5G“能者多勞”基站絕對(duì)能耗太高怎么破？

齊旭

5G即將實(shí)現(xiàn)全面商用，可以預(yù)見(jiàn)的是，5G將作為核心底層基礎(chǔ)設(shè)施滲透到各行業(yè)中。5G時(shí)代，通信行業(yè)產(chǎn)生的電力消耗也可想而知，有相關(guān)預(yù)測(cè)指出，到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力。其中，大約80%的能耗來(lái)自廣泛分布的基站。

5G基站是耗電大戶，但不能撇開(kāi)“能力”看“能耗”。5G網(wǎng)絡(luò)“能者多勞”勢(shì)必會(huì)增加基站的絕對(duì)能耗，而5G基站單位比特流量功耗僅為4G的1/5左右。盡管SG基站的能量效率更高，但運(yùn)營(yíng)商仍在為絕對(duì)能耗過(guò)高而發(fā)愁，5G單點(diǎn)基站的功耗為4G單站的2.5倍- 3.5倍。那么，高耗能是否會(huì)成為5G規(guī)模商用的攔路虎？5G基站絕對(duì)能耗高究竟怎么破？

高耗電伴隨高能效比

雖然5G基站能耗的絕對(duì)值在增加，但能效比（單位比特承載效率）相比4G大幅提升。

自從啟動(dòng)5G商用以來(lái)，加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)便成為我國(guó)發(fā)展的重要任務(wù)。而5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的根本在于基站的建設(shè)。5G不光是一張面向公眾的消費(fèi)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，更是能深入行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的、具有確定性的、靈活可定制化的網(wǎng)絡(luò)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程提速，4K/8K、VRiAR、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、視頻監(jiān)控等應(yīng)用蓬勃生長(zhǎng)。

這樣一張賦能各行各業(yè)的網(wǎng)絡(luò)，其耗電量也非?？捎^。相關(guān)預(yù)測(cè)指出，到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力，其中基站是耗電大戶，大約80%的能耗來(lái)自廣泛分布的基站。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，目前主要運(yùn)營(yíng)商的5G基站主設(shè)備空載功耗約22 - 2.3千瓦，滿載功耗約3.7 - 39千瓦，是4G單站的三倍左右。

中國(guó)通信服務(wù)EPTC電力信通專家委員會(huì)成員、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)能源互聯(lián)網(wǎng)分會(huì)專業(yè)委員楊軍對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，5G基站本身的能耗主要來(lái)源于基站的CU/DU（基帶處理單元）設(shè)備和AAU（大規(guī)模天線陣列）。CU/DU消耗的電量主要用于計(jì)算，包括數(shù)字部分處理、管理和控制、核心網(wǎng)和其他基站間通信等。由于CU/DU的功率比較穩(wěn)定，不受太大的業(yè)務(wù)負(fù)荷影響。而AAU則不同，隨著負(fù)荷的增加，功耗也大幅增加。據(jù)楊軍介紹，AAU設(shè)備內(nèi)部集成了天線陣列、最高64個(gè)射頻通道和部分基帶功能，其能耗占基站設(shè)備總能耗的80%以上。除了基站設(shè)備本身產(chǎn)生的能耗之外，為保持基站機(jī)房恒溫的空調(diào)制冷電力消耗，以及市電轉(zhuǎn)換無(wú)功損耗等帶來(lái)的電力消耗，也值得關(guān)注。

“能耗要從兩方面來(lái)看，一個(gè)是絕對(duì)能耗，另一個(gè)就是跟它的帶寬除下來(lái)的能效。如果是從它能夠傳輸?shù)摹忍芈式嵌葋?lái)說(shuō)，實(shí)際上5G比4G強(qiáng)?！睏钴娭赋觯?G的理論峰值速率為1G，約為4G（峰值速率）100M的10倍。5G基站的覆蓋半徑為100 - 300米，比4G基站的（覆蓋半徑）1-3公里密集很多倍。5G基站天線的系統(tǒng)容量和發(fā)射功率也是4G的好幾倍?？梢哉f(shuō)，雖然5G基站能耗的絕對(duì)值在增加，但能效比（單位比特承載效率）相比4G大幅提升。SG（64通道160MHz）相比4G（8通道60MHz）設(shè)備吞吐量提升10倍，單位比特流量功耗僅為4G的1/2左右，從傳輸效率看其實(shí)5G比4G更節(jié)能。

降低絕對(duì)能耗迫在眉睫

基站能耗的升高，會(huì)大幅提升JG網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本，為運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來(lái)壓力。

盡管如此，絕對(duì)耗電量成倍增長(zhǎng)引發(fā)電費(fèi)直線上升，這讓運(yùn)營(yíng)商寢食難安。經(jīng)測(cè)算，以當(dāng)前平均1 3元/度的轉(zhuǎn)供電價(jià)計(jì)算，單個(gè)4G基站每年的電費(fèi)是20280元，單個(gè)5G基站每年的電費(fèi)將高達(dá)54600元。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2022年，我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模至少達(dá)到250萬(wàn)站，屆時(shí)三大運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)能耗成本將至少達(dá)到每年575億元- 750億元。因此，預(yù)估SG的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本將是4G的10倍以上。中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院無(wú)線研究部副主任李福昌在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，基站能耗的升高，會(huì)大幅提升5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本，為運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來(lái)壓力。因此獲得的電費(fèi)減免和補(bǔ)貼，可以在短期內(nèi)解決運(yùn)營(yíng)商SG網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本居高不下的燃眉之急。

目前，各地紛紛出臺(tái)相關(guān)政策，以降低電信企業(yè)用電成本。比如，山西提出，從2020到2022年對(duì)參與市場(chǎng)交易后的SG基站，其實(shí)繳電費(fèi)超出目標(biāo)電價(jià)0.35元/千瓦時(shí)的部分，由省、市、縣三級(jí)按照5：2：3的比例給予相應(yīng)支持，每年用于5G基站電價(jià)補(bǔ)貼的省級(jí)財(cái)政資金總額不超過(guò)5000萬(wàn)元。據(jù)山西鐵塔初步預(yù)測(cè)，上述補(bǔ)貼可以使5G基站用電單價(jià)下降約三成。廣東則提出加快轉(zhuǎn)供電改造，改造投資的分?jǐn)傄杂脩艏t線邊低壓計(jì)量裝置為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)電源側(cè)由供電部門(mén)投資，分界點(diǎn)負(fù)荷側(cè)由用戶投資。

據(jù)了解，通信基站電費(fèi)目前由中國(guó)鐵塔代運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一向電力部門(mén)繳納。中國(guó)鐵塔正協(xié)同三大運(yùn)營(yíng)商，一方面積極爭(zhēng)取國(guó)家對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)用電電費(fèi)優(yōu)惠政策，另一方面大力推進(jìn)轉(zhuǎn)供電站址“轉(zhuǎn)改直”工作，以節(jié)省電費(fèi)開(kāi)支。中國(guó)鐵塔相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，目前建成的5G站址，80%的用電約為直供電（指由電網(wǎng)企業(yè)直接供電），約20%是轉(zhuǎn)供電（指由物業(yè)公司等電網(wǎng)企業(yè)之外的主體供電），轉(zhuǎn)供電站址平均電價(jià)大幅高于直供電平均電價(jià)。預(yù)計(jì)到2020年底，轉(zhuǎn)供電站址中不低于50%的比例可改成直供電，有望每年節(jié)省電費(fèi)約15億元。

基站節(jié)能還要“軟硬兼施”

基站的符號(hào)關(guān)斷、載波關(guān)斷、頻道關(guān)斷、深度休眠是網(wǎng)絡(luò)管理精細(xì)化的重要趨勢(shì)。

長(zhǎng)期來(lái)看，5G基站節(jié)能還要從“源頭”人手，即從基站的硬件側(cè)和軟件側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。

李福昌向記者指出，硬件節(jié)能方案主要通過(guò)優(yōu)化設(shè)備硬件設(shè)計(jì)、改進(jìn)生成工藝、設(shè)備集成度等手段，達(dá)到降低基站設(shè)備基礎(chǔ)能耗、不斷提高基站設(shè)備能源利用率的目的。比如，在基帶板方面推進(jìn)高集成度和低功耗ASIC芯片解決方案、數(shù)字中頻推進(jìn)下一代7nm/5nm ASIC芯片、不斷提高芯片的集成度、減少芯片使用數(shù)量等。

而軟件節(jié)能則是基于業(yè)務(wù)負(fù)荷狀態(tài)對(duì)基站資源進(jìn)行合理調(diào)度，在運(yùn)行基站時(shí)更好地降本增效?！皬能浖?cè)人手實(shí)施有效的節(jié)能方案，是根據(jù)業(yè)務(wù)在時(shí)間、空間等分布特征，以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的變化。在保證預(yù)定指標(biāo)的前提下，通過(guò)調(diào)整基站軟件功能配置對(duì)硬件資源進(jìn)行合理調(diào)配，從而達(dá)到節(jié)約基站能耗的目的?！崩罡２硎?。

AI、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)將輔助軟件節(jié)能優(yōu)化方案更上一個(gè)臺(tái)階。楊軍表示，基站的符號(hào)關(guān)斷、載波關(guān)斷、頻道關(guān)斷、深度休眠是網(wǎng)絡(luò)管理精細(xì)化的重要趨勢(shì)。在執(zhí)行基站深度休眠時(shí)，基于AI的5G基站能耗分析和控制平臺(tái)可針對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶分布、場(chǎng)景特征等數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能判斷，采用下發(fā)不同的關(guān)斷指令策略，在不妨礙用戶正常使用網(wǎng)絡(luò)的前提下達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。

最近，中國(guó)聯(lián)通洛陽(yáng)分公司分別對(duì)不同基站射頻單元設(shè)備（ AAU）分不同時(shí)段開(kāi)啟空載狀態(tài)下的深度休眠功能。比如，對(duì)于未進(jìn)行單站驗(yàn)證或單站驗(yàn)證完畢的站點(diǎn)，全時(shí)段開(kāi)啟AAU深度休眠功能;對(duì)于正在進(jìn)行單站驗(yàn)證的站點(diǎn)，分時(shí)段開(kāi)啟AAU深度休眠功能（21：00-次日9：00）。分時(shí)段實(shí)施深度休眠能使5G單基站AAU功耗從空載時(shí)候的三、四百瓦降低到一百瓦左右。