影響5G基站功耗的因素及解決辦法

王元元

【摘要】? ? 自2019年6月開始，我國開啟了5G的移動通信時代。5G不止在網絡性能方面相對4G有較大進步，更在業務承載方面發展顯著。5G在4G聯通人人通信的基礎上，致力于實現萬物互聯，要做到人人、人物、物物之間的互相聯通。在5G的快速發展下，VR技術、遠程醫療等業務也水漲船高，并且將在我們的生活中占據重要位置，有可能徹底改變我們的現有生活方式。

【關鍵詞】? ? 5G基站功耗? ? 影響因素? ? 解決辦法

引言：

5G移動通信時代的出現也帶動寬帶以及天線通道數和容量的增加，據統計截至2020年12月，5G基站建設開發數量已經超過60萬個，而這些數量的增加卻進一步增加了5G基站的能耗，對網絡供電方面和運營成本方面都提出了更為嚴峻的挑戰，所以目前降低相關能耗是5G基站發展的重中之重。

一、5G基站能耗分析

5G基站包括CU/DU以及有源天線單元兩部分，前者多裝配在新型無線接入網架構的機房內，主要受基帶數字信號的影響，在能耗方面變化不大，一般不會隨著業務量的變化而產生變化。

有源天線單元的安裝較為分散，裝備位置多在塔桅上，它是調配信號的主力軍，所以能耗受業務量的變化容易產生波動，空載時的能耗大約是滿載能耗的一半。

5G的有源天線單元應用了大規模多輸入多輸出/大規模天線技術，在一定程度上提升5G的信號通道的容量以及信號通道的數量，在通道數量上超出了4G的四倍，在寬帶上是4G的五倍，而能耗卻在4G的兩倍到三倍之間。從另一個角度來說，5G能耗高也能理解，較高的投入才能獲得越高的產出，這就是5G大規模多輸入多輸出/大規模天線技術的應用方式，通過計算也能發現5G的產出是遠遠大于4G的，所以5G的能耗是有意義的。

二、5G基站功耗產生的影響

2.1供電系統建設難度加大

5G技術較高的產出對供電系統方面提出了更高的要求，盡管可以利用現有電源的方式進行緩解，但是卻要求現有電源要達到最低四千瓦的容量，同時也并不是真正解決的辦法;除此之外只能依靠新建電源的方式來解決，新建電源不止要求外電的最低引入量有要求，同時建設成本的需求也是巨大的。

我國的基站建設長期以來多是交付于鐵塔公司，并且在基站建成后國內幾大運營商是同時使用的。在進入5G移動通信時代之后，對供電系統的要求提升，簡略計算幾家運營商的用電需求接近12千瓦，這導致現有基站目前的空余容量完全不能滿足需求。最直接的方法就是對現有基站進行擴容改造，在變壓器、線路線纜等方面進行更新和改造，但是這樣的改造建設卻存在周期長以及成本高的問題，對于5G技術的發展嚴重不利。[1]

2.2運營成本增加

5G技術的發展需要改造基站，主要就是因為用電需求的增加，用電需求的增加同樣也就代表著運營成本的增加。但從用電量方面進行分析，以前的4G一個通信基站一年的耗費量在三萬度左右，而我國4G基站大概在四十八萬個左右，以4G為基礎，進行5G用電量的分析，則要超出4G用電量的二到三倍，所以一年5G技術的電費開支就已經是龐大的。要從實際出發，切實減輕5G的運營成本，實現更為健康的運營。

三、5G基站降低功耗探討

3.1硬件

5G基站包含CU/DU和有源天線單元兩部分，本身硬件設備的更新換代就可以借助材料更新的方式實現，所以5G基站降低能耗從硬件方面就可以從材料、工藝以及技術三方面著手。

CU/DU的裝備位置多位于機房內，一方面可以從更改機房格局的角度下手，將所有機房的面積都進行縮小處理，采用較為緊湊的機房，機房面積小在一定程度上便可節約制冷設備的耗電量;

另一方面，可以引用新型的通風設備，將機房劃分為冷熱兩個區域，一部分區域利用制冷設備進行降溫處理，一部分區域采用自然風降溫，減少制冷設備的使用時間，降低能耗。

有源天線單元是5G基站內能耗最大的部分，據相關數據顯示有源天線單元的能耗甚至能達到5G基站的百分之九十及其以上。

有源天線單元包括數模轉換、射頻單元、功放以及天線四部分，這四部分中功放的功耗較高，所以降低有源天線單元的功耗可以從功放下手，即可以利用數字預失真技術，在降低功率放大器在非線性區運行時產生的失真，從而提升功率放大器的效率，減少使用時間。硬件方面就是從5G基站的組成部分一一降低功耗。

3.2軟件

5G基站的軟件降低能耗主要是依賴對基站內部的資源進行再次合理的調度匹配來實現的，目前最常用到亞幀關斷、多輸入多輸出通道關斷、深度休眠、智能開關斷電、載波關斷五類技術。[2]

第一，亞幀關斷是智能性的識別基站內部所有軟件的動態頻率來判斷該軟件是否正在運作，將停止運作時間超過半小時及其以上的軟件進行關斷，以減少電量及其他能耗耗費的方式;

第二，多輸入多輸出通道關斷是通過多段時間的軟件運作時間來計算低業務時間段，并在此后的低業務時間段內主動關斷部分射頻線路以達到降低能耗的效果;

第三，深度休眠是在低業務時間段保留運作必需的軟件，其余未使用的軟件并沒有直接關斷，而是采用休眠的方式減少能耗，因為休眠可以實現快速的喚醒，所以這類技術方案在一定層面上并不會影響正常使用;

第四，智能開關斷電。這種首先要將4G、5G的所有線路進行劃分，在使用時智能性的喚醒需要用到的軟件，并且在使用完畢后又主動將有源天線單元的相關線路關閉，這類技術方案可以說是減少能耗最快速的方法，但是由于頻繁的開關又對設備的性能要求較高;

第五，載波關斷。這類技術方案主要是依靠識別基站內部的資源供給是否充足，在部分不充足的情況下主動關斷較長時間未使用到的軟件，并且不會影響到基站的正常運作。

3.3網絡規劃

網絡規劃主要是依靠重新對基站所有資源進行整合規劃，盡可能的實現資源的充分利用，以最少的基站實現最高的產出。

5G最初的建設主要是根據業務量進行選擇，所以不可避免的新建了很多5G基站，后期在拓展階段可以考慮收錄之前的基站以及站址進行改造升級，實現5G基站的快速建設。

在通道選擇上可以考慮32通道和8通道，相較于64通道具備成本低、能耗小的特點，具體能耗對比可參照下表。同時在基站規模的選擇上可以以微基站來替代宏基站，首先微基站發射功率較低，相對來說能耗也較少，再者基站的規模變小就可以實現更高密度的覆蓋率，從而達到效益的最大化。

3.4設備選型

5G中使用的大規模多輸入多輸出/大規模天線技術包括64通道、32通道、8通道等，這些通道據上圖顯示，在垂直覆蓋性能、天線、成本、容量及其功耗上都有著較大的差異。在目前的5G發展中運用較多的為64通道的天線，其他通道的天線設備廠商甚至沒有存貨。在當下階段，根據各通道的適用范圍和特點性能等去因地適宜的選擇與基站匹配度較高的是降低能耗的必要方式，比如在城市人口或者無線使用較為密集的區域可以選擇64通道，在城區、縣城等建筑在20層以下的可以選擇32通道，農村、郊區等地方就可以選擇8通道。

3.5政策保障

2018年12月中央經濟會議中提出了“新型基礎建設”，而5G的發展建設就是新型基礎建設中的重要一項，是建立現代化經濟體系國家的基本建設和基礎設施建設。5G基站目前仍處在方興未艾的時期，用戶規模較少，技術也相對不成熟，在這個階段的探索中離不開國家政策的扶持和鼓勵，保障5G基站在發展初期的相關權益。

與此同時，5G基站由于較高的輸出所以在能耗方面需要耗費更多的成本，在用電量上面就要超出4G基站的兩到三倍，如果政府在政策上給予優惠，與國家電網協商在電費上提供減免政策，這樣5G基站的建設將會減少很多阻礙以及成本。

四、結束語

現階段國內5G基站的發展如火如荼，幾大運營商都在致力于5G基站的發展。但5G基站的能耗遠遠超出4G仍是不容忽視的問題，其中百分之八十的能耗集中在電能上，5G基站的基站、傳輸、電源及其機房空調四部分幾乎不能缺少電能，最主要的原因還因為5G基站的全封閉機房在全天無休止的運轉下溫度較高，需要較多的降溫設備不停的運轉進行降溫操作，這也是較大的電能耗費和運營成本的支出點。通過軟硬件、網絡規劃、設備選型以及政策保障五點探索降低能耗的方法，以實現5G基站的健康發展。

參? 考? 文? 獻

[1]王江漢，劉修軍，魯軍.5G基站高能耗分析與應對策略[J].無線互聯科技，2021（06）：1-2.

[2]彭釗，張旭.5G基站能耗分析與節能探討[J].通信與信息技術，2021（02）：49-50.

[3]韋良才.5G基站功耗的影響因素及應對策略[J].通信電源技術，2020（05）：220-221.