5G基站功耗承载效率约为4G的5倍?
能耗一直被业界认为是5G网络大规模建设的“拦路虎”。相比于4G基站，5G基站耗电大约是其3倍，而要实现全面覆盖，5G基站数也比4G多出3倍左右。“基站高功耗不仅给运营商建设运维带来挑战，同时对设备、器件研发过程中的PCB（印制电路板）布局、散热、可靠性设计也带来巨大挑战，因此基站能耗的降低是全产业链需共同攻克的难题。”中国移动研究院无线与终端技术研究所主任研究员陈卓表示。
5G基站功耗承载效率约为4G的5倍
5G无线网能耗主要由基站、空调和电源等组成，5G基站能耗占比约为50%～60%，是5G无线网能耗的主要组成部分，而5G基站能耗又可以分为AAU和BBU两大部分，AAU能耗约占5G基站能耗的90%，是5G基站能耗的主要组成部分。
陈卓表示，由于5G的小区带宽是4G的5倍以上，且室外主要使用复杂度较高的MassiveMIMO设备，导致5G基站能耗较高。以中国移动2.6GHz频段为例，5G基站信号带宽为160MHz，可同时提供4G和5G服务，相比4G的60MHz，带宽提升为原来的2.67倍，峰值速率提升为原来的15倍，发射功率变为原来的2倍（由4G的120W提升为240W），导致总功耗增加。
同时，MassiveMIMO技术的应用导致收发通道数增加，5G典型的MassiveMIMO设备通道数相比4G设备大幅增加。陈卓表示，通道数增加将导致数字中频、射频小信号的功耗显著增加；每个通道的功放布板面积受限，高集成度的封装带来片内匹配电路设计难度增加，插损加大，导致5GAAU整机效率下降；通道数增加使得基带处理计算量显著增加，导致其功耗上升。
“虽然能耗绝对值在增加，但5G单位bit承载效率相比4G大幅提升。5G（160MHz）相比4G（60MHz）设备吞吐量提升15倍，单位bit流量功耗仅为4G的1/5左右，也就是说5G基站功耗承载效率约为4G的5倍。”陈卓认为，绝对功耗值不容忽视，需要产业不断通过技术进步和综合节能方案应用降低能耗。
值得注意的是，随着5G网络的部署，4G/5G共模的设备形态将会越来越多，相比于单模设备而言，共模设备发射功率较单模设备更高，因此功耗会增加。除此之外，共模设备的硬件工艺、软件功能实现及网络运营更为复杂，一些先进节能技术需要联合考虑4G和5G，仍需攻关解决。
深度休眠不会影响5G用户体验
此前，中国联通洛阳分公司发布的一则快讯引起了业界广泛关注——《洛阳联通通过AAU深度休眠降低5G基站能耗》，称为解决5G基站能耗引起的运营成本与用户收入之间的冲突，洛阳联通网络管理中心对已经入网的5G基站射频单元（AAU）分不同时段定时开启深度休眠功能，从而实现智能化基站设备能耗管控的目的。
许多人在看这则消息后思考，难道只能通过关电的方法降低5G基站能耗？也有人在猜测，5G基站定时休眠是否会影响用户体验？对此，陈卓回答道：“‘关电’是降低5G基站能耗的方式之一，而5G用户体验基本不受深度休眠功能影响。”首先，该功能只在夜间5G业务量很低的场景才会启用，比如具有典型潮汐效应的场景（商圈、工厂、办公楼等）；网络侧也会实时监测业务负荷变化情况，如有突发业务需求，5G网络也会及时恢复工作。其次，从无线网节能角度来说，运营商还可充分利用5G频率资源，当网络业务量较低时，通过休眠容量层高功耗设备，仅保留覆盖层功耗低的设备，此时5G用户体验更不会受到影响。
陈卓表示，深度休眠是通过关闭AAU的功放、绝大部分射频以及数字通路，仅保留最基本的数字接口电路工作，AAU功耗可降低至100W～300W，相比设备正常运行时的功耗下降非常明显（约70%~90%），且该功能基本不影响用户体验，可靠性高，不影响设备使用寿命，是站点级节能的重要功能之一。当用户数大规模增长后，也会结合用户行为考虑基站休眠生效时段，另外，可同步考虑其它技术手段，降低5G基站能耗。
还有人认为，5G应用不够普及也是5G网络难以降低功耗的原因。那么在现阶段，提升终端用户数是否是降低5G网络能耗的有效办法？用户越多，应用越普及，5G成本能否随之降低？陈卓认为，5G网络承载能力很高，并且5G大规模天线引入了多用户配对等关键算法以成倍的提升无线资源承载效率，当用户数增多时，随着应用逐渐普及，5G频谱效率会大幅提升，可充分利用5G网络资源，相应的5G单位bit承载效率会大幅提升。但是5G网络能耗绝对值不会降低，而设备级、站点级和网络级节能是降低5G网络能耗绝对值的有效手段。
中国移动构建全面节能技术体系
陈卓介绍道，目前中国移动的节能技术体系主要分为3个层面，即设备级、站点级和网络级。首先，设备级节能重点从硬件架构和器件设计方面优化功耗，具体包含“新架构、新材料、新指标”3方面。
在新架构方面，主要提出通过架构优化实现节能目标：一是提出天线与射频滤波器一体化设计方案，通过减少内部损耗实现功耗下降；二是基于“升无源、降有源”的思路，降低功率谱密度，用天线增益弥补发射功率，从而节省功耗。
在新材料方面，大力推动具有更高效率的GaN（氮化镓）功放的应用，和产业界联合技术攻关GaN存在的衬底工艺不成熟、散热与封装挑战大等问题，实现功放PA效率提升，进一步降低整机功耗。
在新指标方面，中国移动创新提出邻频共存干扰评估体系和两段式测试方法，制定出合理有效的新射频指标，降低设备的前级滤波器插损要求，等效降低设备功耗。
其次，站点级主要从亚帧关断、通道关断及深度休眠等方面开展软件节能。在延续4G已引入的亚帧关断、通道关断等功能基础上，提出5G深度休眠、智能节能等新理念。深度休眠是5G新节能功能，可在夜间等时段无业务时，AAU关闭绝大部分射频以及数字通路，仅保留最基本的接口电路工作，平均功耗可大幅下降；智慧节能主要将人工智能与5G节能相结合，通过引入智能业务预测算法，从而精细化制定相应的节能策略，形成“节能智能大脑”，做到“一站一策、一时一策”，在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。
最后，网络级节能重点网络协同角度打造多系统节能方案和平台。一方面，可通过C-RAN集中部署和基站资源池共享，通过节省硬件板卡配置从而实现功耗降低；另一方面，在前期已现网规模应用的多网协作节能系统上，目前正在升级开发5G多网协作节能系统（i-Green），该系统可实现小区协作节能，通过分析网络负荷、业务需求和网络质量，使不同系统小区实现实时休眠/唤醒的网络级节能。
配套设备节能+网络智能化节能
除了5G基站能耗，5G网络还有哪些环节可以改善从而提高能源利用效率？陈卓表示，从无线网节能角度来看，除了降低5G基站能耗，中国移动还考虑了5G网络的配套设备节能来提高能源利用率，主要包括基站电源设备节能、基站空调节能、基站机房节能。
例如基站供电，目前中国移动基站（包括5G基站）主要通过市电供电，在一些市电引入困难、市电容量不足、扩容困难、新能源资源丰富、经济可行的站点，也采用太阳能、风能等可再生能源供电，在一些取电困难的应急通信场景，也会采用柴油机发电。
另外，目前基站备电系统以铅酸电池组为主，但随着容量需求越来越大、装机位置越来越紧张，目前在新建电源系统的配套电池、网电源系统扩容电池或更换电池场景下逐步使用智能磷酸铁锂电池，具有重量轻、占地省、可快速充电等优势。针对基站电源设备节能，中国移动也提出了一系列高效的节能方案，如引入高效整流模块、实现智能升压、错峰用电等方案，采用基站一体化能源柜等，降低5G网络能耗。
值得注意的是，通过5G网络智能化也能促进运维节能。在陈卓看来，中国移动正在大力推进5G+AI网络智能化发展和规模应用，主要体现在两方面。一是基于集中化部署、智能化运维、统一化网管为节能提供基础。集中化部署可节约机房和配套耗电，同时基于网络负荷潮汐效应最大化节省基站设备硬件配置；智能化运维通过天线权值优化、无线参数智能优化等方案精细化提升网络覆盖，间接优化网络能耗；统一化网管则增强自主运维能力和效率。
二是基于智慧网元的自动节能算法实现动态高效节能效果。一方面针对关断类节电功能，基于业务负载预测提前进行关断以达到更好的节能效果，另一方面基于AI识别针对应用场景选择合适的节能算法，并通过强化学习取得节能效果与现网性能的均衡。
“在中国移动大力推动和产业共同努力下，5G基站功耗的改善较大。”陈卓表示，基于“三新”设备级节能方案的AAU已在现网开始规模部署，单站功耗下降超过10%。在站点级节能方面，中国移动将在现网全面开启亚帧关断，并根据场景和时段开启通道关断、深度休眠功能，目前已开展现网验证，后续将根据验证情况进行现网规模部署。在网络级节能方面，目前中国移动正在加快研发5Gi-Green多网协作节能平台，充分利用人工智能、深度学习等技术进一步挖掘节能潜力。
面向垂直行业精准建网
2019年是5G商用元年，三大运营商基本以NSA组网方式建设5G，而2020年则都转向了SA组网，5GSA从架构（服务化、软件化、智能化）、技术（网络切片、边缘计算、专属上行）、服务（多量纲、定制化、专网、能力开放）多维度创新，能更好满足各行各业多样化场景需求。5G是否可以面向ToB形式，精细化建网，从而实现节能降耗？
陈卓表示，垂直行业是5G的重要发展方向，ToB的需求与ToC存在较大差异，根据行业差异化、个性化的覆盖和网络性能等需求精准建网对于节能降耗具有重要意义。一方面，可以根据行业需求精细化选择站型，在满足业务需求的前提下优先选择低功耗产品；另一方面，可以精准规划网络覆盖，用尽可能少的基站满足行业覆盖需求，降低总体能耗。此外，还可根据行业的业务特性，更有针对性地使用和优化节能功能，网络和业务深度协同，进一步降低能耗。
中国移动持续创新绿色信息化解决方案，助力价值链上下游共同节能减排。例如，中国移动积极研发推广支持海量、多维度环境数据实时采集和高效处理的环境治理信息化解决方案，“蓝天卫士”应用为300个县级或县级以上地区提供大气污染防治信息化支撑，助力打好污染防治攻坚战，践行绿色发展，共建生态和谐美丽家园。
未来，中国移动将继续践行“绿色”理念，发挥带头作用，引导和支持产业共同创新，进一步降低5G功耗。在陈卓看来，全面降低5G网络功耗不仅可以降低运营商运营成本，还是建设绿色产业环境中重要的一环，运营商应与产业协同、积极响应国家在十八届五中全会上提出的“创新、协调、绿色、开放、共享”理念，实现节能减排，为构建和谐绿色生态环境贡献力量。
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