關(guān)于5G基站功耗，有些真相你一定要明白

過去人們只關(guān)心手機(jī)耗不耗電，而基站耗電對于公眾一直是個(gè)秘密?，F(xiàn)在5G火了，基站君也跟著火，基站耗電的事也被擺上了臺面，成為大家熱議的話題。

不管別人怎么說，但作為通信人，關(guān)于5G基站功耗，有些真相你一定要明白。

基站功耗的組成

為了方便理解，我們先來畫一張簡圖。

基站主設(shè)備由BBU和AAU組成。

BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號處理，比如FFT / IFFT，調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼等。

AAU主要由DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)、RF(射頻單元)、PA(功放)和天線等部分組成，主要負(fù)責(zé)將基帶數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號，再調(diào)制成高頻射頻信號，然后通過PA放大至足夠功率后，由天線發(fā)射出去。

簡單的說，基站功耗的計(jì)算公式如下：

基站功耗由PA功耗、RF功耗和BBU功耗組成，并隨著TRX鏈路增加，基站總功耗成倍增加。

比如，Massive MIMO的天線單元越多，每個(gè)天線單元都有PA和RF單元，TRX鏈路增加，同時(shí)BBU的計(jì)算功耗也隨著TRX鏈路增加而上升，因此基站總功耗隨之上升。

影響基站功耗的主要因素

影響基站功耗的主要因素有：PA功耗、漏電功耗和芯片功耗。

PA功耗

PA是基站發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。射頻信號功率本來是很小的，只有經(jīng)過PA放大獲得足夠的射頻功率后，才能饋送到天線并輻射出去，因此PA的重要性不言而喻。

但PA也是最耗電、效率最低的器件，有統(tǒng)計(jì)指出約一半的基站功耗來自PA。

PA功耗為什么這么大呢?

PA的職責(zé)就是忠實(shí)地線性放大信號，但現(xiàn)實(shí)與理性總是有很大差距的，如下圖所示，隨著PA輸出功率越來越接近最大輸出功率(飽和輸出功率)，非線性失真越來越大，這會(huì)嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量。

為了減少非線性失真，PA會(huì)采用回退(Backoff)的方式，將放大器的工作點(diǎn)調(diào)低，以確保輸出功率操作在線性區(qū)域范圍，維持線性度。

但問題就來了，回退操作會(huì)降低PA功耗效率，使得PA功耗更高。

如下圖，PA的功耗等于輸出功率與PA功耗效率之比。

假設(shè)PA功耗效率為50%，至天線的射頻輸出功率為200W，那么，PA功耗高達(dá)400W，這意味著有近一半的功率作為廢熱而損失。此時(shí)，若PA工作點(diǎn)回退10dB以補(bǔ)償線性度，則PA功耗效率將降至20%以下，則PA功耗高達(dá)1000W，這意味著有80%的功率作為廢熱而損失。

由于PA功耗效率和線性度是相互矛盾的，為了兼顧兩者，業(yè)界采用了數(shù)字預(yù)糾偏算法(DPD)等技術(shù)，即通過在PA的輸入側(cè)添加功放非線性失真的逆特性來進(jìn)行預(yù)先失真處理。因此，DPD算法的優(yōu)劣將會(huì)直接影響5G基站功耗效率。

芯片功耗

芯片性能直接影響B(tài)BU和AAU的數(shù)字信號處理功耗開銷，這是眾所周知的。尤其是面向5G未來，基站要實(shí)時(shí)處理越來越高的數(shù)據(jù)流量，對芯片性能要求更加苛刻。

目前業(yè)內(nèi)成熟的5G基站產(chǎn)品都會(huì)考慮采用專用集成電路(ASIC)芯片替代現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片，用以降低功耗并提升運(yùn)算效率。

漏電功耗

芯片功耗通常由兩部分組成：運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗和來自漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗可隨著晶體管尺寸不斷縮小來改善，但隨著晶體管越小，漏電流反而會(huì)增大。芯片的漏電流會(huì)隨溫度變化，當(dāng)芯片發(fā)熱時(shí)，靜態(tài)功耗呈指數(shù)上升。

因此，引入先進(jìn)的散熱技術(shù)，確?；竟ぷ髟诤侠淼臏囟确秶鷥?nèi)，可大幅減少基站的功耗。

如何評估基站功耗?

基站由復(fù)雜的元器件組成，處理的是包絡(luò)波動(dòng)的無線信號，面對的是不同場景下復(fù)雜的無線環(huán)境，影響基站功耗的因素動(dòng)態(tài)多樣，因此評估基站功耗千萬不能停留在靜止的水平上，應(yīng)該全面、具體和動(dòng)態(tài)的評估。

比如，以基站功耗的罪魁禍?zhǔn)譖A功耗為例，宏站和微站之間就有非常明顯的區(qū)別。相比宏站，微站的覆蓋范圍小，發(fā)射功率低，PA非線性失真較小，PA功耗占比也較小，甚至可能不需要DPD等技術(shù)來進(jìn)行預(yù)失真處理。

顯然，任一因素的改變都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的變化，評估基站功耗至少應(yīng)該綜合考慮以下因素。

發(fā)射功率

如前所述，PA功耗效率與基站發(fā)射功率(即射頻最大輸出功率)密切相關(guān)，發(fā)射功率越低，基站功耗越低。以20%的PA功耗效率為例，減少40W的發(fā)射功率將降低200W的功耗。

業(yè)務(wù)負(fù)載

不考慮業(yè)務(wù)負(fù)載評估基站功耗就是耍流氓?；镜臉I(yè)務(wù)流量越大，調(diào)用的物理資源塊(PRB)越多，基站的功耗越大。

首先，隨著業(yè)務(wù)負(fù)載增大，PA功耗會(huì)增大。同時(shí)，為了滿足高流量需求，更多數(shù)量的天線會(huì)參與工作，而每一根天線單元都連接了PA，這意味著基站總傳輸功耗會(huì)隨之上升。

環(huán)境溫度

工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致器件的漏電流增大，進(jìn)而導(dǎo)致基站功耗增加。值得一提的是，基站功耗隨著業(yè)務(wù)負(fù)載增加，而隨著業(yè)務(wù)負(fù)載增加，基站設(shè)備的溫度越來越高，又進(jìn)一步增加了器件的漏電功耗，這極其考驗(yàn)基站設(shè)備在高負(fù)載情況下的散熱能力。

規(guī)格及擴(kuò)展能力

比如，如果廠商考慮了基站后續(xù)的擴(kuò)展能力，對電源、散熱以及計(jì)算能力等方面做了預(yù)留，那么相對于無擴(kuò)展能力的基站，功耗也一定會(huì)有所提升。

根據(jù)ITU定義的5G KPI，5G網(wǎng)絡(luò)能效相比4G要提升100倍。坦白而言，要完成這個(gè)KPI任重而道遠(yuǎn)，這需要全行業(yè)共同努力來實(shí)現(xiàn)。然而，我們也經(jīng)常會(huì)在網(wǎng)上看到一些有關(guān)廠家的功耗排名，可以說，在沒有經(jīng)過運(yùn)營商嚴(yán)格拉齊測試的情況下，準(zhǔn)確度是存疑的。在通往目標(biāo)的路上，是需要多樣本、多場景、全面動(dòng)態(tài)地評估基站功耗真實(shí)水平的，這不僅有助于運(yùn)營商做出正確的判斷，同時(shí)也將激勵(lì)廠家不斷創(chuàng)新，推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)正向發(fā)展。

審核編輯 ：李倩