5G 基站功耗的影響因素及應(yīng)對策略

韋良才

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

2019年6月6日，工信部分別向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通和中國廣電發(fā)放了5G 商用牌照，代表我國移動(dòng)通信正式步入5G 新時(shí)代。在業(yè)務(wù)承載能力和網(wǎng)絡(luò)性能方面，5G 網(wǎng)絡(luò)比4G 網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)秀。基于5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以為人們提供低時(shí)延、高寬帶和大連接等網(wǎng)絡(luò)能力，促進(jìn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、高清視頻、智能制造、VR/AR、智慧城市和無人機(jī)等新業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展[1]。而通過大力發(fā)展新業(yè)務(wù)，也為人們的生產(chǎn)、工作和生活等多方面提供極大的便利，滿足人們對美好通信的向往。

5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)流程與4G 網(wǎng)絡(luò)類似，但由于5G基站設(shè)備的工作帶寬為100 MHz，發(fā)射功率典型值為200 W，因此設(shè)備功耗方面與4G 相比有明顯的增加。這一方面會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的供電需求，給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來困難；另一方面也增加運(yùn)營商的運(yùn)營成本。因此需要研究5G 基站設(shè)備功耗對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響，同時(shí)提出相應(yīng)的解決方案，以保障5G 網(wǎng)絡(luò)快速部署和正常運(yùn)營。

1 5G 能耗情況概述

1.1 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類似，總體上由無線接入網(wǎng)（NG-RAN）和核心網(wǎng)（5GC）構(gòu)成，圖1 為3GPP 給出的5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在圖1 中，5GC 主要包含AMF/UPF 網(wǎng)元，其中AMF 為接入和移動(dòng)管理功能，UPF 為用戶平面功能。NG-RAN 為 5G 無線接入網(wǎng)，其中 gNB 為 5G 基站，ng-eNB 為4G 基站（考慮到未來4G 和5G 長期共存，因此升級后的4G 基站具有接入5G 核心網(wǎng)的能力）。對于5G 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備功耗主要包括無線接入網(wǎng)設(shè)備和核心網(wǎng)設(shè)備，對于核心網(wǎng)設(shè)備，其功耗與4G 相當(dāng)，而對于5G 無線接入網(wǎng)設(shè)備，尤其是gNB 工作帶寬典型值為100 MHz，發(fā)射功率為200 W，其功耗相對于4G 網(wǎng)絡(luò)有明顯的增加，是影響網(wǎng)絡(luò)能耗的主要因素[2]。

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 簡述5G 電源系統(tǒng)

一般在5G 基站供電系統(tǒng)中，通過市電引進(jìn)直流電，然后經(jīng)過交流配電箱、開關(guān)電源等的作用，將其轉(zhuǎn)換為-48 V 直流后，再連接至5G 基站設(shè)備，通過光纖/饋線連接至桿塔上的天線上。基站主要設(shè)備由AAU 和BBU 構(gòu)成，AAU 主要是天線、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）、功放（PA）和射頻單元（RF）等元素構(gòu)成，將基帶數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號，然后再調(diào)制成為高頻射頻信號，經(jīng)由功放放大到特定功率之后，通過天線發(fā)射。BBU 則是負(fù)責(zé)處理基帶數(shù)字信號，如解碼/信道編碼、IFFT/FFT、解調(diào)/調(diào)制等。

在5G 基站的功耗組成中，一般由BBU 功耗、功放功耗和射頻單元功耗等構(gòu)成，且伴隨TRX 鏈路的增多，導(dǎo)致基站總功耗隨之增多。例如，隨著Massive MIMO 的天線單元增加，且每一個(gè)天線單元都具有射頻單元和功放單元，導(dǎo)致TRX 鏈路增加，所以就額外增加了5G 基站總體能耗。隨著5G 時(shí)代的到來，隨著傳輸速率的增加，基站的計(jì)算功耗將不斷增大。

1.3 5G 能耗情況測試情況

根據(jù)某運(yùn)營商省公司對主流設(shè)備廠家4G、5G 設(shè)備的基站功耗對比測試得出，5G 基站的單站功耗是4G 單站的2.5～3.5 倍，目前單站滿載功率近3 800 W，AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。后續(xù)可在低話務(wù)時(shí)段，通過關(guān)閉部分射頻通道下行功率的方式來節(jié)省能耗。當(dāng)AAU 監(jiān)測到下行符號發(fā)送時(shí)刻沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可臨時(shí)關(guān)閉PA，節(jié)省PA 靜態(tài)功耗；當(dāng)監(jiān)測到有業(yè)務(wù)時(shí)采用智能喚醒的方式。這樣可最大限度優(yōu)化能耗，提升5G 基站能源利用效率。

2 5G 基站功耗大帶來的影響

5G 基站設(shè)備架構(gòu)主要采用BBU+AAU 方式，其中，BBU 為基帶部分，可以進(jìn)一步拆分為CU 和DU 兩個(gè)邏輯網(wǎng)元，其中CU 處理無線網(wǎng)PDCP 層以上的協(xié)議棧功能，DU 處理PDCP 層以下的無線協(xié)議功能。目前，國內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則上采用了CU/DU 合設(shè)部署方式。AAU 為射頻部分，是由射頻單元與天線整合的有源天線單元。對于基站BBU 和AAU 設(shè)備的功耗，目前不同廠商設(shè)備的差異性較大，以現(xiàn)有64T64RS111 宏站設(shè)備為例，單基站的功耗為3～4 kW，5G 設(shè)備較4G 設(shè)備功耗提升2～3 倍，這將使5G 網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營面臨兩個(gè)難點(diǎn)。

2.1 供電系統(tǒng)建設(shè)難度加大

5G 電源系統(tǒng)建設(shè)可以采用現(xiàn)有電源系統(tǒng)方式，這時(shí)要求現(xiàn)有電源系統(tǒng)具有4 kW 以上的空余容量；在建設(shè)5G 電源系統(tǒng)時(shí)，也可以采取新建電源系統(tǒng)的方式，從外界引進(jìn)不小于15 kVA 的外電，為4G、5G 網(wǎng)絡(luò)的共同建設(shè)提供便利。對于目前國內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，一般由鐵塔公司負(fù)責(zé)建設(shè)基站，由多個(gè)運(yùn)營商共享共建。例如，我國的三大運(yùn)營商基于當(dāng)前的機(jī)房條件，采取共建共享的原則，共同建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)，供電系統(tǒng)的用電需求接近12 kW，這將造成目前部分基站空余容量不滿足上述需求，需要進(jìn)行電源系統(tǒng)改造，尤其是需要對外市電的引入進(jìn)行擴(kuò)容改造。目前，關(guān)于外市電引入擴(kuò)容改造，一般采用更換大容量變壓器、更改線路線纜、更改前級空開容量等方案。這些方案經(jīng)常存在難度大、周期長、成本高等問題，這必將會(huì)嚴(yán)重影響5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)度。

2.2 運(yùn)營成本增加

基站設(shè)備日常運(yùn)行電費(fèi)開支是運(yùn)營商運(yùn)營成本的重要部分。整體上一個(gè)5G 基站無線設(shè)備的功耗為3～4 kW，以目前的0.7 元/kW·h 的費(fèi)用計(jì)算，一個(gè)5G 基站無線設(shè)備全年運(yùn)行的電費(fèi)接近1.8 萬元～2.5 萬元。以目前國內(nèi)某一運(yùn)營商地級市城區(qū)現(xiàn)有48 萬4G 基站的規(guī)模為建設(shè)目標(biāo)，則每年的5G 基站設(shè)備的電費(fèi)開支將達(dá)到88 億元～110 億元。如果考慮頻段的差異，以及3.5 GHz 的實(shí)際覆蓋能力，則要達(dá)到與4G 網(wǎng)相同的覆蓋效果，目前來看，5G 的基站數(shù)量將要達(dá)到4G 基站的1.5倍左右，這時(shí)電費(fèi)開支將達(dá)到130 億元～160 億元。這一龐大的電費(fèi)開支，必然增加運(yùn)營商的運(yùn)營成本，影響5G 建設(shè)和運(yùn)行，因此需要研究降低5G 網(wǎng)絡(luò)能耗和電費(fèi)開支的方案，以保證5G 網(wǎng)絡(luò)健康運(yùn)營。

3 5G 基站功耗的應(yīng)對策略

3.1 技術(shù)創(chuàng)新

在5G 試驗(yàn)網(wǎng)階段，原型機(jī)基站在S111 配置下，功耗超過6 kW（BBU 功耗約為400 W，AAU 功耗約為1 900 W）。在目前階段符合R15 標(biāo)準(zhǔn)的5G 基站設(shè)備在S111 配置下，功耗為3～4 kW，因此可以看出，隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備功耗能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的下降，這需要主設(shè)備廠商不斷加大技術(shù)研究和創(chuàng)新。此外，針對5G 基站，在業(yè)務(wù)負(fù)荷處于較低狀態(tài)時(shí)，可以引進(jìn)時(shí)隙關(guān)斷、通道關(guān)斷和載波關(guān)斷等方式，有效控制5G 基站設(shè)備功耗情況，以降低運(yùn)營商的運(yùn)營成本。

3.2 設(shè)備選型

5G 網(wǎng)絡(luò)使用的Massive MIMO 主要有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R 等多種通道數(shù)天線，各種類型的天線覆蓋、容量、成本、功耗方面有一定的差異。在覆蓋方面：64T64R 設(shè)備覆蓋能力強(qiáng)；8T8R 設(shè)備覆蓋能力弱。在容量方面：64T64R 設(shè)備小區(qū)容量高；8T8R 設(shè)備小區(qū)容量低。在成本方面，64T64R 設(shè)備成本高，8T8R 設(shè)備成本低。在功耗方面，64T64R 設(shè)備功耗高，8T8R 設(shè)備功耗低。由于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展問題，目前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要以64T64R 天線為主，而對于32T32R、16T16R、8T8R 等天線，目前部分設(shè)備廠商還沒有相關(guān)設(shè)備，預(yù)計(jì)在2020年，各廠商才會(huì)有完備的Massive MIMO 系列產(chǎn)品。因此在后期的5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，在滿足覆蓋、容量需求情況下，應(yīng)合理進(jìn)行Massive MIMO 天線選型，如在業(yè)務(wù)量大、無線環(huán)境復(fù)雜的密集市區(qū)，建議采用64T64R 設(shè)備；在中高建筑的較多的一般城區(qū)/縣城，建議采用32T32R 設(shè)備；在用戶稀疏的農(nóng)村區(qū)域，建議采用16T16R 設(shè)備；在高速鐵路和高速公路沿線，建議采用8T8R 設(shè)備。通過合理的設(shè)備選型，達(dá)到降低運(yùn)營商CAPEX、OPEX 的目的。

3.3 優(yōu)化5G 電源方案

在5G 基站建設(shè)中，要采取科學(xué)的措施，提升資金的使用效率，建設(shè)智能化、低能耗和高可靠的能源網(wǎng)絡(luò)。基于5G 客戶需求、應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)備演進(jìn)，對其進(jìn)行綜合分析。在部署5G 電源時(shí)，必須要充分考量現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)電源的擴(kuò)容和改造場景，對存量電源余量進(jìn)行整合，將舊現(xiàn)網(wǎng)資源的優(yōu)勢最大化，提升能源的使用效率。

3.4 政策保障

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，由于業(yè)務(wù)發(fā)展不明確，用戶規(guī)模相對較小，因此5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要各級政府出臺保障措施，尤其需要各級地方政府強(qiáng)化運(yùn)營商用電保障，與電網(wǎng)公司溝通，使得在流程上進(jìn)行簡化，在費(fèi)用上進(jìn)行適當(dāng)減免，進(jìn)而為5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供最大便利。

4 結(jié) 論

國內(nèi)5G 商用網(wǎng)牌照已經(jīng)發(fā)放，各運(yùn)營商即將開始5G 大規(guī)模商用網(wǎng)建設(shè)，所以非常有必要加強(qiáng)對基站設(shè)備功耗對5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響及應(yīng)對策略的研究，這也對5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)具有積極的意義，可以有效控制5G建設(shè)和運(yùn)營的成本。