5G基站功耗承載效率約為4G的5倍?

能耗一直被業(yè)界認(rèn)為是5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)的“攔路虎”。相比于4G基站，5G基站耗電大約是其3倍，而要實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，5G基站數(shù)也比4G多出3倍左右?！盎靖吖牟粌H給運(yùn)營(yíng)商建設(shè)運(yùn)維帶來(lái)挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)設(shè)備、器件研發(fā)過(guò)程中的PCB（印制電路板）布局、散熱、可靠性設(shè)計(jì)也帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，因此基站能耗的降低是全產(chǎn)業(yè)鏈需共同攻克的難題。”中國(guó)移動(dòng)研究院無(wú)線與終端技術(shù)研究所主任研究員陳卓表示。

5G基站功耗承載效率約為4G的5倍

5G無(wú)線網(wǎng)能耗主要由基站、空調(diào)和電源等組成，5G基站能耗占比約為50%～60%，是5G無(wú)線網(wǎng)能耗的主要組成部分，而5G基站能耗又可以分為AAU和BBU兩大部分，AAU能耗約占5G基站能耗的90%，是5G基站能耗的主要組成部分。

陳卓表示，由于5G的小區(qū)帶寬是4G的5倍以上，且室外主要使用復(fù)雜度較高的Massive MIMO設(shè)備，導(dǎo)致5G基站能耗較高。以中國(guó)移動(dòng)2.6GHz頻段為例，5G基站信號(hào)帶寬為160MHz，可同時(shí)提供4G和5G服務(wù)，相比4G的60MHz，帶寬提升為原來(lái)的2.67倍，峰值速率提升為原來(lái)的15倍，發(fā)射功率變?yōu)樵瓉?lái)的2倍（由4G的120W提升為240W），導(dǎo)致總功耗增加。

同時(shí)，Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致收發(fā)通道數(shù)增加，5G典型的Massive MIMO設(shè)備通道數(shù)相比4G設(shè)備大幅增加。陳卓表示，通道數(shù)增加將導(dǎo)致數(shù)字中頻、射頻小信號(hào)的功耗顯著增加；每個(gè)通道的功放布板面積受限，高集成度的封裝帶來(lái)片內(nèi)匹配電路設(shè)計(jì)難度增加，插損加大，導(dǎo)致5G AAU整機(jī)效率下降；通道數(shù)增加使得基帶處理計(jì)算量顯著增加，導(dǎo)致其功耗上升。

“雖然能耗絕對(duì)值在增加，但5G單位bit承載效率相比4G大幅提升。5G（160MHz）相比4G（60MHz）設(shè)備吞吐量提升15倍，單位bit流量功耗僅為4G的1/5左右，也就是說(shuō)5G基站功耗承載效率約為4G的5倍?！标愖空J(rèn)為，絕對(duì)功耗值不容忽視，需要產(chǎn)業(yè)不斷通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和綜合節(jié)能方案應(yīng)用降低能耗。

值得注意的是，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署，4G/5G共模的設(shè)備形態(tài)將會(huì)越來(lái)越多，相比于單模設(shè)備而言，共模設(shè)備發(fā)射功率較單模設(shè)備更高，因此功耗會(huì)增加。除此之外，共模設(shè)備的硬件工藝、軟件功能實(shí)現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)更為復(fù)雜，一些先進(jìn)節(jié)能技術(shù)需要聯(lián)合考慮4G和5G，仍需攻關(guān)解決。

深度休眠不會(huì)影響5G用戶體驗(yàn)

此前，中國(guó)聯(lián)通洛陽(yáng)分公司發(fā)布的一則快訊引起了業(yè)界廣泛關(guān)注——《洛陽(yáng)聯(lián)通通過(guò)AAU深度休眠降低5G基站能耗》，稱為解決5G基站能耗引起的運(yùn)營(yíng)成本與用戶收入之間的沖突，洛陽(yáng)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)管理中心對(duì)已經(jīng)入網(wǎng)的5G基站射頻單元（AAU）分不同時(shí)段定時(shí)開(kāi)啟深度休眠功能，從而實(shí)現(xiàn)智能化基站設(shè)備能耗管控的目的。

許多人在看這則消息后思考，難道只能通過(guò)關(guān)電的方法降低5G基站能耗？也有人在猜測(cè)，5G基站定時(shí)休眠是否會(huì)影響用戶體驗(yàn)？對(duì)此，陳卓回答道：“‘關(guān)電’是降低5G基站能耗的方式之一，而5G用戶體驗(yàn)基本不受深度休眠功能影響?！笔紫龋摴δ苤辉谝归g5G業(yè)務(wù)量很低的場(chǎng)景才會(huì)啟用，比如具有典型潮汐效應(yīng)的場(chǎng)景（商圈、工廠、辦公樓等）；網(wǎng)絡(luò)側(cè)也會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)負(fù)荷變化情況，如有突發(fā)業(yè)務(wù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)也會(huì)及時(shí)恢復(fù)工作。其次，從無(wú)線網(wǎng)節(jié)能角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)營(yíng)商還可充分利用5G頻率資源，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較低時(shí)，通過(guò)休眠容量層高功耗設(shè)備，僅保留覆蓋層功耗低的設(shè)備，此時(shí)5G用戶體驗(yàn)更不會(huì)受到影響。

陳卓表示，深度休眠是通過(guò)關(guān)閉AAU的功放、絕大部分射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的數(shù)字接口電路工作，AAU功耗可降低至100W～300W，相比設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的功耗下降非常明顯（約70%~90%），且該功能基本不影響用戶體驗(yàn)，可靠性高，不影響設(shè)備使用壽命，是站點(diǎn)級(jí)節(jié)能的重要功能之一。當(dāng)用戶數(shù)大規(guī)模增長(zhǎng)后，也會(huì)結(jié)合用戶行為考慮基站休眠生效時(shí)段，另外，可同步考慮其它技術(shù)手段，降低5G基站能耗。

還有人認(rèn)為，5G應(yīng)用不夠普及也是5G網(wǎng)絡(luò)難以降低功耗的原因。那么在現(xiàn)階段，提升終端用戶數(shù)是否是降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗的有效辦法？用戶越多，應(yīng)用越普及，5G成本能否隨之降低？陳卓認(rèn)為，5G網(wǎng)絡(luò)承載能力很高，并且5G大規(guī)模天線引入了多用戶配對(duì)等關(guān)鍵算法以成倍的提升無(wú)線資源承載效率，當(dāng)用戶數(shù)增多時(shí)，隨著應(yīng)用逐漸普及，5G頻譜效率會(huì)大幅提升，可充分利用5G網(wǎng)絡(luò)資源，相應(yīng)的5G單位bit承載效率會(huì)大幅提升。但是5G網(wǎng)絡(luò)能耗絕對(duì)值不會(huì)降低，而設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能是降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗絕對(duì)值的有效手段。

中國(guó)移動(dòng)構(gòu)建全面節(jié)能技術(shù)體系

陳卓介紹道，目前中國(guó)移動(dòng)的節(jié)能技術(shù)體系主要分為3個(gè)層面，即設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)。首先，設(shè)備級(jí)節(jié)能重點(diǎn)從硬件架構(gòu)和器件設(shè)計(jì)方面優(yōu)化功耗，具體包含“新架構(gòu)、新材料、新指標(biāo)”3方面。

在新架構(gòu)方面，主要提出通過(guò)架構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)：一是提出天線與射頻濾波器一體化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)減少內(nèi)部損耗實(shí)現(xiàn)功耗下降；二是基于“升無(wú)源、降有源”的思路，降低功率譜密度，用天線增益彌補(bǔ)發(fā)射功率，從而節(jié)省功耗。

在新材料方面，大力推動(dòng)具有更高效率的GaN（氮化鎵）功放的應(yīng)用，和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)GaN存在的襯底工藝不成熟、散熱與封裝挑戰(zhàn)大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)功放PA效率提升，進(jìn)一步降低整機(jī)功耗。

在新指標(biāo)方面，中國(guó)移動(dòng)創(chuàng)新提出鄰頻共存干擾評(píng)估體系和兩段式測(cè)試方法，制定出合理有效的新射頻指標(biāo)，降低設(shè)備的前級(jí)濾波器插損要求，等效降低設(shè)備功耗。

其次，站點(diǎn)級(jí)主要從亞幀關(guān)斷、通道關(guān)斷及深度休眠等方面開(kāi)展軟件節(jié)能。在延續(xù)4G已引入的亞幀關(guān)斷、通道關(guān)斷等功能基礎(chǔ)上，提出5G深度休眠、智能節(jié)能等新理念。深度休眠是5G新節(jié)能功能，可在夜間等時(shí)段無(wú)業(yè)務(wù)時(shí)，AAU關(guān)閉絕大部分射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的接口電路工作，平均功耗可大幅下降；智慧節(jié)能主要將人工智能與5G節(jié)能相結(jié)合，通過(guò)引入智能業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)算法，從而精細(xì)化制定相應(yīng)的節(jié)能策略，形成“節(jié)能智能大腦”，做到“一站一策、一時(shí)一策”，在保證用戶體驗(yàn)的前提下充分挖掘節(jié)能潛力。

最后，網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能重點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同角度打造多系統(tǒng)節(jié)能方案和平臺(tái)。一方面，可通過(guò)C-RAN集中部署和基站資源池共享，通過(guò)節(jié)省硬件板卡配置從而實(shí)現(xiàn)功耗降低；另一方面，在前期已現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用的多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能系統(tǒng)上，目前正在升級(jí)開(kāi)發(fā)5G多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能系統(tǒng)（i-Green），該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小區(qū)協(xié)作節(jié)能，通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，使不同系統(tǒng)小區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)休眠/喚醒的網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能。

配套設(shè)備節(jié)能+網(wǎng)絡(luò)智能化節(jié)能

除了5G基站能耗，5G網(wǎng)絡(luò)還有哪些環(huán)節(jié)可以改善從而提高能源利用效率？陳卓表示，從無(wú)線網(wǎng)節(jié)能角度來(lái)看，除了降低5G基站能耗，中國(guó)移動(dòng)還考慮了5G網(wǎng)絡(luò)的配套設(shè)備節(jié)能來(lái)提高能源利用率，主要包括基站電源設(shè)備節(jié)能、基站空調(diào)節(jié)能、基站機(jī)房節(jié)能。

例如基站供電，目前中國(guó)移動(dòng)基站（包括5G基站）主要通過(guò)市電供電，在一些市電引入困難、市電容量不足、擴(kuò)容困難、新能源資源豐富、經(jīng)濟(jì)可行的站點(diǎn)，也采用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源供電，在一些取電困難的應(yīng)急通信場(chǎng)景，也會(huì)采用柴油機(jī)發(fā)電。

另外，目前基站備電系統(tǒng)以鉛酸電池組為主，但隨著容量需求越來(lái)越大、裝機(jī)位置越來(lái)越緊張，目前在新建電源系統(tǒng)的配套電池、網(wǎng)電源系統(tǒng)擴(kuò)容電池或更換電池場(chǎng)景下逐步使用智能磷酸鐵鋰電池，具有重量輕、占地省、可快速充電等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)基站電源設(shè)備節(jié)能，中國(guó)移動(dòng)也提出了一系列高效的節(jié)能方案，如引入高效整流模塊、實(shí)現(xiàn)智能升壓、錯(cuò)峰用電等方案，采用基站一體化能源柜等，降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗。

值得注意的是，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)智能化也能促進(jìn)運(yùn)維節(jié)能。在陳卓看來(lái)，中國(guó)移動(dòng)正在大力推進(jìn)5G+AI網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展和規(guī)模應(yīng)用，主要體現(xiàn)在兩方面。一是基于集中化部署、智能化運(yùn)維、統(tǒng)一化網(wǎng)管為節(jié)能提供基礎(chǔ)。集中化部署可節(jié)約機(jī)房和配套耗電，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷潮汐效應(yīng)最大化節(jié)省基站設(shè)備硬件配置；智能化運(yùn)維通過(guò)天線權(quán)值優(yōu)化、無(wú)線參數(shù)智能優(yōu)化等方案精細(xì)化提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋，間接優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗；統(tǒng)一化網(wǎng)管則增強(qiáng)自主運(yùn)維能力和效率。

二是基于智慧網(wǎng)元的自動(dòng)節(jié)能算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效節(jié)能效果。一方面針對(duì)關(guān)斷類節(jié)電功能，基于業(yè)務(wù)負(fù)載預(yù)測(cè)提前進(jìn)行關(guān)斷以達(dá)到更好的節(jié)能效果，另一方面基于AI識(shí)別針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的節(jié)能算法，并通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)取得節(jié)能效果與現(xiàn)網(wǎng)性能的均衡。

“在中國(guó)移動(dòng)大力推動(dòng)和產(chǎn)業(yè)共同努力下，5G基站功耗的改善較大?！标愖勘硎?，基于“三新”設(shè)備級(jí)節(jié)能方案的AAU已在現(xiàn)網(wǎng)開(kāi)始規(guī)模部署，單站功耗下降超過(guò)10%。在站點(diǎn)級(jí)節(jié)能方面，中國(guó)移動(dòng)將在現(xiàn)網(wǎng)全面開(kāi)啟亞幀關(guān)斷，并根據(jù)場(chǎng)景和時(shí)段開(kāi)啟通道關(guān)斷、深度休眠功能，目前已開(kāi)展現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證，后續(xù)將根據(jù)驗(yàn)證情況進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模部署。在網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能方面，目前中國(guó)移動(dòng)正在加快研發(fā)5G i-Green多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能平臺(tái)，充分利用人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力。

面向垂直行業(yè)精準(zhǔn)建網(wǎng)

2019年是5G商用元年，三大運(yùn)營(yíng)商基本以NSA組網(wǎng)方式建設(shè)5G，而2020年則都轉(zhuǎn)向了SA組網(wǎng)，5G SA從架構(gòu)（服務(wù)化、軟件化、智能化）、技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、專屬上行）、服務(wù)（多量綱、定制化、專網(wǎng)、能力開(kāi)放）多維度創(chuàng)新，能更好滿足各行各業(yè)多樣化場(chǎng)景需求。5G是否可以面向ToB形式，精細(xì)化建網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗？

陳卓表示，垂直行業(yè)是5G的重要發(fā)展方向，ToB的需求與ToC存在較大差異，根據(jù)行業(yè)差異化、個(gè)性化的覆蓋和網(wǎng)絡(luò)性能等需求精準(zhǔn)建網(wǎng)對(duì)于節(jié)能降耗具有重要意義。一方面，可以根據(jù)行業(yè)需求精細(xì)化選擇站型，在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下優(yōu)先選擇低功耗產(chǎn)品；另一方面，可以精準(zhǔn)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)覆蓋，用盡可能少的基站滿足行業(yè)覆蓋需求，降低總體能耗。此外，還可根據(jù)行業(yè)的業(yè)務(wù)特性，更有針對(duì)性地使用和優(yōu)化節(jié)能功能，網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)深度協(xié)同，進(jìn)一步降低能耗。

中國(guó)移動(dòng)持續(xù)創(chuàng)新綠色信息化解決方案，助力價(jià)值鏈上下游共同節(jié)能減排。例如，中國(guó)移動(dòng)積極研發(fā)推廣支持海量、多維度環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和高效處理的環(huán)境治理信息化解決方案，“藍(lán)天衛(wèi)士”應(yīng)用為300個(gè)縣級(jí)或縣級(jí)以上地區(qū)提供大氣污染防治信息化支撐，助力打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，踐行綠色發(fā)展，共建生態(tài)和諧美麗家園。

未來(lái)，中國(guó)移動(dòng)將繼續(xù)踐行“綠色”理念，發(fā)揮帶頭作用，引導(dǎo)和支持產(chǎn)業(yè)共同創(chuàng)新，進(jìn)一步降低5G功耗。在陳卓看來(lái)，全面降低5G網(wǎng)絡(luò)功耗不僅可以降低運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本，還是建設(shè)綠色產(chǎn)業(yè)環(huán)境中重要的一環(huán)，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)與產(chǎn)業(yè)協(xié)同、積極響應(yīng)國(guó)家在十八屆五中全會(huì)上提出的“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”理念，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為構(gòu)建和諧綠色生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)力量。
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