5G基礎(chǔ)配套設(shè)施高功耗問題的優(yōu)化策略分析

9月9日，中國電信和中國聯(lián)通宣布將在全國范圍內(nèi)合作共建一張5G接入網(wǎng)絡(luò)，運營商希望以較低的投入快速形成5G服務(wù)能力，增強市場競爭力，提升網(wǎng)絡(luò)效益和資產(chǎn)運營效率。

不同于行業(yè)對轟轟烈烈的5G產(chǎn)業(yè)應(yīng)用散發(fā)出來的熱情，運營商目前還沒有探索到能夠帶來新增長點的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和商業(yè)模式，初期5G仍主要聚焦ToC用戶（個人客戶）。同時，5G設(shè)備能力大幅提升，單比特的投資和維護雖然都有所降低，但由于總額的提升，規(guī)模建設(shè)除了大量的資本性支出，更意味著數(shù)倍的電費支出，高功耗已成為運營商規(guī)模建設(shè)5G的阻力之一。

5G無線網(wǎng)功耗現(xiàn)狀分析

目前5G無線網(wǎng)主設(shè)備普遍采用支持100MHz帶寬的64T64R設(shè)備，相比4G網(wǎng)絡(luò)，提供了超過60倍的小區(qū)峰值吞吐率能力，但與此同時，5G設(shè)備的整體功耗也達到4G設(shè)備的3倍左右，如圖1所示。

首先，相比4G天饋系統(tǒng)，5G的AAU設(shè)備具有更多的天線單元陣列，大規(guī)模天線的波束賦形功能也將增加更多的功耗；其次，64T64R設(shè)備采用是64個小功放（PA）器件，高頻段、小功率的PA器件產(chǎn)業(yè)成熟度相對較低，整機效率較4G使用的40W、60W等功放效率偏低；最后，4G時期使用的CPRI接口（RRU和BBU之間的傳輸接口）由于帶寬要求高無法支撐5G規(guī)模建設(shè)，因此，5G采用了eCPRI接口，基帶功能部分遷移到AAU，進一步提高AAU數(shù)字部分大帶寬多通道處理要求，功耗面臨更大挑戰(zhàn)。

圖1 ?5G AAU與4G RRU各項功耗占比

5G無線網(wǎng)設(shè)備功耗分為計算功耗、傳輸功耗和額外功耗。計算功耗是指BBU消耗的電量，包括數(shù)字處理部分、管理和控制、與核心網(wǎng)和其他基站間通信等相關(guān)功耗；傳輸功耗是指功率放大器和射頻（RF）部分所消耗的電量，其主要執(zhí)行基帶信號與無線信號之間的信號轉(zhuǎn)換；額外功耗是指從市電引入到基站直流供電的整個轉(zhuǎn)換過程中額外損失的電量，也包括機房空調(diào)、制冷設(shè)備所消耗的電量。

根據(jù)5G外場測試，各廠家AAU的峰值功耗都在1000W以上，平均情況如表1所示。

表1 ?廠家設(shè)備功耗平均值（根據(jù)最新的外場測試結(jié)果）

注：BBU功耗與AAU連接數(shù)緊關(guān)聯(lián)，上表測試為1個BBU+3個AAU場景

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，基站是耗電大戶，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站設(shè)備機房；在基站設(shè)備機房中，基站設(shè)備的能耗占機房設(shè)備耗電比例超過50%；在基站設(shè)備中，AAU耗電超過了基站設(shè)備耗電比例的80%，如圖2所示。5G設(shè)備的高功耗也對市電引入、機房制冷提出了更高要求。根據(jù)以上分析，能耗控制應(yīng)重點關(guān)注機房整體能耗以及AAU能耗。

圖2?5G網(wǎng)絡(luò)功耗分布情況

根據(jù)典型電費單價估算，一個5G標(biāo)準(zhǔn)站（1個BBU+3個AAU）的電費在直供電場景下，單站年電費將達到2萬元，在轉(zhuǎn)供電場景下，單站年電費將達到3萬元，是4G同類站點的3倍左右。

同時，由于5G網(wǎng)絡(luò)的頻段較高（中國電信和中國聯(lián)通是3.5GHz、中國移動是2.6GHz和4.9GHz），相比原來4G頻段有較大提升，預(yù)計中遠期的5G站點規(guī)模將達到4G的1.5~3倍。因此，雖然5G設(shè)備能力相比4G有了大幅的提升，但設(shè)備功耗也有數(shù)倍級增加，對市電引入、蓄電池建設(shè)等方面提出更高的要求，將大幅增加運營商的CAPEX和OPEX。能否有效降低5G網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，將影響5G規(guī)模商用和產(chǎn)業(yè)化進程。整體能耗的降低不僅需要主設(shè)備廠家優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)備和算法，也需要圍繞基礎(chǔ)配套建設(shè)開展優(yōu)化。

設(shè)備優(yōu)化策略

設(shè)備優(yōu)化主要有硬件優(yōu)化和算法優(yōu)化兩類。

在硬件優(yōu)化方面，根據(jù)上面的分析，設(shè)備層面重點優(yōu)化AAU功耗，關(guān)注專用基帶芯片開發(fā)及高集成度TRX（收發(fā)信機）研發(fā)與應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 ??目前商用AAU的功耗組成

總體優(yōu)化方向重點分為幾個方面。首先，采用GaN（氮化鎵）功放，GaN是近年較受關(guān)注的新型半導(dǎo)體材料，相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體，用GaN材料制作的晶體管在輸出功率效率、耐壓耐溫等方面都具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料無可比擬的特性，利用GaN功放可實現(xiàn)更大帶寬、更高放大器增益和更高能效。

表2???節(jié)能算法分析

基礎(chǔ)配套設(shè)施優(yōu)化策略

除了設(shè)備層面的優(yōu)化之外，開展以下幾種新型基礎(chǔ)配套設(shè)施的建設(shè)，也可進一步降低因高能耗產(chǎn)生的額外投資及運維成本。

一是外市電引入，采用削峰填谷技術(shù)和宏站集中供電方式，可降低整體外市電改造費用。

二是削峰填谷技術(shù)，根據(jù)5G設(shè)備功耗隨話務(wù)量波動的特性，通過在用電高峰期蓄電池對市電進行補償供電，在用電低谷期對蓄電池充電的方式，市電整體容量可提升15%~30%，在保障供電的前提下減少對存量站的市電改造投資。

三是宏站集中供電方式，集中供電方案是選取區(qū)域內(nèi)市電容量充裕的基站作為中心基站，利用光電復(fù)合纜為周邊基站提供電力服務(wù)，這樣既能降低周邊基站市電和蓄電池擴容改造成本，又能縮短建設(shè)周期，提高供電可靠性。此類建設(shè)方式適用于產(chǎn)業(yè)園/工業(yè)園、大學(xué)城等站點密集區(qū)域，如圖4所示。

圖4??宏站集中遠供電示意圖

新型BBU機架的應(yīng)用

在BBU集中機房內(nèi)，各廠家設(shè)備混合部署，BBU設(shè)備尺寸、氣流組織不統(tǒng)一，局部過熱加重機房熱島效應(yīng)。5G BBU功耗約為4G的2~3倍，在不采取散熱措施的情況下，5G BBU集中機房的使用效率僅為4G的60%左右。同時，由于設(shè)備功耗提升導(dǎo)致的制冷條件不足，需對空調(diào)進行擴容，進一步增加電源系統(tǒng)的容量和用電需求。根據(jù)以上情況，可根據(jù)不同應(yīng)用場景，采用新型的BBU機架，從而提高散熱效果，提高機房利用率，降低對機房整體制冷的需求，如表3所示。

對于大集中機房而言，機房內(nèi)整體制冷效果好，5G BBU集中放置會導(dǎo)致局部熱量集中，相鄰機架間有可能出現(xiàn)風(fēng)道串聯(lián)，BBU一側(cè)溫度過高?？刹捎秘Q插型BBU機架，利用BBU自身風(fēng)扇將熱風(fēng)向上吹，相鄰設(shè)備間配有專門的風(fēng)道，將冷熱風(fēng)隔離，BBU出風(fēng)口的高溫氣體能通過風(fēng)道及時排出機架外。通過試點測試分析，可看到新型豎裝BBU機架可大幅降低周邊溫度，提高整體機架的利用效率。

表3 ?新型豎裝BBU機架溫度測試對比

在小集中機房內(nèi)，機房制冷效果一般，BBU集中放置造成的熱量過高不僅會影響機柜內(nèi)設(shè)備正常運行，還會使整個機房的溫度升高，影響其他設(shè)備工作。新型一體化BBU集中機柜，采用機架式精密空調(diào)制冷，并一鍵式配備應(yīng)急系統(tǒng)、配電單元與GPS共享設(shè)備，克服機房制冷效果不佳對BBU散熱帶來的影響。這一方式可降低機房PUE值，從而降低30%~40%的機房整體電費支出，如表4、表5所示。

表4??新型一體化BBU集中機柜溫度對比

表5 ??新型一體化BBU集中機柜年耗電量及成本計算對比

5G無線網(wǎng)的高功耗已經(jīng)成為5G規(guī)模商用和產(chǎn)業(yè)成熟的阻力之一， 5G的超高性能將給人們的生活與生產(chǎn)帶來革新，但也需要綠色5G來推動規(guī)模建設(shè)進程，這并不是單一方面的優(yōu)化可以實現(xiàn)，而是需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的共同努力。進一步降低5G無線網(wǎng)功耗，需要重點關(guān)注主設(shè)備和配套設(shè)計方案，圍繞新型材料/元器件的研發(fā)、算法優(yōu)化、新型配套設(shè)施研發(fā)等多個環(huán)節(jié)開展研究及產(chǎn)業(yè)推進。
來源；通信世界