一文讀懂5G基站節能技術
近年來，全球運營商營收整體不斷下滑，OPEX支出卻不斷增加，其中基站電費在網絡運營支出中占比超30%。5G基站由于更大的帶寬、更多的通道數、器件集成度低等因素影響，功耗相當于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，預計年底將突破60萬站，估算一年的電費將超300億。5G基站節能已成為5G商用中不得不考慮的一個棘手問題。
目前主流節電技術的思路是從基站射頻入手，在兼顧體驗的同時，構建設備、站點和網絡三級技術方案體系，結合AI等技術多管齊下，從試點來看效果顯著。同時，錯峰用電及地方用電優惠也使得5G耗電得到一定程度緩解。
01 為什么關注5G耗電？
運營商投資面臨挑戰，耗電在OPEX中占比較高
據GSMA統計，自2012年起，全球運營商收入年均復合增長率開始逐年降低，而OPEX年均復合增長率逐年增加，兩者差距不斷增大，使得運營商營收壓力與日俱增。在運營商的OPEX中，基站電費支出占網絡運營部分的30%以上，占整個OPEX支出的10%左右。數據顯示2018年中國移動電費支出約220億元。5G相比4G功耗更大當前中國5G建設不斷加速，截止9月5日，全國已建成5G基站超過48萬個，預計年底將突破60萬站。相比4G而言，5G功耗有了進一步增加，原因包括：
1）大帶寬。5G NR帶寬從原來的4G的幾十兆變為160/200 兆；
2）通道數增多。收發通道數從原來的 8 通道變為 64/32 通道；
3）數字中頻器件、芯片等集成度不足，導致功耗增加；
4）流量從傳統的 2 流變為 16 流；
5）發射功率從 100 多瓦變為 240/320 瓦。
可見，5G基站相比4G的功耗有了顯著增加。數據顯示，目前運營商的5G基站主設備空載功耗約2.2-2.3kW，滿載功耗約3.7-3.9kW，這相當于4G基站的3-4倍左右。以1.3元/度電價測算，一個4G基站每年的電費是20280元，而5G基站每年的電費將高達54600元，按照今年年底國內60萬5G基站計算，一年的電費就將高達327億。5G節能已成為5G商用中不得不考慮的一個棘手問題，會對運營商的5G運營商成本帶來極大影響。因此，運營商在5G招標中均將節能作為基站基本功能，占據較大比重。
02 三級5G節能技術方案體系
基站能耗關鍵在射頻
根據蜂窩網的架構分析，整個網絡中基站設備機房是整網的主要耗電部分，占整網耗能60%以上，其中基站設備耗電占據50%左右。而射頻設備能耗又占據整個基站能耗的90%以上。因此節能方案將重點圍繞基站設備，尤其是射頻設備展開。統籌體驗和耗能，構建三級節能體系在制定節能方案和策略的同時，需要時刻把握節能和網絡體驗的平衡，將話務、體驗和能耗統籌考慮，快速精準識別不同場景，并針對性的采用不同的節能策略。根據《5G 基站節能技術白皮書（2020）》，目前5G節能技術方案包括設備級、站點級和網絡級節能。其中，設備級方案重點從器件、硬件設計方面入手；站點級方案主要從幀、通道關斷及深度休眠等方面開展軟件節能；網絡級節能方案重點從多網協調角度達到節能的效果。
5G節能三級節能技術體系
設備級
站點級
網絡級
2.1 設備級 基站可分為 AAU 和 BBU 兩大部分，其中AAU的功耗約占整機功耗的 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、數字中頻和電源功耗。功耗隨著業務負載的變化而變化，各功能模塊的功耗比例也隨之發生變化。
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，需進一步提升功放在整機中的工作效率，以及在低負載下保持較高效率的能力，增強DPD算法的魯棒性，支持功放配置狀態實時調整狀態下線性工作。業界已有廠家采用第二代半導體材料實現降低功耗的效果，同時利用新型的結構設計，改進散熱性能，提升散熱效率，進而達到降低功耗的目的。
數字中頻在空載條件下，數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字中頻模塊的基礎功耗。目前主要的方法是通過提高數字器件的集成度（比如數字中頻支持32通道）、優化數字中頻處理算法，降低運算復雜度的方式來解決。芯片芯片性能對設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，同時進一步通過采取更先進的工藝來提高基帶、中頻芯片的處理能力，并降低芯片功耗。據了解，數字中頻和基帶處理部分可進一步優化算法，通過降低算法的運算復雜度來進一步達到降低功耗效果。
2.2 站點級站點級節能方案的思路是通過對網絡目前狀態的識別，在保證網絡質量和用戶體驗的前提下，通過適時關閉部分設備、小區、通道或功放等手段，或者提高冷卻效率等方式，實現精細化的節能。深度休眠當5G網絡中沒有5G用戶時，可關閉AAU中所有的可關閉的器件，包括數字中頻、功放等，只保留用于喚醒的的最基本的數字電路接口，使得AAU進入深度休眠狀態，以實現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，比如一些偏遠地區或者深夜時段。向深度休眠基本不影響用戶體驗，啟動深度休眠一般為秒級，恢復喚醒約5-10分鐘。此外，還可根據業務量情況，對一些忙時需要宏站和微站分擔容量的區域，在閑時將微站進行深度休眠，只由宏站承擔業務，實現節能降耗。小區關斷對于同制式下多頻網絡或者4G/5G共模基站覆蓋情況下，當小區內負荷較低時，可考慮關閉其中部分小區，保證當前話務需求，當符合升高時再自動開啟高容量小區以快速滿足話務需求，實現節能效果。通道關斷當小區負荷較低時，可以按照不同的級別關閉AAU的通道，實現節能的效果。比如由64通道降到48通道，甚至16通道。關斷或開啟的時間顆粒度為秒級。通道關斷功能主要用于已部署了 64 通道、32 通道宏基站的區域，據了解，目前實驗室測試可節省約 15%的能耗。符號關斷根據業務負荷，當判斷下行符號無有效數據發送時，在剩下的沒有有效信息傳輸的時間段內，關閉功率放大器等射頻硬件，降低靜態功耗。一般生效時間顆粒度為微秒級別。符號關斷主要適用于低負荷場景，實驗室測試顯示整機功耗可降低10%左右。下行功率優化由于5G 支持基站下行基于用戶級調整發射功率，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射功率，實現節能效果。液冷基站液冷散熱是利用液態冷卻介質的大比熱容量特性快速帶走設備熱量的一項冷卻技術。與標準的主動式空調設備相比，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營商Elisa將其基站的潛在能源費用減少了30％，并將二氧化碳排放量減少了約80％。
2.3 網絡級網絡級節能的思路是利用現網基礎數據，通過內置的AI算法，確定網絡節能的配置參數，包括開啟策略、相關門限和時間段設置等，以實現降低現網能耗的目標。AI算法不僅可以進行初始的參數配置，還可以通過歷史數據進行小區級的話務預測，從而調整節能策略，并不斷進行算法的優化。網絡級節能方案需要支持TD-LTE和LTE FDD、5G NR等多種網絡制式下的典型基站設備，同時適用于單網或多網共存場景。可根據網絡環境的不同，通過在網管端進行數據采集和大數據處理，自動識別多頻多模網絡狀態下覆蓋小區及容量小區，并進行適時小區關斷和喚醒。
2.4 技術試點效果明顯今年，包括中興和華為在內的設備商開展了多項5G節能試點測試驗證，節能效果提升明顯。7月，遼寧聯通同中興通訊在大連成功試點5G節能技術，其中具體驗證的技術包括DTX關斷（時隙關斷、符號關斷）、通道關斷、深度休眠三大技術，同時根據不同網絡場景測試了多項節能組合策略。測試結果顯示，DTX關斷節能技術可實現降耗10%至20%，通道關斷技術可實現降耗15%至25%，深度休眠使能期間可實現平均降耗60%至80%。開啟節能組合策略后，5G基站(S111)日均節電可達到10至12度，節能期間網絡KPI保持穩定。華為則聯合上海移動，驗證采用了其節能方案（PowerStar）后的 5G單模與4G/5G雙模站點節能效果，現網實測5G單模站點日均節能比例24.83%，4G/5G雙模站點日均節能比例12.26%。后續將進行規模節能合作，預計全網5G站點每年可節電1500萬度。
03 錯峰用電及優惠政策
目前包括貴州、山東、遼寧等在內的多地已相繼出臺政策，對5G基站用電試行峰谷電價，并進一步降低電價。在基站稅收減免及數據中心的用地用水用電保障、建設審批、能耗指標要求等方面，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，便可以采用智能電源，使得站點錯峰運行，節約用電成本。同時，由于鋰電池成本的下降，5G時代站點可能將普遍使用鋰電池，而直供電已經是站點供電主流，將來站點剩余空間將由鋰電池填充，不但電費降了下來，而且因為超長的備電時長，可使當前高昂的應急發電成本大幅下降。
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