5G基站設(shè)備功耗對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響研究

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商用網(wǎng)牌照，標(biāo)志著我國移動(dòng)通信正式進(jìn)入5G時(shí)代。相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)性能和業(yè)務(wù)承載方面有較大的提升。4G時(shí)代被認(rèn)為是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，主要解決人與人之間的通信，而5G時(shí)代被認(rèn)為是萬物互聯(lián)時(shí)代，在完善人與人之間通信的基礎(chǔ)上，人與物、物與物的通信，將得到極大的發(fā)展。借助5G網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬、大連接、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)能力，高清視頻、VR/AR、無人機(jī)、智慧城市、智能制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療等業(yè)務(wù)能夠得到快速發(fā)展，這些業(yè)務(wù)將會(huì)極大影響我們的工作，生活，生產(chǎn)以及社會(huì)的各個(gè)方面，因此可以說“4G改變生活、5G改變社會(huì)”。

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100MHz，發(fā)射功率典型值為200W，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。

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)。

圖1? 5G網(wǎng)絡(luò)架構(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g(shù)NB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(jí)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100MHz，發(fā)射功率為200W，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。

5G設(shè)備功耗分析

5G基站設(shè)備，其架構(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，表1為目前4個(gè)主設(shè)備廠商的5G基站功耗情況。

表1? 5G基站設(shè)備功耗

注：后期隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備型號(hào)的變化，基站功耗也將發(fā)生變化，因此上表中的數(shù)據(jù)僅作為功耗分析時(shí)的參考。

根據(jù)表1，以現(xiàn)有64T64R S111宏站設(shè)備為例，單基站的功耗約為3~4kW，5G設(shè)備較4G設(shè)備功耗提升約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)。

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4kW以上的空余容量；5G電源系統(tǒng)建設(shè)也可以采用新建電源系統(tǒng)方式，需要外電引入不小于15kVA，以便滿足5G、4G網(wǎng)絡(luò)共建的需求。

對于目前國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，基站一般由鐵塔公司負(fù)責(zé)建設(shè)，多家運(yùn)營商共建共享。如三家運(yùn)營商，利用現(xiàn)有機(jī)房，采用共建共享建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，供電系統(tǒng)的用電需求接近12kW，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(jí)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。

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3~4kW，以目前的0.7元/kWh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1.8~2.5萬元。以目前國內(nèi)某一運(yùn)營商地級(jí)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88~110億元左右，如果考慮頻段的差異，以及3.5GHz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130~160億元左右。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。

5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案及措施

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6kW（BBU功耗約為400W，AAU功耗約為1900W）。在目前階段符合R15標(biāo)準(zhǔn)的5G基站設(shè)備在S111配置下，功耗約為3~4kW，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。另外對于5G基站，可以考慮在業(yè)務(wù)負(fù)荷較低的時(shí)候，引入通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、時(shí)隙關(guān)斷等技術(shù)手段，進(jìn)一步降低5G基站設(shè)備功耗，以降低運(yùn)營商的運(yùn)營成本。

設(shè)備選型

在5G網(wǎng)絡(luò)中使用的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，具體來看，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。

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(jí)政府出臺(tái)保障措施，尤其需要各級(jí)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。

結(jié)束語

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)，因此在目前階段，研究基站設(shè)備功耗對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響和應(yīng)對措施，對于加速5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，降低5G建設(shè)和運(yùn)營成本，有重要的意義。