省能源。智能计量、远程教育、远程医疗、高 清视频会议和虚拟现实等在线服务也可以从 5G 中受益， 这可以减少对交通和通勤的需求。最后，在智能家庭、建 筑物和城市中，通过 5G 功能连接传感器，5G 可以帮助实 现对供暖、空调、照明和家电的节能、及时的智能控制， 进一步促进绿色社会的发展。 参考文献 [1] GeSI SMARTer 2020: The Role of ICT in Driving a Sustainable Future https://go.nature.com/3dkid6q (Global e-Sustainability Initiative, 2012). [2] Global e-Sustainability Initiative. SMARTer 2030: ICT Solutions for