2015年12月，3GPP召開了第70次會(huì)議，定義了5G網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即在未來10年內(nèi)，5G應(yīng)支持1000倍的流量增長，同時(shí)整體網(wǎng)絡(luò)能耗應(yīng)比目前典型網(wǎng)絡(luò)的能耗減少一半。很明顯，為了支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)能效已經(jīng)成為一個(gè)越來越重要的要求。除了網(wǎng)絡(luò)能源成本和二氧化碳排放，減少基站能耗的額外動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)依賴可再生能源的離網(wǎng)解決方案。在全球范圍內(nèi)，大約80%的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能耗發(fā)生在基站，預(yù)測(cè)表明，使用LTE，這將進(jìn)一步增加到90%甚至更高。

2015年，即使在負(fù)載最高的網(wǎng)絡(luò)中，LTE網(wǎng)絡(luò)一周24小時(shí)的平均PRB利用率也僅為5-25%，中值低至約2.5%。顯然，基站能效的關(guān)鍵因素之一是在小區(qū)“空閑”時(shí)，即在小區(qū)沒有用戶面流量的情況下，將能耗降至最低。

目前的LTE基站在這方面表現(xiàn)相當(dāng)差；空閑LTE宏站與滿負(fù)荷基站相比僅消耗約50%的能量，確切值取決于小區(qū)的最大功率和其他實(shí)現(xiàn)方面，在低功率基站中，無業(yè)務(wù)期間消耗的功率減少可能僅約為10%。這主要是因?yàn)長TE的CRS設(shè)計(jì)沒有針對(duì)快速小區(qū)檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化，也沒有針對(duì)能效進(jìn)行優(yōu)化?？?/span>閑的LTE小區(qū)每1ms TTI以14個(gè)符號(hào)中的4個(gè)符號(hào)傳輸CRS，這使得高效利用諸如micro DTX之類的節(jié)能機(jī)制變得困難。

功率放大器消耗基站級(jí)的大部分功率。在宏站中，PA（Power amplifier）的占比通常約為60-70%，而在低功率基站中，基帶也消耗了相當(dāng)大的總功率份額。圖1顯示了一個(gè)基站斷電的例子（2011年）。

功率放大器的效率將會(huì)提高，但更高的頻率、更低的射頻功率和更寬的信號(hào)帶寬給5G帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，由于PA效率的發(fā)展相對(duì)數(shù)字部件的發(fā)展緩慢，預(yù)計(jì)未來PA的相對(duì)份額將增加。

A flexible and Future-Proof Power Model for Cellular Base Stations, B.Debaillie, C.Desset, F. Louaigie, IMEC, IEEE 2015?中介紹的一個(gè)最新功率模型預(yù)測(cè)，2020年，對(duì)于macro和SC（signal carrier）而言，20MHz macro中PA的份額已經(jīng)達(dá)到75-80%，電源是第二大消耗組件（~20%），基帶的份額將下降到1%以下。另一方面，數(shù)字部件的消耗量根據(jù)帶寬呈線性增長。因此，在5G中，基帶的份額會(huì)更高。例如，對(duì)于總功率為240W、帶寬為500MHz的宏站，該模型計(jì)算出2020年基帶的份額約為16%。

Gallium Nitride（GaN）FET是最有前途的5G放大器功率晶體管技術(shù)，適用于3–30GHz范圍（2015年）。成本一直是采用GaN的限制因素，但成本正在迅速下降，第一個(gè)由GaN供電的宏基站已經(jīng)上市。

包跟蹤是在較低負(fù)載水平（目前適用于幾十兆赫的帶寬）下提高功率放大器效率的一項(xiàng)有前途的技術(shù)。如今，部分加載的放大器效率低下，留下了更多的改進(jìn)空間。

通過假設(shè)PA峰值效率在未來15年內(nèi)從當(dāng)前的約40%提高到約60%，當(dāng)前提出的模型推斷出的預(yù)測(cè)，首先是由于引入了GaN，然后是由于目前正在研究的開關(guān)模式PA。假設(shè)在10dB較低負(fù)載下，功率放大器效率分別從當(dāng)前的約15%提高到約40%。假設(shè)數(shù)字部件的效率每24個(gè)月提高2倍，即略低于摩爾定律。

在短的微秒級(jí)不活動(dòng)期間，基站可以關(guān)閉PA以降低功耗，也稱為micro DTX。如圖2所示，在較長的不活動(dòng)時(shí)間內(nèi)，可以考慮采用更多的深度睡眠模式來進(jìn)一步節(jié)省能源

由于LTE參考信號(hào)的設(shè)計(jì)，LTE基站中的微DTX節(jié)能受到很大限制。此外，由于LTE需要每1ms TTI發(fā)送4次CRS，因此LTE PCELL不可能使用更深（1ms–1s）的睡眠模式。只有完全開/關(guān)切換（例如對(duì)于微小區(qū)）才允許在LTE中使用深度睡眠模式，但這是一種相當(dāng)緩慢的機(jī)制，主要適用于跟蹤一些長期的流量變化。此外，完全關(guān)閉的PCELL的有效喚醒并非微不足道。

從分析的角度比較不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)其物理層能效的影響是很簡(jiǎn)單的。影響能效的關(guān)鍵設(shè)計(jì)選擇是基站發(fā)射機(jī)的活動(dòng)量和無用戶面數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的不活動(dòng)時(shí)間，因此這應(yīng)該是比較不同設(shè)計(jì)能效特性的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

在更實(shí)際的情況下，5G應(yīng)盡量減少強(qiáng)制公共信道傳輸?shù)姆秶?/span>，從而在沒有預(yù)定數(shù)據(jù)的時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的基站DTX。除其他外，這意味著公共參考符號(hào)傳輸?shù)淖钚》秶?，并重新考慮同步信號(hào)和PBCH類型的傳輸。

由于小區(qū)發(fā)現(xiàn)和同步維護(hù)性能可能由同步信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)量和周期決定，該設(shè)計(jì)可能需要為運(yùn)營商提供工具，通過允許不同小區(qū)中的不同同步信號(hào)周期來權(quán)衡移動(dòng)性性能和能源效率。