5G基站能耗管控與環境影響

戴春偉

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

第五代移動通信技術（5G）作為新一代寬帶無線移動通信網，將以全新的網絡架構、提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，開啟萬物廣泛互聯、人機深度交互的新時代。

中國電信和中國聯通進行5G共建，已完成5G一期工程建設，在2020年開展5G二期工程建設，計劃在三季度完成全國25萬5G基站共建工作，力爭率先實現5G SA（Standalone,獨立組網）商用。中國移動已全面完成5G一期工程建設，在50個城市實現5G商用。目前已全面啟動5G二期工程設備測試和采購等工作，力爭2020年底5G基站數達到30萬，確保2020年內在全國所有地級以上城市提供5G商用服務。

2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會提出加快5G等新型基礎設施建設進度。5G基站建設正在國內加速進行，而5G主設備功耗、AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）發射功率和天線口輸出功率比4G基站大幅提高，因基站主設備功耗與天線發射功率存在因果關系，所以本文對5G基站功耗和5G基站對環境影響進行分析，并提出一些能耗管控措施和防護措施。

1 5G基站能耗管控

為了有效地闡述5G基站能耗管控，首先分析5G基站功耗，并與4G基站進行對比，其次對典型類型基站總功耗進行統計分析，最后提出5G基站能耗管控措施。

1.1 對5G基站功耗與4G基站對比分析

主流5G主設備廠家的設備功耗統計如表1所示。

表1 主流5G主設備功耗統計表

主流4G主設備廠家的設備功耗統計如表2所示。

表2 主流4G主設備功耗統計表

通過對以上兩個表中數據對比分析，5G主設備功耗約為4G主設備的2～3倍。

1.2 對典型類型基站總功耗統計分析

自2008年工信部《關于推進電信基礎設施共建共享的緊急通知》（工信部通[2008]235號）文件下發以來，三大運營商積極落實共建共享政策。在落實“網絡強國”戰略、深化國企改革、促進電信基礎設施資源共享的背景下，2014年成立了鐵塔公司，負責三大運營商的基站塔桅和配套建設，把基站共享推上了新的高潮。在兩階段政策作用下，現在大部分基站（物理站點）有多家運營商的多套通信系統。

此處對三家運營商的基站進行功耗統計分析，如表3所示。

表3 三家運營商基站功耗統計表

兩家運營商共享基站（物理站點）以中國電信和中國移動為例：單基站典型站型的總功耗約為16130W。

三家運營商共享基站（物理站點）：單基站典型站型的總功耗約為24730W。

1.3 5G基站能耗管控措施

通過以上分析可得出，5G基站功耗大，單基站（物理站點）能耗大幅增加，隨著5G大規模建設，基站能耗問題更加得到大家關注。進行5G基站能耗管控，可以降低運營商建設維護成本，同時起到節能減排的作用。本文提出幾點5G基站能耗管控措施，具體如下：

（1）5G共建

中國電信和中國聯通5G共建，在實現節省主設備和配套投資的同時，也大幅降低了5G基站能耗。

（2）新建4G/5G混模設備

替換或改造原有4G設備，實現4G/5G混模，以降低功耗，目前已有成熟產品，例如中興A9611A。

（3）Massive MIMO通道數選擇

大規模天線技術具有較多優點，5G基站建設主要選用64TR/32TR/16TR/4TR（Transmitter Receiver，發射接收器），通道數越多系統容量等指標越好，但也會帶來造價高、體積大導致安裝難度大、功耗大等問題。對通道數與AAU功耗大小的相關性統計分析，以華為和諾基亞AAU為例（見表4）：

表4 通道數與AAU功耗相關性對比表

同廠家除通道數外其他配置相同的AAU， 64T4R功耗比32T32R高約17%。建議5G建設時，根據不同覆蓋場景選擇合適通道數的AAU，郊農區域可選擇32T32R或16T16R，以降低造價和功耗。

（4）CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit，集中式單元/分布式單元）集中放置

CU/DU集中放置，集中供電，提高能效，減低能耗。

（5）開發BBU（Base band Unite，基帶處理單元）資源池

開發BBU資源池，進行基帶共享，以減少BBU數量，降低能耗。

（6）AAU交流供電

從重要性和供電條件兩個維度對5G基站進行分類，選擇性地提供后備電保障。重要性低和供電條件好的5G基站采用交流供電，以節省開關電源和蓄電池的耗電。

（7）降低設備發射功率，選用高增益天線

適當降低設備發射功率，通過提高天線增益和賦行增益彌補，兼顧天線增益和尺寸以便于安裝。

（8）對現有基站系統進行改造

主要包括4個方面：對老舊空調系統替換改造、對現有機房進行改造、對老舊電源設備進行替換改造、部分站點直流改交流。

（9）部分系統有計劃退網

近年來小靈通、TD-SCDMA已完成退網，中國電信CDMA2000和中國聯通GSM將有計劃地進行退網。

2 5G基站環境影響

2.1 對5G基站天線口發射功率與4G對比分析

由于5G使用高頻段，傳播損耗大，因此要求的天線口發射功率高，5G宏站AAU輸出功率一般為200W/240W、天線增益24.5dBi，換算5G天線口發射功率約為28184W/67641W，而4G宏站RRU輸出功率范圍為60～80W、天線增益以15dBi為例，換算4G天線口發射功率約為1897～2530W，5G基站天線口輸出功率約為4G的15～27倍。

2.2 對典型類型基站總輸出功率統計分析

因多年實施共建共享政策，基站（物理站點）普遍有多家運營商的多套通信系統，此處對三家運營商基站總輸出功率統計分析。如表5所示。

表5 三家運營商基站總輸出功率統計表

兩家運營商共享基站（物理站點）以中國電信和中國移動為例：單基站總輸出功率（單扇區）約為900W（不包括天線增益）。

三家運營商共享基站（物理站點）：單基站總輸出功率（單扇區）約為1280W（不包括天線增益）。

2.3 5G基站防護措施

（1）安全保護距離分析

為防止電磁輻射污染、保護環境、保障公眾健康、促進伴有電磁輻射的正當實踐的發展，國家環境保護局發布了《電磁輻射防護規定》（GB 8702-2014），主要相關條款如下：

a.在30～3000（MHz）頻率范圍內，對公眾的電磁輻射防護標準為電磁輻射源在接受點產生的功率密度小于0.4 W/m2。

b.在3000～15000（MHz）頻率范圍內，對公眾的電磁輻射防護標準為電磁輻射源在接受點產生的功率密度小于f/7500 W/m2。

水平保護距離:

P：天線口功率，W（這里應取設備標稱功率-饋線損耗）；

S：功率密度，W/m2；

A：天線俯/仰角，°。

根據水平保護距離，測算垂直保護距離:

根據半功率角度方向的保護距離，垂直保護距離：

θ：垂直半功率張角

比較h1和h2，選取較大值為基站的垂直保護距離。

本文分別對3.5GHz頻段和4.9GHz頻段的5G基站，以天線口功率P＝200W，天線增益G＝282倍（24.5dBi），下傾角α=9°（天線掛高30米，覆蓋半徑250米），垂直半功率角θ=15°為例計算保護距離，具體如下：

◆5G 3.5GHz頻段

水平保護距離:

垂直保護距離：

根據以上計算可得出，3.5GHz頻段5G基站水平保護距離為96.86米，垂直保護距離為19.7米。

◆5G 4.9GHz頻段

水平保護距離:

垂直保護距離:

由以上計算可得出，4.9GHz頻段5G基站水平保護距離為81.86米，垂直保護距離為16.65米。

（2）穿透損耗

建筑組成的材料種類繁多，不同情況下穿透損耗差距較大，根據3GPP R-REP-P.2346，5G部分情況下穿透損耗值如下：

10cm&20cm厚混凝土板（concrete slab）：16～20dB

1cm鍍膜玻璃（0度入射角）：25dB

外墻+單項透視鍍膜玻璃：29dB

外墻+一堵內墻：44dB

外墻+兩堵內墻：58dB

外墻+電梯：47dB

（3）防護和控制措施

根據以上水平安全距離和垂直安全距離計算結果及穿透損耗值進行分析可得出，建筑物內的電磁輻射值在安全范圍內，在有些特殊場景需要注意防護，或采取控制措施。

a.塔高小于20米的樓頂塔，不要長時間站在塔底下，不要正對天線主瓣方向。

b.樓頂抱桿或美化天線，在樓頂如有需要可站在天線背后，不要正對天線主瓣方向。

c.若天線距離人員活動場地較近無法避免，適當調低設備發射功率，選用低增益天線。

d.落地塔距離建筑物很近的情況，調整天線方向角，盡量不要近距離正對建筑物。

3 結束語

通過對5G基站功耗分析，并與4G基站對比及對典型類型基站（物理站點）總功耗進行統計分析，得出5G基站功耗是其他通信系統的數倍，這導致基站（物理站點）總功耗大幅增加，5G基站能耗管控比以往更加重要，基于此對5G基站建設提出5G共建、新建4G/5G混模設備、Massive MIMO通道數選擇、CU/DU集中放置、開發BBU資源池、AAU交流供電、降低設備功率，選用高增益智能天線、對現有基站系統進行改造、部分系統有計劃退網等9條能耗管控措施。

由于制式和頻段原因，5G基站功耗大，天線口輸出功率較其他通信系統大幅提高，本文分別對3.5GHz頻段和4.9GHz頻段5G基站計算水平保護距離和垂直保護距離，分析基站對周圍環境的影響，并提出幾點特殊場景的防護和控制措施。