王江漢 劉修軍 魯軍

摘 要：隨著5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景逐步多樣化，網(wǎng)絡(luò)連接終端類型和數(shù)量不斷增長(zhǎng)，5G基站能耗也大幅提升。文章分析了5G基站能耗組成和各種節(jié)能技術(shù)對(duì)5G基站節(jié)能的效率，有助于不同應(yīng)用場(chǎng)景中合理選擇基站節(jié)能技術(shù)。

關(guān)鍵詞：基站能耗;節(jié)能措施;5G基站

0 引言

2020年3月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，提出全力推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、應(yīng)用推廣、技術(shù)發(fā)展和安全保障，充分發(fā)揮5G新型基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模效應(yīng)和帶動(dòng)作用，支撐經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。根據(jù)工信部的估算：2020年年底全國(guó)5G基站數(shù)將超60萬(wàn)個(gè)，實(shí)現(xiàn)地級(jí)市室外連續(xù)覆蓋、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)有重點(diǎn)覆蓋、重點(diǎn)場(chǎng)景室內(nèi)覆蓋。隨著5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，人與人的連接逐步向萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供更快的速率、更大的容量和更廣泛的連接，然而5G通信設(shè)備功耗問題給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維帶來(lái)了極大的困擾，一方面，由于5G需要使用頻率更高的毫米波頻譜資源，這使得5G基站數(shù)量相比4G而言將增長(zhǎng)2～3倍;另一方面，由于5G天線采用Massive MIMO 天線陣列的方式，5G單站功耗是4G單站的2.5～3.5倍。AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因，目前單站滿載功率近4 000 W，需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)電源、配套進(jìn)行提前擴(kuò)容[1]，因此針對(duì)5G基站的節(jié)能技術(shù)研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ? 5G基站功耗分析

無(wú)論是4G基站還是5G基站，主要耗電單元包括基站射頻收發(fā)單元（4G包括天線和RRU，5G包括AAU）、BBU模塊、動(dòng)環(huán)監(jiān)控模塊、空調(diào)等模塊。

1.1? 4G與5G功耗比較

無(wú)論4G，還是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和無(wú)線接入網(wǎng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前采用Option 3X架構(gòu)NSA組網(wǎng)方式，在核心網(wǎng)和承載網(wǎng)側(cè)的功耗影響并不明顯，相反，隨著5G基站自身能耗和基站數(shù)量的累加，5G基站功耗總量增幅巨大。

5G基站能耗包括傳輸能耗、計(jì)算能耗和其他能耗。對(duì)于傳輸能耗，主要包括射頻部分與功率放大器所消耗的電力能源。上述設(shè)備主要是執(zhí)行基帶信號(hào)和無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此在傳輸能耗中也包含電線功耗。對(duì)于計(jì)算能耗來(lái)說(shuō)，主要是消耗的電力能源，包括數(shù)字處理、管理控制、核心網(wǎng)和其他基站的通信功耗。對(duì)于其他功耗來(lái)說(shuō)，主要是從市電中引入到基站直流供電轉(zhuǎn)換過(guò)程損失的電量，同時(shí)包括空調(diào)設(shè)備、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等消耗的電量。此外，5G基站的覆蓋面積遠(yuǎn)小于4G基站，如果要實(shí)現(xiàn)相同面積的覆蓋，5G基站的數(shù)量至少是4G的? ? 2～3倍，累計(jì)計(jì)算5G耗電量將是4G的10倍以上。

1.2? 基站功耗對(duì)比分析結(jié)論

相比4G基站而言，5G基站功耗大幅提升的主要原因是BBU和AAU模塊功耗大幅增加，在基站機(jī)房能耗中，機(jī)房空調(diào)、監(jiān)控設(shè)備能耗優(yōu)化空間非常有限，而在基站主設(shè)備（BBU+AAU）中有源天線單元（AAU）又占到主設(shè)備功耗的80%，因此，行之有效的節(jié)能技術(shù)應(yīng)主要面向于AAU部分[2]。

2? ? 5G基站低功耗控制策略

目前針對(duì)5G基站節(jié)能的主要應(yīng)對(duì)舉措包括：硬件節(jié)能和軟件節(jié)能。硬件節(jié)能方面通過(guò)提升工藝、優(yōu)化電路和優(yōu)化機(jī)房配套設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn);軟件節(jié)能主要集中在基站開關(guān)控制策略方向，通過(guò)基站實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，合理休眠或關(guān)閉部分?jǐn)?shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能自動(dòng)化，達(dá)到更好的節(jié)能效果。

2.1? 硬件節(jié)能技術(shù)

2.1.1 基站主設(shè)備硬件節(jié)能

基站主設(shè)備硬件節(jié)能技術(shù)是指通過(guò)采用更高級(jí)的芯片工藝、更高集成度的功能芯片、更高效率的電路優(yōu)化BBU和AAU硬件設(shè)備。例如，中興通訊具有硬節(jié)能技術(shù)的基帶處理芯片：它采用了Intel最新的加工工藝，可編程門陣列（FPGA）改為高集成度芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，材料采用最新的氮化鎵（GaN）Doherty 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由主輔功放構(gòu)成，以提升功放效率。這些措施都極大地降低了5G-NR基站功耗，簡(jiǎn)化了硬件架構(gòu)[3]。此外，基站共建、機(jī)房共建都是降低能耗有效的措施。

2.1.2 基站機(jī)房配套設(shè)備節(jié)能

機(jī)房配套設(shè)備中，空調(diào)是最主要的耗電設(shè)備，如何減少機(jī)房設(shè)備產(chǎn)生的熱量是降低空調(diào)能耗最有效的途徑。2020年芬蘭運(yùn)營(yíng)商Elisa宣布已部署全球首個(gè)液冷5G基站，采用液冷5G基站大幅節(jié)省了機(jī)房空調(diào)制冷設(shè)備的能源消耗，站點(diǎn)能耗可降低30%，二氧化碳排放量可降低80%，同時(shí)，基站排放的廢熱還可回收用于物業(yè)業(yè)主生活熱水供應(yīng)。

2.1.3 軟件節(jié)能技術(shù)

軟件節(jié)能技術(shù)主要包括流關(guān)斷技術(shù)、程控制技術(shù)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。

2.2 關(guān)斷技術(shù)

根據(jù)基站負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)休眠或者關(guān)閉部分子模塊能夠有效地減少基站能耗。為此，相關(guān)的關(guān)斷技術(shù)研究也層出不窮，主要包括：基于用戶量的整體休眠技術(shù)、基于應(yīng)用場(chǎng)景的開關(guān)技術(shù)、基于業(yè)務(wù)類型的載波關(guān)斷技術(shù)[4]、通道和時(shí)隙休眠等技術(shù)[5]。

以上各種低功耗控制技術(shù)對(duì)降低5G基站功耗都有一定的效果，就單基站而言，這種效果可能并不明顯，但是從龐大的基站總量和長(zhǎng)遠(yuǎn)的時(shí)間周期來(lái)看，關(guān)斷技術(shù)對(duì)降低基站功耗貢獻(xiàn)巨大。

2.3 流程控制技術(shù)

盡管移動(dòng)通信協(xié)議流程的優(yōu)化空間不大，但是在新技術(shù)應(yīng)用方面，新的流程控制技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化通信流程，減少數(shù)據(jù)傳輸，從而有效地降低基站設(shè)備功耗。比如：D2D技術(shù)和邊緣計(jì)算的應(yīng)用，都可以有效地減少數(shù)據(jù)收發(fā)量。

以華為BBU5900+AAU5631在D2D通信狀態(tài)下為例，只考慮D2D通信對(duì)AAU5631的功耗影響，AAU5631典型功耗值為1 000 W，按照單小區(qū)最大RRC連接用戶數(shù)400人、上下行配比4∶1估算，除去下行鏈路開銷，PDCCH開銷9.82%，PBCH開銷1.6%，RS開銷14.29%，總信令開銷25.71%[6]。D2D連接數(shù)量與節(jié)省功耗關(guān)系如表1所示。

2.4 電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

在非線性電路器件中，電壓和電流關(guān)系呈非線性，器件單元功耗值與電壓大小與功耗值存在密切關(guān)聯(lián)，在電壓調(diào)節(jié)技術(shù)中，包括靜態(tài)電壓平衡技術(shù)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。靜態(tài)電壓平衡技術(shù)，通過(guò)調(diào)整設(shè)備的偏置電壓。在不同偏置電壓下，功放模塊的靜態(tài)功耗不同且呈非線性，從而減少靜態(tài)功耗。在保證一定功放線性度及相同輸出功率下，一般功放偏置電壓越低，靜態(tài)功耗越小。當(dāng)設(shè)備的偏置電壓設(shè)置成低電壓時(shí)，其最大輸出功率會(huì)變低。這需要5G-NR基站調(diào)度器根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量判斷，調(diào)節(jié)調(diào)度RB個(gè)數(shù)或控制總的基帶輸出功率。通常情況下，電路元件正常工作電壓為一個(gè)電壓范圍，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)就是在此電壓范圍內(nèi)，如何在保證信號(hào)質(zhì)量的情況下，合理調(diào)節(jié)電壓值，以保證電路元件處于最優(yōu)功耗狀態(tài)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戴春偉.5G基站能耗管控與環(huán)境影響[J].江蘇通信，2020（4）：29-32.

[2]費(fèi)彥肖，吳俊星.5G與AI融合技術(shù)在智慧環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].智能城市，2020（7）：152-153.

[3]黃俊，田森，張?jiān)妷?5G-NR基站軟節(jié)能技術(shù)[J].中興通訊技術(shù)，2019（6）：19-23.

[4]曾文，賀良貞，王文超.4G基站節(jié)能省電技術(shù)研究與試驗(yàn)分析[J].移動(dòng)通信，2019（8）：394-398.

[5]張志榮，許曉航，朱雪田，等.基于AI的5G基站節(jié)能技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019（10）：1-4.

[6]許光斌，徐曉峰.5G速率分析[J].信息通信，2019（11）：68-70.

（編輯 王永超）