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(guó)開啟了5G的移動(dòng)通信時(shí)代。5G不止在網(wǎng)絡(luò)性能方面相對(duì)4G有較大進(jìn)步，更在業(yè)務(wù)承載方面發(fā)展顯著。5G在4G聯(lián)通人人通信的基礎(chǔ)上，致力于實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，要做到人人、人物、物物之間的互相聯(lián)通。在5G的快速發(fā)展下，VR技術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等業(yè)務(wù)也水漲船高，并且將在我們的生活中占據(jù)重要位置，有可能徹底改變我們的現(xiàn)有生活方式。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G基站功耗? ? 影響因素? ? 解決辦法

引言：

5G移動(dòng)通信時(shí)代的出現(xiàn)也帶動(dòng)寬帶以及天線通道數(shù)和容量的增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2020年12月，5G基站建設(shè)開發(fā)數(shù)量已經(jīng)超過60萬個(gè)，而這些數(shù)量的增加卻進(jìn)一步增加了5G基站的能耗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)供電方面和運(yùn)營(yíng)成本方面都提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，所以目前降低相關(guān)能耗是5G基站發(fā)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(wǎng)架構(gòu)的機(jī)房?jī)?nèi)，主要受基帶數(shù)字信號(hào)的影響，在能耗方面變化不大，一般不會(huì)隨著業(yè)務(wù)量的變化而產(chǎn)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(diào)配信號(hào)的主力軍，所以能耗受業(yè)務(wù)量的變化容易產(chǎn)生波動(dòng)，空載時(shí)的能耗大約是滿載能耗的一半。

5G的有源天線單元應(yīng)用了大規(guī)模多輸入多輸出/大規(guī)模天線技術(shù)，在一定程度上提升5G的信號(hào)通道的容量以及信號(hào)通道的數(shù)量，在通道數(shù)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(gè)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(chǎn)出，這就是5G大規(guī)模多輸入多輸出/大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用方式，通過計(jì)算也能發(fā)現(xiàn)5G的產(chǎn)出是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G的，所以5G的能耗是有意義的。

二、5G基站功耗產(chǎn)生的影響

2.1供電系統(tǒng)建設(shè)難度加大

5G技術(shù)較高的產(chǎn)出對(duì)供電系統(tǒng)方面提出了更高的要求，盡管可以利用現(xiàn)有電源的方式進(jìn)行緩解，但是卻要求現(xiàn)有電源要達(dá)到最低四千瓦的容量，同時(shí)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(shí)建設(shè)成本的需求也是巨大的。

我國(guó)的基站建設(shè)長(zhǎng)期以來多是交付于鐵塔公司，并且在基站建成后國(guó)內(nèi)幾大運(yùn)營(yíng)商是同時(shí)使用的。在進(jìn)入5G移動(dòng)通信時(shí)代之后，對(duì)供電系統(tǒng)的要求提升，簡(jiǎn)略計(jì)算幾家運(yùn)營(yíng)商的用電需求接近12千瓦，這導(dǎo)致現(xiàn)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(duì)現(xiàn)有基站進(jìn)行擴(kuò)容改造，在變壓器、線路線纜等方面進(jìn)行更新和改造，但是這樣的改造建設(shè)卻存在周期長(zhǎng)以及成本高的問題，對(duì)于5G技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重不利。[1]

2.2運(yùn)營(yíng)成本增加

5G技術(shù)的發(fā)展需要改造基站，主要就是因?yàn)橛秒娦枨蟮脑黾樱秒娦枨蟮脑黾油瑯右簿痛碇\(yùn)營(yíng)成本的增加。但從用電量方面進(jìn)行分析，以前的4G一個(gè)通信基站一年的耗費(fèi)量在三萬度左右，而我國(guó)4G基站大概在四十八萬個(gè)左右，以4G為基礎(chǔ)，進(jìn)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(shù)的電費(fèi)開支就已經(jīng)是龐大的。要從實(shí)際出發(fā)，切實(shí)減輕5G的運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)更為健康的運(yùn)營(yíng)。

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(shè)備的更新?lián)Q代就可以借助材料更新的方式實(shí)現(xiàn)，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(shù)三方面著手。

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

另一方面，可以引用新型的通風(fēng)設(shè)備，將機(jī)房劃分為冷熱兩個(gè)區(qū)域，一部分區(qū)域利用制冷設(shè)備進(jìn)行降溫處理，一部分區(qū)域采用自然風(fēng)降溫，減少制冷設(shè)備的使用時(shí)間，降低能耗。

有源天線單元是5G基站內(nèi)能耗最大的部分，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示有源天線單元的能耗甚至能達(dá)到5G基站的百分之九十及其以上。

有源天線單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)字預(yù)失真技術(shù)，在降低功率放大器在非線性區(qū)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的失真，從而提升功率放大器的效率，減少使用時(shí)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(duì)基站內(nèi)部的資源進(jìn)行再次合理的調(diào)度匹配來實(shí)現(xiàn)的，目前最常用到亞幀關(guān)斷、多輸入多輸出通道關(guān)斷、深度休眠、智能開關(guān)斷電、載波關(guān)斷五類技術(shù)。[2]

第一，亞幀關(guān)斷是智能性的識(shí)別基站內(nèi)部所有軟件的動(dòng)態(tài)頻率來判斷該軟件是否正在運(yùn)作，將停止運(yùn)作時(shí)間超過半小時(shí)及其以上的軟件進(jìn)行關(guān)斷，以減少電量及其他能耗耗費(fèi)的方式;

第二，多輸入多輸出通道關(guān)斷是通過多段時(shí)間的軟件運(yùn)作時(shí)間來計(jì)算低業(yè)務(wù)時(shí)間段，并在此后的低業(yè)務(wù)時(shí)間段內(nèi)主動(dòng)關(guān)斷部分射頻線路以達(dá)到降低能耗的效果;

第三，深度休眠是在低業(yè)務(wù)時(shí)間段保留運(yùn)作必需的軟件，其余未使用的軟件并沒有直接關(guān)斷，而是采用休眠的方式減少能耗，因?yàn)樾菝呖梢詫?shí)現(xiàn)快速的喚醒，所以這類技術(shù)方案在一定層面上并不會(huì)影響正常使用;

第四，智能開關(guān)斷電。這種首先要將4G、5G的所有線路進(jìn)行劃分，在使用時(shí)智能性的喚醒需要用到的軟件，并且在使用完畢后又主動(dòng)將有源天線單元的相關(guān)線路關(guān)閉，這類技術(shù)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(guān)又對(duì)設(shè)備的性能要求較高;

第五，載波關(guān)斷。這類技術(shù)方案主要是依靠識(shí)別基站內(nèi)部的資源供給是否充足，在部分不充足的情況下主動(dòng)關(guān)斷較長(zhǎng)時(shí)間未使用到的軟件，并且不會(huì)影響到基站的正常運(yùn)作。

3.3網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要是依靠重新對(duì)基站所有資源進(jìn)行整合規(guī)劃，盡可能的實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，以最少的基站實(shí)現(xiàn)最高的產(chǎn)出。

5G最初的建設(shè)主要是根據(jù)業(yè)務(wù)量進(jìn)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(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)5G基站的快速建設(shè)。

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(diǎn)，具體能耗對(duì)比可參照下表。同時(shí)在基站規(guī)模的選擇上可以以微基站來替代宏基站，首先微基站發(fā)射功率較低，相對(duì)來說能耗也較少，再者基站的規(guī)模變小就可以實(shí)現(xiàn)更高密度的覆蓋率，從而達(dá)到效益的最大化。

3.4設(shè)備選型

5G中使用的大規(guī)模多輸入多輸出/大規(guī)模天線技術(shù)包括64通道、32通道、8通道等，這些通道據(jù)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(fā)展中運(yùn)用較多的為64通道的天線，其他通道的天線設(shè)備廠商甚至沒有存貨。在當(dāng)下階段，根據(jù)各通道的適用范圍和特點(diǎn)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(qū)域可以選擇64通道，在城區(qū)、縣城等建筑在20層以下的可以選擇32通道，農(nóng)村、郊區(qū)等地方就可以選擇8通道。

3.5政策保障

2018年12月中央經(jīng)濟(jì)會(huì)議中提出了“新型基礎(chǔ)建設(shè)”，而5G的發(fā)展建設(shè)就是新型基礎(chǔ)建設(shè)中的重要一項(xiàng)，是建立現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系國(guó)家的基本建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。5G基站目前仍處在方興未艾的時(shí)期，用戶規(guī)模較少，技術(shù)也相對(duì)不成熟，在這個(gè)階段的探索中離不開國(guó)家政策的扶持和鼓勵(lì)，保障5G基站在發(fā)展初期的相關(guān)權(quán)益。

與此同時(shí)，5G基站由于較高的輸出所以在能耗方面需要耗費(fèi)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(yōu)惠，與國(guó)家電網(wǎng)協(xié)商在電費(fèi)上提供減免政策，這樣5G基站的建設(shè)將會(huì)減少很多阻礙以及成本。

四、結(jié)束語

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)5G基站的發(fā)展如火如荼，幾大運(yùn)營(yíng)商都在致力于5G基站的發(fā)展。但5G基站的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)房空調(diào)四部分幾乎不能缺少電能，最主要的原因還因?yàn)?G基站的全封閉機(jī)房在全天無休止的運(yùn)轉(zhuǎn)下溫度較高，需要較多的降溫設(shè)備不停的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行降溫操作，這也是較大的電能耗費(fèi)和運(yùn)營(yíng)成本的支出點(diǎn)。通過軟硬件、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備選型以及政策保障五點(diǎn)探索降低能耗的方法，以實(shí)現(xiàn)5G基站的健康發(fā)展。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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

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

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