5G真的更耗電嗎？

2020年，庚子年，“中國(guó)戰(zhàn)疫”舉世矚目。這一年，5G元年，中國(guó)通信同樣表現(xiàn)搶眼。

根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)完成5G基站建設(shè)超過(guò)70萬(wàn)座，5G終端連接數(shù)突破2億。毫無(wú)疑問(wèn)，中國(guó)通信人交出了一份令人滿意的答卷，國(guó)內(nèi)5G市場(chǎng)正在全面爆發(fā)。

但另一方面，關(guān)于5G基站高耗電的議論，時(shí)有出現(xiàn)。人們擔(dān)心，5G的基站用電成本，會(huì)讓運(yùn)營(yíng)商不堪重負(fù)。

今天這篇文章，筆者將詳細(xì)分析5G的能耗，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的節(jié)能環(huán)節(jié)。

▉ 5G其實(shí)更省電

5G設(shè)備的耗電真的比4G多嗎？

非常遺憾，這個(gè)答案是肯定的。5G的耗電高，主要有兩點(diǎn)原因：

• 5G使用Massive MIMO技術(shù)

4G基站RRU使用8天線，天線矩陣實(shí)現(xiàn)2D MIMO，滿功率輸出160W射頻信號(hào)；5G基站AAU使用64天線，天線矩陣實(shí)現(xiàn)3D MIMO，滿功率輸出320W射頻信號(hào)。如果效率相同，5G AAU的耗能是4G RRU的2倍。
實(shí)際上，得益于更高效的PA（Power Amplifier，功率放大器）芯片和更好的DPD（Digital Pre-Distortion，數(shù)字預(yù)失真）算法，5G設(shè)備的效率是比4G高的。也就是說(shuō)，AAU的耗能不到RRU的2倍。

• 5G使用了更高的頻段

由于高帶寬和Massive MIMO的要求，5G使用較高頻率頻段。在SUB-6GHz的頻譜中，中國(guó)移動(dòng)使用2.6GHz頻段（和4G相同）；中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通使用3.5GHz頻段（兩家運(yùn)營(yíng)商4G TDD LTE頻段是2.6GHz頻段）。
根據(jù)無(wú)線信號(hào)自由空間傳輸損耗公式：
Los (dB)= 32.44 +20lg( d(km)) +20lg( f(MHz))
中國(guó)移動(dòng)5G覆蓋和4G相當(dāng)，而中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的5G覆蓋距離大概是4G時(shí)的0.75倍，站點(diǎn)數(shù)理論上增加1.8倍。達(dá)到與4G相同的覆蓋效果，5G站點(diǎn)數(shù)理論上是4G的1.2~1.4倍。
以上兩點(diǎn)因素疊加，5G全網(wǎng)的耗能將是4G全網(wǎng)耗能的2.4~2.8倍。
看來(lái)5G的能耗確實(shí)不可小覷。那么，又是什么原因讓5G選擇Massive MIMO和高頻段呢？
Massive MIMO的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：

1. 利用垂直緯度和水平緯度的天線自由度，時(shí)頻資源利用率提升；

2. 用戶間的干擾降低；

3. 提升小區(qū)吞吐率；

4. 提升小區(qū)邊緣用戶體驗(yàn)。

而高頻段頻譜助力5G Massive MIMO的實(shí)現(xiàn)。
天線的尺寸和頻率有關(guān)。 頻率越高，射頻信號(hào)波長(zhǎng)越短，相應(yīng)的天線尺寸越小。
5G的AAU現(xiàn)在使用64天線陣，往后發(fā)展還會(huì)有128天線陣和256天線陣。 大規(guī)模的天線陣，促使5G選擇高頻段頻譜資源。 
5G確實(shí)比4G耗能更多，但不能片面看待這個(gè)問(wèn)題。5G這匹“千里馬”吃得雖然多，但是，它拉了輛更大的車(chē)——5G系統(tǒng)容量是4G的20倍以上。
實(shí)際上，就傳輸單位比特信息量的功耗而言，5G 是更省電的。5G每比特?cái)?shù)據(jù)消耗的能量約是4G的1/10。 
▉ 節(jié)能減排永遠(yuǎn)在路上
我們?cè)賮?lái)看一組數(shù)據(jù)——2018年三大運(yùn)營(yíng)商的電費(fèi)：中國(guó)移動(dòng)245億元，中國(guó)電信140億元，中國(guó)聯(lián)通120億元。
按之前的估算，5G能耗是4G的2.2~2.4倍。預(yù)計(jì)5G全網(wǎng)建成后，全網(wǎng)年電費(fèi)將達(dá)到1200~1400億元。 雖然5G會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)利潤(rùn)回報(bào)，但基站設(shè)備的節(jié)能減排，是運(yùn)營(yíng)商必須重視的問(wèn)題。
毛主席在《矛盾論》中提出——要抓住問(wèn)題的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是AAU（RRU），AAU能耗的主要矛盾是發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器。
談到AAU中射頻功率放大器效率的提升，這里必須要提到一套“黃金提效方案”：Doherty+CFR+DPD。
我們首先來(lái)看這套高效率方案生成的背景。
實(shí)際上，這套高效率方案在4G時(shí)代就開(kāi)始使用了，它是針對(duì)OFDM系統(tǒng)提出的。
由于OFDM符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的調(diào)制的信號(hào)相加而成的，這樣合成的信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率。并且載波數(shù)越多，峰值信號(hào)功率越大。
在分析這種類(lèi)型信號(hào)時(shí)，提出了峰均比（PAR，Peak-to-Average Ratio）的概念。PAR是符號(hào)的峰值功率與平均功率的比值：
PAR（dB）=Ppeak(dbm)-Pmean(dbm)

OFDM時(shí)頻信號(hào)
OFDM系統(tǒng)信號(hào)的特點(diǎn)是時(shí)域?yàn)榉呛惆j(luò)狀態(tài)，峰值功率隨機(jī)出現(xiàn)。大峰均比信號(hào)的出現(xiàn)，會(huì)降低射頻前端功放的效率。
伴隨高峰均比信號(hào)的出現(xiàn)，削峰技術(shù)（CFR）就誕生了。
CFR即降低信號(hào)峰均比的技術(shù)。信號(hào)的削峰會(huì)帶來(lái)一定的失真，過(guò)多的削峰會(huì)影響接收機(jī)的誤碼率。
在4G、5G移動(dòng)通信中，信號(hào)的原始峰均比有十幾dB，經(jīng)過(guò)削峰后，送給發(fā)射單元的信號(hào)的峰均比一般為6~7dB。
為了滿足發(fā)射機(jī)的線性指標(biāo)，工程師在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，可能會(huì)選擇功率回退方案。功率回退是指，讓功率放大器輸出比自己飽和功率低得多的功率信號(hào)，以保證輸出信號(hào)的線性指標(biāo)。
該方案實(shí)現(xiàn)難度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
比如，輸出10W的信號(hào)，工程師會(huì)選擇飽和功率大于10W的功率放大器做方案。
但高峰均比信號(hào)的出現(xiàn)，使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如輸出平均功率為10W，峰均比為6dB的信號(hào)，工程師需選擇飽和功率大于40W的功放管來(lái)做方案。
但是功放的輸出功率和效率是正比關(guān)系，為了滿足瞬時(shí)大信號(hào)的線性指標(biāo)，高峰均比系統(tǒng)使用回退方案會(huì)導(dǎo)致效率低下。如果AAU發(fā)射機(jī)放大器使用純回退方案，末級(jí)功放效率將不足15%，整機(jī)效率不足10%。
Doherty放大器解決了高峰均比系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。
其結(jié)構(gòu)如圖，Doherty放大器通常情況下使用兩個(gè)完全相同的放大管來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。限于篇幅，其工作原理無(wú)法展開(kāi)細(xì)說(shuō)。它最大的特點(diǎn)是，放大器在輸出功率低于飽和功率6db時(shí)的效率，與輸出飽和功率時(shí)的效率相當(dāng)。

 Doherty結(jié)構(gòu)
即在5G系統(tǒng)中，Doherty放大器輸出平均功率時(shí)具有飽和功率效率。比如Doherty功放的飽和功率是100W，輸入信號(hào)的峰均比是6db，當(dāng)輸出25W功率時(shí)，其效率與放大器輸出100W功率相同。

Doherty效率曲線
目前國(guó)內(nèi)幾個(gè)大廠的AAU末級(jí)Doherty功放的效率已經(jīng)做到50%以上，AAU整機(jī)效率超過(guò)40%。相對(duì)于純回退方案，Doherty方案的整機(jī)能耗是其1/4。
但有得必有失，Doherty放大器并不是全能的，其在功率回退6db處得到了輸出飽和功率時(shí)的效率，這是以線性指標(biāo)劣化為代價(jià)的。為了保證系統(tǒng)的線性指標(biāo)，DPD出場(chǎng)了。
先了解預(yù)失真技術(shù)（PD），它是人為地加入一個(gè)特性與系統(tǒng)非線性失真恰好相反的系統(tǒng)，兩種非線性互相補(bǔ)償，最終消除非線性分量，如圖。DPD是數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，預(yù)失真信號(hào)在數(shù)字域產(chǎn)生。

預(yù)失真的線性補(bǔ)償
DPD技術(shù)通過(guò)采集分析Doherty放大器輸出信號(hào)的非線性特性，在數(shù)字域內(nèi)對(duì)原始基帶信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)符合協(xié)議要求的線性指標(biāo)（ACPR）。
現(xiàn)在各大廠商AAU的效率，很大一部分取決于其DPD算法對(duì)非線性功放的校正能力。其校正能力越強(qiáng)，發(fā)射機(jī)的效率就能做得越高。
梳理一下這套高效率發(fā)射機(jī)方案的工作流程：

1. CFR技術(shù)將高峰均比的信號(hào)削峰致6~7dB；

2. Doherty放大器放大削峰后的信號(hào)，其輸出平均功率時(shí)具有輸出飽和功率時(shí)相同的效率，但其線性指標(biāo)(ACPR)較差；

3. DPD技術(shù)校正放大器的非線性，使發(fā)射機(jī)達(dá)到協(xié)議要求線性指標(biāo)。

1. 選擇效率更高GaN功放，取代LDMOS功率放大器；

2. 將太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源應(yīng)用于5G基站的能源補(bǔ)給；

3. “AI+大數(shù)據(jù)”智能監(jiān)測(cè)、控制AAU通道開(kāi)關(guān)，使5G基站的負(fù)荷更高效；

4. CU與DU分離，CU的集中管理一定程度上也提高了效率，降低5G能耗。