5G基站高能耗分析與應對策略

王江漢 劉修軍 魯軍

摘 要：隨著5G移動通信網(wǎng)絡大規(guī)模商用，移動通信業(yè)務應用場景逐步多樣化，網(wǎng)絡連接終端類型和數(shù)量不斷增長，5G基站能耗也大幅提升。文章分析了5G基站能耗組成和各種節(jié)能技術對5G基站節(jié)能的效率，有助于不同應用場景中合理選擇基站節(jié)能技術。

關鍵詞：基站能耗;節(jié)能措施;5G基站

0 引言

2020年3月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關于推動5G加快發(fā)展的通知》，提出全力推進5G網(wǎng)絡建設、應用推廣、技術發(fā)展和安全保障，充分發(fā)揮5G新型基礎設施的規(guī)模效應和帶動作用，支撐經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。根據(jù)工信部的估算：2020年年底全國5G基站數(shù)將超60萬個，實現(xiàn)地級市室外連續(xù)覆蓋、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)有重點覆蓋、重點場景室內(nèi)覆蓋。隨著5G移動通信網(wǎng)絡的大規(guī)模部署，人與人的連接逐步向萬物互聯(lián)發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡提供更快的速率、更大的容量和更廣泛的連接，然而5G通信設備功耗問題給網(wǎng)絡建設和運維帶來了極大的困擾，一方面，由于5G需要使用頻率更高的毫米波頻譜資源，這使得5G基站數(shù)量相比4G而言將增長2～3倍;另一方面，由于5G天線采用Massive MIMO 天線陣列的方式，5G單站功耗是4G單站的2.5～3.5倍。AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因，目前單站滿載功率近4 000 W，需對現(xiàn)網(wǎng)電源、配套進行提前擴容[1]，因此針對5G基站的節(jié)能技術研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1? ? 5G基站功耗分析

無論是4G基站還是5G基站，主要耗電單元包括基站射頻收發(fā)單元（4G包括天線和RRU，5G包括AAU）、BBU模塊、動環(huán)監(jiān)控模塊、空調(diào)等模塊。

1.1? 4G與5G功耗比較

無論4G，還是5G移動通信網(wǎng)絡結構，包括核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和無線接入網(wǎng)，總體結構如圖1所示。

目前采用Option 3X架構NSA組網(wǎng)方式，在核心網(wǎng)和承載網(wǎng)側(cè)的功耗影響并不明顯，相反，隨著5G基站自身能耗和基站數(shù)量的累加，5G基站功耗總量增幅巨大。

5G基站能耗包括傳輸能耗、計算能耗和其他能耗。對于傳輸能耗，主要包括射頻部分與功率放大器所消耗的電力能源。上述設備主要是執(zhí)行基帶信號和無線信號轉(zhuǎn)換，因此在傳輸能耗中也包含電線功耗。對于計算能耗來說，主要是消耗的電力能源，包括數(shù)字處理、管理控制、核心網(wǎng)和其他基站的通信功耗。對于其他功耗來說，主要是從市電中引入到基站直流供電轉(zhuǎn)換過程損失的電量，同時包括空調(diào)設備、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等消耗的電量。此外，5G基站的覆蓋面積遠小于4G基站，如果要實現(xiàn)相同面積的覆蓋，5G基站的數(shù)量至少是4G的? ? 2～3倍，累計計算5G耗電量將是4G的10倍以上。

1.2? 基站功耗對比分析結論

相比4G基站而言，5G基站功耗大幅提升的主要原因是BBU和AAU模塊功耗大幅增加，在基站機房能耗中，機房空調(diào)、監(jiān)控設備能耗優(yōu)化空間非常有限，而在基站主設備（BBU+AAU）中有源天線單元（AAU）又占到主設備功耗的80%，因此，行之有效的節(jié)能技術應主要面向于AAU部分[2]。

2? ? 5G基站低功耗控制策略

目前針對5G基站節(jié)能的主要應對舉措包括：硬件節(jié)能和軟件節(jié)能。硬件節(jié)能方面通過提升工藝、優(yōu)化電路和優(yōu)化機房配套設施來實現(xiàn);軟件節(jié)能主要集中在基站開關控制策略方向，通過基站實時負荷情況，合理休眠或關閉部分數(shù)據(jù)通道，從而實現(xiàn)基站節(jié)能自動化，達到更好的節(jié)能效果。

2.1? 硬件節(jié)能技術

2.1.1 基站主設備硬件節(jié)能

基站主設備硬件節(jié)能技術是指通過采用更高級的芯片工藝、更高集成度的功能芯片、更高效率的電路優(yōu)化BBU和AAU硬件設備。例如，中興通訊具有硬節(jié)能技術的基帶處理芯片：它采用了Intel最新的加工工藝，可編程門陣列（FPGA）改為高集成度芯片來實現(xiàn)，材料采用最新的氮化鎵（GaN）Doherty 結構，該結構由主輔功放構成，以提升功放效率。這些措施都極大地降低了5G-NR基站功耗，簡化了硬件架構[3]。此外，基站共建、機房共建都是降低能耗有效的措施。

2.1.2 基站機房配套設備節(jié)能

機房配套設備中，空調(diào)是最主要的耗電設備，如何減少機房設備產(chǎn)生的熱量是降低空調(diào)能耗最有效的途徑。2020年芬蘭運營商Elisa宣布已部署全球首個液冷5G基站，采用液冷5G基站大幅節(jié)省了機房空調(diào)制冷設備的能源消耗，站點能耗可降低30%，二氧化碳排放量可降低80%，同時，基站排放的廢熱還可回收用于物業(yè)業(yè)主生活熱水供應。

2.1.3 軟件節(jié)能技術

軟件節(jié)能技術主要包括流關斷技術、程控制技術和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術。

2.2 關斷技術

根據(jù)基站負載情況，動態(tài)休眠或者關閉部分子模塊能夠有效地減少基站能耗。為此，相關的關斷技術研究也層出不窮，主要包括：基于用戶量的整體休眠技術、基于應用場景的開關技術、基于業(yè)務類型的載波關斷技術[4]、通道和時隙休眠等技術[5]。

以上各種低功耗控制技術對降低5G基站功耗都有一定的效果，就單基站而言，這種效果可能并不明顯，但是從龐大的基站總量和長遠的時間周期來看，關斷技術對降低基站功耗貢獻巨大。

2.3 流程控制技術

盡管移動通信協(xié)議流程的優(yōu)化空間不大，但是在新技術應用方面，新的流程控制技術可以大大簡化通信流程，減少數(shù)據(jù)傳輸，從而有效地降低基站設備功耗。比如：D2D技術和邊緣計算的應用，都可以有效地減少數(shù)據(jù)收發(fā)量。

以華為BBU5900+AAU5631在D2D通信狀態(tài)下為例，只考慮D2D通信對AAU5631的功耗影響，AAU5631典型功耗值為1 000 W，按照單小區(qū)最大RRC連接用戶數(shù)400人、上下行配比4∶1估算，除去下行鏈路開銷，PDCCH開銷9.82%，PBCH開銷1.6%，RS開銷14.29%，總信令開銷25.71%[6]。D2D連接數(shù)量與節(jié)省功耗關系如表1所示。

2.4 電壓調(diào)節(jié)技術

在非線性電路器件中，電壓和電流關系呈非線性，器件單元功耗值與電壓大小與功耗值存在密切關聯(lián)，在電壓調(diào)節(jié)技術中，包括靜態(tài)電壓平衡技術和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術。靜態(tài)電壓平衡技術，通過調(diào)整設備的偏置電壓。在不同偏置電壓下，功放模塊的靜態(tài)功耗不同且呈非線性，從而減少靜態(tài)功耗。在保證一定功放線性度及相同輸出功率下，一般功放偏置電壓越低，靜態(tài)功耗越小。當設備的偏置電壓設置成低電壓時，其最大輸出功率會變低。這需要5G-NR基站調(diào)度器根據(jù)實時業(yè)務量判斷，調(diào)節(jié)調(diào)度RB個數(shù)或控制總的基帶輸出功率。通常情況下，電路元件正常工作電壓為一個電壓范圍，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術就是在此電壓范圍內(nèi)，如何在保證信號質(zhì)量的情況下，合理調(diào)節(jié)電壓值，以保證電路元件處于最優(yōu)功耗狀態(tài)。

[參考文獻]

[1]戴春偉.5G基站能耗管控與環(huán)境影響[J].江蘇通信，2020（4）：29-32.

[2]費彥肖，吳俊星.5G與AI融合技術在智慧環(huán)保領域的應用研究[J].智能城市，2020（7）：152-153.

[3]黃俊，田森，張詩壯.5G-NR基站軟節(jié)能技術[J].中興通訊技術，2019（6）：19-23.

[4]曾文，賀良貞，王文超.4G基站節(jié)能省電技術研究與試驗分析[J].移動通信，2019（8）：394-398.

[5]張志榮，許曉航，朱雪田，等.基于AI的5G基站節(jié)能技術研究[J].電子技術應用，2019（10）：1-4.

[6]許光斌，徐曉峰.5G速率分析[J].信息通信，2019（11）：68-70.

（編輯 王永超）