效能與節(jié)能的平衡　5G射頻潮汐功放技術淺談

5G技術對于全球經(jīng)濟發(fā)展，對于全球消費者的生活質量提升作用之大，早已沒有異議。2021年是我們5G牌照發(fā)放的兩周年，這兩年，5G應用場景多點開花，賦能著千行百業(yè)。6月份的時候，工信部信息顯示，當前我國5G網(wǎng)絡建設步伐加快，已建成5G基站近85萬個，形成全球最大5G獨立組網(wǎng)網(wǎng)絡，5G行業(yè)應用創(chuàng)新案例已超過1萬個。無論從基站建設數(shù)量還是5G應用創(chuàng)新來看，中國都正在領跑全球的5G建設。與此同時，自5G正式商用以來，有關“運營商為了省電，晚上關閉5G基站”的報道時常出現(xiàn)。面對5G超高能耗，節(jié)能減排固然重要，但也不能為了節(jié)省電費，而粗暴的犧牲用戶體驗。有沒有效能與節(jié)能之間取得平衡的解決方案呢？愛立信近日推出基于Ericsson Silicon的創(chuàng)新射頻單元節(jié)能方案——潮汐功放技術。在典型業(yè)務負荷時，潮汐功放技術可使射頻單元功耗降低約20%，基站整體功耗降低約15%。更為人性化的是，該技術可在”非關斷”的工作周期內(nèi)高效節(jié)電，不會影響5G用戶體驗。那么，5G降耗究竟有多重要，這是一個值得聊聊的話題。

能耗控制是5G發(fā)展的一個關鍵點

每一代移動通信技術，帶來技術能力提升的同時，當業(yè)內(nèi)我們不努力突破，可能在5G時代雖然網(wǎng)絡功能和性能更強大了，但網(wǎng)絡整體的能耗也會比4G更高。而且，降低碳排放已成為關乎人類社會能否可持續(xù)發(fā)展的關鍵，世界主要經(jīng)濟體已經(jīng)相繼承諾在21世紀中葉達成碳中和目標。我國已全面確立了2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。對于ICT行業(yè)能耗大戶通信運營商來說，踐行碳中和也已勢在必行。然而，運營商網(wǎng)絡的碳排放量，一直隨著網(wǎng)絡升級和業(yè)務演進大幅增長。

比如5G海量基站部署將增加驚人的電費，造成OPEX大幅增加，將嚴重侵蝕運營商的利潤，進一步增加運營商的負擔，同時成為運營商實現(xiàn)碳中和目標的巨大挑戰(zhàn)。與4G用戶相比，5G用戶每周多花2小時在高清流視頻上，多花1小時在云游戲上。在中國，25%的受訪者在升級后減少了在智能手機上的Wi-Fi使用量。很明顯，我們看到在5G云游戲上多花的時間和AR/VR花的時間都有明顯的提升，這從側面證明5G技術的確非常有潛力，這些行為的變化實實在在發(fā)生了，那么它本身的能耗問題就更應該引起重視。實際上，5G網(wǎng)絡節(jié)能不僅僅是一種能力，更是一個行業(yè)責任。因此，愛立信提出要打破能耗曲線，要打破以前這么多代移動通信技術的能耗持續(xù)增長趨勢，最終使5G網(wǎng)絡整體能耗水平降低，達到4G甚至低于4G的能耗水平。目前，現(xiàn)網(wǎng)中的軟件節(jié)能方向主要是“關斷”為主，例如符號關斷、通道關斷、載波關斷、基站休眠等，這些技術也確實能帶來比較好的能耗降低，尤其是沒有業(yè)務的時間和區(qū)域，其節(jié)能效果良好。

以國內(nèi)運營商的典型無線網(wǎng)絡為例，無線主設備能耗（射頻單元+基帶單元）占無線網(wǎng)絡總能耗約50%，另外50%來自空調、電源等消耗;其中，射頻單元能耗占無線主設備能耗約80%，射頻模塊占射頻單元能耗約70%，其中PA占射頻模塊能耗約90%、是絕對的能耗大戶。因此，通過技術創(chuàng)新，提升PA效率是無線網(wǎng)絡節(jié)能的關鍵一環(huán)。為此，愛立信另辟蹊徑，利用硅芯科技賦能創(chuàng)新節(jié)能方案。據(jù)愛立信介紹，基于Ericsson Silicon（即基于愛立信先進的硅芯設計理念推出的多款全自研先進制程芯片），愛立信推出的潮汐功放技術，通過動態(tài)調整PA電壓以提升PA效率—比如有業(yè)務情況下，可根據(jù)業(yè)務量高低，自動通過硬件算法實時優(yōu)化功耗，在不影響性能的同時實現(xiàn)功耗的動態(tài)優(yōu)化，可實現(xiàn)基站的能耗隨業(yè)務變化實時動態(tài)調整。根據(jù)實驗室測試結果，在典型業(yè)務負荷下，潮汐功放技術可使射頻單元功耗降低約20%，基站整體功耗降低約15%。

節(jié)能不能影響效率

工作和節(jié)能兩不誤，讓終端客戶在無感的情況下實現(xiàn)節(jié)能，要做到這一點，實際上要克服的困難非常多，特別是如何不影響用戶體驗，如何正確預測理解話務量的變化。同時，還是強調非關斷的模式下，這對人工智能模型的準確度要求非常高，其中需要非常復雜的算法和非常強的算力才能實現(xiàn)。

硅芯科技的強大運算能力和人工智能的相關算法，是愛立信潮汐功放技術的兩大核心。通過機器學習對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務負荷進行跟蹤和預測，在不同的業(yè)務量下，愛立信數(shù)字中頻芯片里集成的算法可自動調整PA的電壓，讓PA時刻工作在效率的最優(yōu)點，達到整機效率最大化，將強大的硅芯算力轉換為生產(chǎn)力。這次愛立信的潮汐功放技術，可以理解為軟件節(jié)能方面的新突破，顯著提升無線射頻單元的功放效率，工作時亦能節(jié)電。與此同時，吳日平表示：這個技術雖然是軟件節(jié)能，但也需要軟硬件及算法的結合，因為打破能耗曲線是完整的端到端的多個技術的完整體系。

具體來說，在當前技術的基礎上，提供了更靈活的節(jié)電方式，在無須“關斷”的情況下，也可以實現(xiàn)節(jié)能，同時不影響終端用戶感受。前面我們也提到，其工作原理是通過動態(tài)調整PA電壓以提升PA的效率，在有業(yè)務的情況下，可根據(jù)業(yè)務量的高低，自動通過硬件算法實時優(yōu)化功耗，在不影響性能的同時實現(xiàn)功耗的動態(tài)優(yōu)化。其具體原理是：現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務隨時間分布不均衡，如部署在寫字樓附近的基站，白天很忙，晚上很閑。業(yè)務量高時，PA需要輸出較高的功率，也就是需要給PA提供較高的電壓。目前業(yè)內(nèi)基站采用分級可變電壓（即不同的功率等級）來對應不同的業(yè)務負荷，很難精細地實時調整，不僅在一定程度上造成浪費也會因為一定的調整偏差帶來小區(qū)間干擾。愛立信的潮汐功放技術可實現(xiàn)基站的能耗隨業(yè)務變化實時動態(tài)調整。

據(jù)了解，在愛立信為全球運營商提供的端到端產(chǎn)品，如無線產(chǎn)品、傳輸產(chǎn)品和RAN計算產(chǎn)品中，使用Ericsson Silicon的產(chǎn)品都擁有先進的算法和強大的處理能力。潮汐功放技術是基于Ericsson Silicon提供的最佳節(jié)能方案之一，從無線設備級到愛立信端到端全產(chǎn)品系列再到網(wǎng)絡級節(jié)能均可持續(xù)改善Gb/W的能效，該方案可軟件升級。

后記

當前，我國正在全球的可持續(xù)發(fā)展進程中扮演著愈發(fā)重要的角色，并發(fā)布了力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標。據(jù)加拿大麥克馬斯特大學的研究預測，2040年，信息通信產(chǎn)業(yè)（ICT）的碳排放占全球碳排放比例將從2007年的1.6%上升至14%。2020年，通信網(wǎng)絡和終端設備碳排放比例分別達到24%和31%。在此背景下，移動通信行業(yè)正在積極通過技術創(chuàng)新引領“綠色革命“。所以，隨著5G網(wǎng)絡不斷向綠色低碳方向演進，潮汐功放技術將與現(xiàn)有的節(jié)能技術相輔相成，在提升網(wǎng)絡商業(yè)價值的同時，進一步踐行可持續(xù)發(fā)展的理念。我們看到，國內(nèi)已經(jīng)建成了全球最大規(guī)模的5G網(wǎng)絡，國內(nèi)對可持續(xù)發(fā)展也非常重視、對打破能耗曲線的需求非常高。所以，對于5G網(wǎng)絡本身的射頻節(jié)能技術的確有利于我們中國數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展和5G技術創(chuàng)新。