一文讀懂5G基站節(jié)能技術(shù)

時間：2020-09-28 16:20:12

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[導(dǎo)讀]近年來，全球運(yùn)營商營收整體不斷下滑，OPEX支出卻不斷增加，其中基站電費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支出中占比超30%。5G基站由于更大的帶寬、更多的通道數(shù)、器件集成度低等因素影響，功耗相當(dāng)于4G基站的3-4倍。截止9月5日，全國已建成5G基站超48萬個，預(yù)計(jì)年底將突破60萬站，估算一年的電費(fèi)將超...

本文來源：5G行業(yè)應(yīng)用

近年來，全球運(yùn)營商營收整體不斷下滑，OPEX支出卻不斷增加，其中基站電費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支出中占比超30%。5G基站由于更大的帶寬、更多的通道數(shù)、器件集成度低等因素影響，功耗相當(dāng)于4G基站的3-4倍。截止9月5日，全國已建成5G基站超48萬個，預(yù)計(jì)年底將突破60萬站，估算一年的電費(fèi)將超300億。5G基站節(jié)能已成為5G商用中不得不考慮的一個棘手問題。

目前主流節(jié)電技術(shù)的思路是從基站射頻入手，在兼顧體驗(yàn)的同時，構(gòu)建設(shè)備、站點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)三級技術(shù)方案體系，結(jié)合AI等技術(shù)多管齊下，從試點(diǎn)來看效果顯著。同時，錯峰用電及地方用電優(yōu)惠也使得5G耗電得到一定程度緩解。

為什么關(guān)注5G耗電？

運(yùn)營商投資面臨挑戰(zhàn)，耗電在OPEX中占比較高

據(jù)GSMA統(tǒng)計(jì)，自2012年起，全球運(yùn)營商收入年均復(fù)合增長率開始逐年降低，而OPEX年均復(fù)合增長率逐年增加，兩者差距不斷增大，使得運(yùn)營商營收壓力與日俱增。在運(yùn)營商的OPEX中，基站電費(fèi)支出占網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營部分的30%以上，占整個OPEX支出的10%左右。數(shù)據(jù)顯示2018年中國移動電費(fèi)支出約220億元。

5G相比4G功耗更大

當(dāng)前中國5G建設(shè)不斷加速，截止9月5日，全國已建成5G基站超過48萬個，預(yù)計(jì)年底將突破60萬站。相比4G而言，5G功耗有了進(jìn)一步增加，原因包括：

1）大帶寬。5G NR帶寬從原來的4G的幾十兆變?yōu)?60/200 兆；
2）通道數(shù)增多。收發(fā)通道數(shù)從原來的 8 通道變?yōu)?64/32 通道；
3）數(shù)字中頻器件、芯片等集成度不足，導(dǎo)致功耗增加；
4）流量從傳統(tǒng)的 2 流變?yōu)?16 流；
5）發(fā)射功率從 100 多瓦變?yōu)?240/320 瓦。

可見，5G基站相比4G的功耗有了顯著增加。數(shù)據(jù)顯示，目前運(yùn)營商的5G基站主設(shè)備空載功耗約2.2-2.3kW，滿載功耗約3.7-3.9kW，這相當(dāng)于4G基站的3-4倍左右。以1.3元/度電價測算，一個4G基站每年的電費(fèi)是20280元，而5G基站每年的電費(fèi)將高達(dá)54600元，按照今年年底國內(nèi)60萬5G基站計(jì)算，一年的電費(fèi)就將高達(dá)327億。5G節(jié)能已成為5G商用中不得不考慮的一個棘手問題，會對運(yùn)營商的5G運(yùn)營商成本帶來極大影響。因此，運(yùn)營商在5G招標(biāo)中均將節(jié)能作為基站基本功能，占據(jù)較大比重。

三級5G節(jié)能技術(shù)方案體系

基站能耗關(guān)鍵在射頻

根據(jù)蜂窩網(wǎng)的架構(gòu)分析，整個網(wǎng)絡(luò)中基站設(shè)備機(jī)房是整網(wǎng)的主要耗電部分，占整網(wǎng)耗能60%以上，其中基站設(shè)備耗電占據(jù)50%左右。而射頻設(shè)備能耗又占據(jù)整個基站能耗的90%以上。因此節(jié)能方案將重點(diǎn)圍繞基站設(shè)備，尤其是射頻設(shè)備展開。

統(tǒng)籌體驗(yàn)和耗能，構(gòu)建三級節(jié)能體系

在制定節(jié)能方案和策略的同時，需要時刻把握節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的平衡，將話務(wù)、體驗(yàn)和能耗統(tǒng)籌考慮，快速精準(zhǔn)識別不同場景，并針對性的采用不同的節(jié)能策略。

根據(jù)《5G 基站節(jié)能技術(shù)白皮書（2020）》，目前5G節(jié)能技術(shù)方案包括設(shè)備級、站點(diǎn)級和網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能。其中，設(shè)備級方案重點(diǎn)從器件、硬件設(shè)計(jì)方面入手；站點(diǎn)級方案主要從幀、通道關(guān)斷及深度休眠等方面開展軟件節(jié)能；網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能方案重點(diǎn)從多網(wǎng)協(xié)調(diào)角度達(dá)到節(jié)能的效果。

5G節(jié)能三級節(jié)能技術(shù)體系

2.1 設(shè)備級

基站可分為 AAU 和 BBU 兩大部分，其中AAU的功耗約占整機(jī)功耗的 90%，是基站功耗的主要組成部分。AAU 功耗按照功能模塊可分為功放、小信號、數(shù)字中頻和電源功耗。功耗隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的變化而變化，各功能模塊的功耗比例也隨之發(fā)生變化。

基站能耗分布（1）；來源：中國移動研究院，2020

功放在滿載條件下，功放的功耗占比最高，平均約58%，是耗能的重要部分。因此，需進(jìn)一步提升功放在整機(jī)中的工作效率，以及在低負(fù)載下保持較高效率的能力，增強(qiáng)DPD算法的魯棒性，支持功放配置狀態(tài)實(shí)時調(diào)整狀態(tài)下線性工作。業(yè)界已有廠家采用第二代半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)降低功耗的效果，同時利用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)散熱性能，提升散熱效率，進(jìn)而達(dá)到降低功耗的目的。

基站能耗分布（2）；來源：中國移動研究院，2020

數(shù)字中頻

在空載條件下，數(shù)字中頻部分的功耗占比最高，平均約46%，因此需要想辦法降低數(shù)字中頻模塊的基礎(chǔ)功耗。目前主要的方法是通過提高數(shù)字器件的集成度（比如數(shù)字中頻支持32通道）、優(yōu)化數(shù)字中頻處理算法，降低運(yùn)算復(fù)雜度的方式來解決。

芯片

芯片性能對設(shè)備的功耗也非常重要，基帶處理芯片需單顆支持2載波NR@64通道，同時進(jìn)一步通過采取更先進(jìn)的工藝來提高基帶、中頻芯片的處理能力，并降低芯片功耗。據(jù)了解，數(shù)字中頻和基帶處理部分可進(jìn)一步優(yōu)化算法，通過降低算法的運(yùn)算復(fù)雜度來進(jìn)一步達(dá)到降低功耗效果。

2.2 站點(diǎn)級

站點(diǎn)級節(jié)能方案的思路是通過對網(wǎng)絡(luò)目前狀態(tài)的識別，在保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的前提下，通過適時關(guān)閉部分設(shè)備、小區(qū)、通道或功放等手段，或者提高冷卻效率等方式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的節(jié)能。

深度休眠

當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)中沒有5G用戶時，可關(guān)閉AAU中所有的可關(guān)閉的器件，包括數(shù)字中頻、功放等，只保留用于喚醒的的最基本的數(shù)字電路接口，使得AAU進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大程度降低功耗的效果。深度休眠的方案適用于5G符合較低的場景或者時間段，比如一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或者深夜時段。向深度休眠基本不影響用戶體驗(yàn)，啟動深度休眠一般為秒級，恢復(fù)喚醒約5-10分鐘。此外，還可根據(jù)業(yè)務(wù)量情況，對一些忙時需要宏站和微站分擔(dān)容量的區(qū)域，在閑時將微站進(jìn)行深度休眠，只由宏站承擔(dān)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

小區(qū)關(guān)斷

對于同制式下多頻網(wǎng)絡(luò)或者4G/5G共模基站覆蓋情況下，當(dāng)小區(qū)內(nèi)負(fù)荷較低時，可考慮關(guān)閉其中部分小區(qū)，保證當(dāng)前話務(wù)需求，當(dāng)符合升高時再自動開啟高容量小區(qū)以快速滿足話務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

通道關(guān)斷

當(dāng)小區(qū)負(fù)荷較低時，可以按照不同的級別關(guān)閉AAU的通道，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。比如由64通道降到48通道，甚至16通道。關(guān)斷或開啟的時間顆粒度為秒級。通道關(guān)斷功能主要用于已部署了 64 通道、32 通道宏基站的區(qū)域，據(jù)了解，目前實(shí)驗(yàn)室測試可節(jié)省約 15%的能耗。

符號關(guān)斷

根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷，當(dāng)判斷下行符號無有效數(shù)據(jù)發(fā)送時，在剩下的沒有有效信息傳輸?shù)臅r間段內(nèi)，關(guān)閉功率放大器等射頻硬件，降低靜態(tài)功耗。一般生效時間顆粒度為微秒級別。符號關(guān)斷主要適用于低負(fù)荷場景，實(shí)驗(yàn)室測試顯示整機(jī)功耗可降低10%左右。

下行功率優(yōu)化

由于5G 支持基站下行基于用戶級調(diào)整發(fā)射功率，因此可在保證用戶感知不下降的前提下，減小基站對部分用戶的下行發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

液冷基站

液冷散熱是利用液態(tài)冷卻介質(zhì)的大比熱容量特性快速帶走設(shè)備熱量的一項(xiàng)冷卻技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)的主動式空調(diào)設(shè)備相比，液冷能提升基站冷卻效率，在減少能源與排放的同時，運(yùn)行安靜，體積最大減小50％，重量減輕30％。今年6月，諾基亞稱其5G AirScale液冷基站解決方案已幫助芬蘭移動運(yùn)營商Elisa將其基站的潛在能源費(fèi)用減少了30％，并將二氧化碳排放量減少了約80％。

2.3 網(wǎng)絡(luò)級

網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能的思路是利用現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的AI算法，確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的配置參數(shù)，包括開啟策略、相關(guān)門限和時間段設(shè)置等，以實(shí)現(xiàn)降低現(xiàn)網(wǎng)能耗的目標(biāo)。AI算法不僅可以進(jìn)行初始的參數(shù)配置，還可以通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行小區(qū)級的話務(wù)預(yù)測，從而調(diào)整節(jié)能策略，并不斷進(jìn)行算法的優(yōu)化。

網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能方案需要支持TD-LTE和LTE FDD、5G NR等多種網(wǎng)絡(luò)制式下的典型基站設(shè)備，同時適用于單網(wǎng)或多網(wǎng)共存場景?？筛鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，通過在網(wǎng)管端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和大數(shù)據(jù)處理，自動識別多頻多模網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下覆蓋小區(qū)及容量小區(qū)，并進(jìn)行適時小區(qū)關(guān)斷和喚醒。

2.4 技術(shù)試點(diǎn)效果明顯

今年，包括中興和華為在內(nèi)的設(shè)備商開展了多項(xiàng)5G節(jié)能試點(diǎn)測試驗(yàn)證，節(jié)能效果提升明顯。

7月，遼寧聯(lián)通同中興通訊在大連成功試點(diǎn)5G節(jié)能技術(shù)，其中具體驗(yàn)證的技術(shù)包括DTX關(guān)斷（時隙關(guān)斷、符號關(guān)斷）、通道關(guān)斷、深度休眠三大技術(shù)，同時根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)場景測試了多項(xiàng)節(jié)能組合策略。測試結(jié)果顯示，DTX關(guān)斷節(jié)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)降耗10%至20%，通道關(guān)斷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)降耗15%至25%，深度休眠使能期間可實(shí)現(xiàn)平均降耗60%至80%。開啟節(jié)能組合策略后，5G基站(S111)日均節(jié)電可達(dá)到10至12度，節(jié)能期間網(wǎng)絡(luò)KPI保持穩(wěn)定。

華為則聯(lián)合上海移動，驗(yàn)證采用了其節(jié)能方案（PowerStar）后的 5G單模與4G/5G雙模站點(diǎn)節(jié)能效果，現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測5G單模站點(diǎn)日均節(jié)能比例24.83%，4G/5G雙模站點(diǎn)日均節(jié)能比例12.26%。后續(xù)將進(jìn)行規(guī)模節(jié)能合作，預(yù)計(jì)全網(wǎng)5G站點(diǎn)每年可節(jié)電1500萬度。

錯峰用電及優(yōu)惠政策

目前包括貴州、山東、遼寧等在內(nèi)的多地已相繼出臺政策，對5G基站用電試行峰谷電價，并進(jìn)一步降低電價。在基站稅收減免及數(shù)據(jù)中心的用地用水用電保障、建設(shè)審批、能耗指標(biāo)要求等方面，加大政策支持力度。

以廣東為例，峰、平、谷電價時段分別為6、10、8小時，電價比例為1.65:1:0.5，其中高峰時段電價是低谷時段的三倍以上。如果是直供電站點(diǎn)，便可以采用智能電源，使得站點(diǎn)錯峰運(yùn)行，節(jié)約用電成本。同時，由于鋰電池成本的下降，5G時代站點(diǎn)可能將普遍使用鋰電池，而直供電已經(jīng)是站點(diǎn)供電主流，將來站點(diǎn)剩余空間將由鋰電池填充，不但電費(fèi)降了下來，而且因?yàn)槌L的備電時長，可使當(dāng)前高昂的應(yīng)急發(fā)電成本大幅下降。

參考文獻(xiàn)：

《5G 基站節(jié)能技術(shù)白皮書（2020）》

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