5G無線網功耗分析及優化策略研究

萬 能，王 斌

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

在進一步加強我國5G網絡建設的背景下，聯通和電信兩大運營商希望進一步加強在5G方面的建設與合作，以期在降低成本的同時進一步提升5G服務能力，結合兩大運營商優勢形成市場競爭力。目前5G網絡發展主要集中在商業應用和企業用戶，在個人用戶服務建設方面還有待加強。雖然5G網絡建設不斷加強，但是在5G網絡運維和投資方面的支出也進一步增加，5G網絡的規模化建設也進一步增加了5G相關設備的能耗支出，因此如何有效降低5G網絡建設能耗和成本成為5G網絡建設的重要發展方向之一。

1 5G無線網功耗現狀分析

就我國目前5G無線網絡建設現狀來看，在設備方面主要采用64T64R設備（帶寬100 MHz）。和傳統4G無線網絡建設相比5G網絡設備的應用導致能耗更高，小區峰值吞吐率超過4G的60倍，功耗約為4G無線網功耗的3倍。

1.1 大規模天線波束賦形功能功耗

5G網絡的天饋系統和4G網絡相比更加復雜，天線單元陣列和天線模塊更多，強大的波束賦形功能也導致了更大的功耗。前面分析指出在5G網絡中采用的是64T64R設備，該設備的應用一共涉及到64個PA器件，這些PA器件的成熟度發展還存在問題，功率小和頻段高等特征比較突出，和4G功放效率（40 W、60 W）相比5G網絡功放效率會更低。另外在4G網絡建設中主要在RRU和BBU之間應用CPRI傳輸接口，但是這種傳統的傳輸接口已經不能適用5G網絡規模建設，在此背景下為適應5G發展要求開發eCPRI接口，在AUU中引入基帶功能，進一步提升其大帶寬多通道處理能力，也進一步提升功耗[1-3]。

1.2 5G無線網設備功耗

5G無線網絡設備中涉及到大量設備，也必然導致產生以額外功耗、傳輸功耗以及計算功耗為代表的大量設備功耗。計算功耗主要是由數字處理和基站通信等引起的BBU消耗功耗，傳輸功耗主要是由射頻（Radio Frequency，RF）和5G無線網相關的功率放大器工作引起的電能消耗，這些功耗有效實現了無線信號和基帶信號之間的信號轉換與傳遞。額外功耗主要是由5G無線網絡建設和傳輸過程中相關制冷設備和機房空調設備等引起的電量消耗，從而造成額外的電能損失。

1.3 5G外場功耗

就我國目前5G網絡和外場建設而言，對不同廠家的AAU相關設備進行了調研與峰值功耗分析，發現均超過1 000 W。5G無線網絡中功耗的最主要因素是基站功耗，有超過80%的功耗是由基站涉及到的機房設備和網絡設備引起的。其中機房設備能耗中基站設備能耗占比就超過一半以上，而基站設備能耗中的主要能耗是由AAU設備耗電導致的，其耗電占比超過80%。5G設備功耗提升會產生大量熱量，因此需要制冷設備和空調設備的支持。通過分析能夠發現目前5G無線網絡功耗分析中需要著重考慮AAU能耗和機房整體能耗。以1個具有1個BBU和3個AAU的5G標準站進行估算和分析，其每年電費超過20 000元，甚至在轉供電場景下電費消耗會超過30 000元，是傳統4G標準站的3倍以上。5G無線網絡頻段在4G頻段基礎上進行了較大提升，站點規模也極大提高，平均在4G站點規模的2倍左右。雖然在4G設備基礎上進一步提升了設備能力，但是設備的功耗增長也呈現出倍數級別增長，因此提升對蓄電池和市電引入建設，運營商的OPEX和CAPEX也會增加。降低5G網絡建設能耗，提升5G網絡建設水平，直接決定了5G網絡發展水平和商用建設規模。5G無線網能耗建設中需要進一步加強設備優化，引入算法提升設備應用，另外5G無線網建設的配套基礎設施也必須加強優化[4,5]。

2 5G無線網功耗優化策略

2.1 設備優化策略

主要通過算法優化和硬件優化以實現對5G無線網絡設備的優化。關注5G無線網絡硬件優化，在5G無線網絡功耗優化中應該優先關注AUU功耗（如圖1所示），通過高集成度收發信機和基帶芯片的研發改進降低能耗。

圖1 AAU功耗分布占比

在5G無線網絡功耗優化及節能方面，可以從以下幾個方面入手。（1）GaN（氮化鎵）在近年來被廣泛研究和應用，成為新型半導體材料并應用在功放研究中，和傳統功放材料相比該材料制作的設備和元器件具有更好的耐溫耐壓性能，同時還具有更高的輸出功率，能夠滿足5G無線網絡大帶寬的建設需求。（2）在芯片建設和應用中建議采用低功耗和高集成度的新型芯片，通過芯片優化來進一步提升設備性能，這也是5G無線網絡建設下芯片建設的重要方向。芯片的厚度直接決定了芯片功耗，和傳統的16 nm芯片性比，7 nm芯片功耗極大提升，超過40%。（3）引入散熱技術，在外觀建設中也需要加強高性能散熱建設，基于熱導流的背景下加強AAU表面優化，包括AAU的排列及齒形等，通過這種方式能夠提升5G無線網絡大約10%～20%的功率[6-8]。

此外，在5G無線網降低功耗建設中還應該從算法方面考慮，通過大數據等相關算法優化，以精準預測業務情況，然后結合人工智能技術、大數據技術以及云計算技術進行智能調度。通過5G無線網相關設備和基站的整站休眠、深度休眠以及部分休眠等方式實現基站的科學管理，降低能耗，同時也能在降低運營成本方面起到積極作用。

2.2 5G配套設施優化策略

5G無線網功耗優化除了設備與算法之外，還必須要加強5G無線網相關基礎配套設施的優化，以降低額外運維成本和能耗。主要集中在以下幾個方面，首先在外市電方面通過宏站集中供電和削峰填谷技術進行優化與改造，以減少相關費用支出。其次在5G無線網絡設備建設中建議引入削峰填谷技術進行功耗優化，結合話務量波動情況在用電高峰通過蓄電池實現供電補償，在用電低谷期可以對蓄電池進行充電等相關操作，以此提升市電容量（15%～30%），最后為優化5G無線網能耗建議采用宏站集中供電方式。

3 5G無線網絡節能技術分析

3.1 設備級節能技術

5G無線網設備及產品功耗的增加是由很多因素引起的，包括收發通道數目增加（8～64/32）、流量激增（2～16流）以及發射功率提高（100～200 W）等，這些因素綜合影響導致功耗超過4G無線網絡的4倍。前面分析指出5G無線網絡建設中的基站功耗在整機功耗中占比極大，且AAU在基站功耗中占比超過90%，因此必須要考慮AAU功耗。5G無線網絡功耗優化中必須關注設備級節能優化，通過提升功放效率來降低功放功耗，尤其是在5G無線網絡建設初期負載相對較低，必須進一步加強小信號建設和數字中頻模塊建設，以降低其基礎功耗。

3.2 站點級節能技術

3.2.1 亞幀關斷

基于5G無線網絡應用具有時間分布不均勻的特征，存在忙時和閑時兩個時間段，對忙時和閑時的設備應用進行優化能夠有效降低能耗，這也是5G無線網絡應用功耗降低和節能的關鍵。基于站點級別的5G無線網功耗節能技術的核心是根據網絡應用負荷進行設備資源的科學配置與調整，在設備和網絡閑時執行關閉操作以節約能耗。功率放大器PA作為基站設備中能耗最大的一部分，即使沒有信號輸出和輸入的情況下也會產生一定的能耗，因此通過忙閑優化能極大降低能耗。利用新算法和新技術在檢測到數據信號和數據調度的時候，能夠通過智能技術執行數據調度重新啟動射頻硬件與設備，保證其在5G無線網中正常運行。通過實驗與研究發現，這種方法能夠實現5G無線網功耗的有效優化與節能，節能占比超過10%。

3.2.2 深度休眠

如果對網絡需求不是很大，5G網絡負荷需求較低，4G網絡即可滿足需求時，可以考慮將5G用戶向臨近的小區進行轉移，使此小區的5G設備進行深度休眠動作，最終能夠降低功耗。這一過程中不僅需要關閉5G AAU的功放，而且也需要關閉數字通路和大部分射頻，只保留基本的數字接口電路即可，這樣就實現了AAU設備的深度休眠，在5G無線網中的體現即降低功耗。在出現網絡需求時，結合相關智能算法和智能技術重新恢復和啟動AAU。通過實際應用和驗證發現，通過此種方式能夠降低原有5G無線網大約50%～60%的功耗[9]。

3.3 網絡級節能技術

為進一步降低5G無線網路功耗，提升節能水平還需加強多網協作建設，采用如圖2所示的多網協作硬件架構，同時結合人工智能算法、云計算技術以及大數據技術等實現對不同小區的共覆蓋識別。通過這種模式能夠實現小區休眠實時喚醒，以通過精準的方式進行5G無線網節能化。

圖2 多網協作節能系統示意圖

在我國5G無線網建設發展過程中，將在很長一段時間內維持TDD、FDD以及NR共存的現狀，并且就2.6 GHz的5G網絡建設而言有大量的站點是和TD-LTE站點共模的，因此為實現節能降耗必須要采用小區深度休眠技術。結合人工智能技術和大數據技術實現對多頻多模小區的容量預測及共覆蓋識別，保證小區休眠喚醒的實時性，最終實現5G網絡運營的精準節能。采用如圖2所示的多網協作節能系統，能夠很好實現對5G無線網相關性能和配置基礎數據的采集，同時結合內置策略算法在保障小區5G無線網絡提供的基礎上，實現5G無線網絡的節能降耗。系統基于特征聚類和神經網絡算法對5G設備級節能功能進行參數優化，實現設備級節能功能效果最大化[10]。

4 結 論

雖然5G無線網絡具有極大的優越性，并且已經在商業領域展開了應用，備受企業和消費者青睞。但是在應用中還存在高功耗等問題，這也在一定程度上限定了其發展與應用，同時也提高了應用成本。為進一步提升5G無線網絡應用水平和發展水平，加強其節能降耗建設勢在必行，應該多方面、多領域以及各環節進行協調配合，以得到最優節能降耗策略。