5G 基站功耗的影响因素及应对策略

韦良才

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）

0 引 言

2019年6月6日，工信部分别向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G 商用牌照，代表我国移动通信正式步入5G 新时代。在业务承载能力和网络性能方面，5G 网络比4G 网络更优秀。基于5G 网络技术，可以为人们提供低时延、高宽带和大连接等网络能力，促进远程医疗、高清视频、智能制造、VR/AR、智慧城市和无人机等新业务的迅速发展[1]。而通过大力发展新业务，也为人们的生产、工作和生活等多方面提供极大的便利，满足人们对美好通信的向往。

5G 网络规划建设流程与4G 网络类似，但由于5G基站设备的工作带宽为100 MHz，发射功率典型值为200 W，因此设备功耗方面与4G 相比有明显的增加。这一方面会增加网络的供电需求，给网络建设带来困难；另一方面也增加运营商的运营成本。因此需要研究5G 基站设备功耗对网络建设的影响，同时提出相应的解决方案，以保障5G 网络快速部署和正常运营。

1 5G 能耗情况概述

1.1 5G 网络架构

5G 网络架构和4G 网络架构类似，总体上由无线接入网（NG-RAN）和核心网（5GC）构成，图1 为3GPP 给出的5G 网络结构。

在图1 中，5GC 主要包含AMF/UPF 网元，其中AMF 为接入和移动管理功能，UPF 为用户平面功能。NG-RAN 为 5G 无线接入网，其中 gNB 为 5G 基站，ng-eNB 为4G 基站（考虑到未来4G 和5G 长期共存，因此升级后的4G 基站具有接入5G 核心网的能力）。对于5G 网络，设备功耗主要包括无线接入网设备和核心网设备，对于核心网设备，其功耗与4G 相当，而对于5G 无线接入网设备，尤其是gNB 工作带宽典型值为100 MHz，发射功率为200 W，其功耗相对于4G 网络有明显的增加，是影响网络能耗的主要因素[2]。

图1 5G 网络结构

1.2 简述5G 电源系统

一般在5G 基站供电系统中，通过市电引进直流电，然后经过交流配电箱、开关电源等的作用，将其转换为-48 V 直流后，再连接至5G 基站设备，通过光纤/馈线连接至杆塔上的天线上。基站主要设备由AAU 和BBU 构成，AAU 主要是天线、数模转换（DAC）、功放（PA）和射频单元（RF）等元素构成，将基带数字信号转换成为模拟信号，然后再调制成为高频射频信号，经由功放放大到特定功率之后，通过天线发射。BBU 则是负责处理基带数字信号，如解码/信道编码、IFFT/FFT、解调/调制等。

在5G 基站的功耗组成中，一般由BBU 功耗、功放功耗和射频单元功耗等构成，且伴随TRX 链路的增多，导致基站总功耗随之增多。例如，随着Massive MIMO 的天线单元增加，且每一个天线单元都具有射频单元和功放单元，导致TRX 链路增加，所以就额外增加了5G 基站总体能耗。随着5G 时代的到来，随着传输速率的增加，基站的计算功耗将不断增大。

1.3 5G 能耗情况测试情况

根据某运营商省公司对主流设备厂家4G、5G 设备的基站功耗对比测试得出，5G 基站的单站功耗是4G 单站的2.5～3.5 倍，目前单站满载功率近3 800 W，AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。后续可在低话务时段，通过关闭部分射频通道下行功率的方式来节省能耗。当AAU 监测到下行符号发送时刻没有数据发送时，可临时关闭PA，节省PA 静态功耗；当监测到有业务时采用智能唤醒的方式。这样可最大限度优化能耗，提升5G 基站能源利用效率。

2 5G 基站功耗大带来的影响

5G 基站设备架构主要采用BBU+AAU 方式，其中，BBU 为基带部分，可以进一步拆分为CU 和DU 两个逻辑网元，其中CU 处理无线网PDCP 层以上的协议栈功能，DU 处理PDCP 层以下的无线协议功能。目前，国内5G 网络建设原则上采用了CU/DU 合设部署方式。AAU 为射频部分，是由射频单元与天线整合的有源天线单元。对于基站BBU 和AAU 设备的功耗，目前不同厂商设备的差异性较大，以现有64T64RS111 宏站设备为例，单基站的功耗为3～4 kW，5G 设备较4G 设备功耗提升2～3 倍，这将使5G 网络供电系统建设和运营面临两个难点。

2.1 供电系统建设难度加大

5G 电源系统建设可以采用现有电源系统方式，这时要求现有电源系统具有4 kW 以上的空余容量；在建设5G 电源系统时，也可以采取新建电源系统的方式，从外界引进不小于15 kVA 的外电，为4G、5G 网络的共同建设提供便利。对于目前国内5G 网络建设，一般由铁塔公司负责建设基站，由多个运营商共享共建。例如，我国的三大运营商基于当前的机房条件，采取共建共享的原则，共同建设5G 网络，供电系统的用电需求接近12 kW，这将造成目前部分基站空余容量不满足上述需求，需要进行电源系统改造，尤其是需要对外市电的引入进行扩容改造。目前，关于外市电引入扩容改造，一般采用更换大容量变压器、更改线路线缆、更改前级空开容量等方案。这些方案经常存在难度大、周期长、成本高等问题，这必将会严重影响5G 网络的建设进度。

2.2 运营成本增加

基站设备日常运行电费开支是运营商运营成本的重要部分。整体上一个5G 基站无线设备的功耗为3～4 kW，以目前的0.7 元/kW·h 的费用计算，一个5G 基站无线设备全年运行的电费接近1.8 万元～2.5 万元。以目前国内某一运营商地级市城区现有48 万4G 基站的规模为建设目标，则每年的5G 基站设备的电费开支将达到88 亿元～110 亿元。如果考虑频段的差异，以及3.5 GHz 的实际覆盖能力，则要达到与4G 网相同的覆盖效果，目前来看，5G 的基站数量将要达到4G 基站的1.5倍左右，这时电费开支将达到130 亿元～160 亿元。这一庞大的电费开支，必然增加运营商的运营成本，影响5G 建设和运行，因此需要研究降低5G 网络能耗和电费开支的方案，以保证5G 网络健康运营。

3 5G 基站功耗的应对策略

3.1 技术创新

在5G 试验网阶段，原型机基站在S111 配置下，功耗超过6 kW（BBU 功耗约为400 W，AAU 功耗约为1 900 W）。在目前阶段符合R15 标准的5G 基站设备在S111 配置下，功耗为3～4 kW，因此可以看出，随着技术的进步，设备功耗能够实现进一步的下降，这需要主设备厂商不断加大技术研究和创新。此外，针对5G 基站，在业务负荷处于较低状态时，可以引进时隙关断、通道关断和载波关断等方式，有效控制5G 基站设备功耗情况，以降低运营商的运营成本。

3.2 设备选型

5G 网络使用的Massive MIMO 主要有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R 等多种通道数天线，各种类型的天线覆盖、容量、成本、功耗方面有一定的差异。在覆盖方面：64T64R 设备覆盖能力强；8T8R 设备覆盖能力弱。在容量方面：64T64R 设备小区容量高；8T8R 设备小区容量低。在成本方面，64T64R 设备成本高，8T8R 设备成本低。在功耗方面，64T64R 设备功耗高，8T8R 设备功耗低。由于产业链发展问题，目前5G 网络建设主要以64T64R 天线为主，而对于32T32R、16T16R、8T8R 等天线，目前部分设备厂商还没有相关设备，预计在2020年，各厂商才会有完备的Massive MIMO 系列产品。因此在后期的5G 网络建设过程中，在满足覆盖、容量需求情况下，应合理进行Massive MIMO 天线选型，如在业务量大、无线环境复杂的密集市区，建议采用64T64R 设备；在中高建筑的较多的一般城区/县城，建议采用32T32R 设备；在用户稀疏的农村区域，建议采用16T16R 设备；在高速铁路和高速公路沿线，建议采用8T8R 设备。通过合理的设备选型，达到降低运营商CAPEX、OPEX 的目的。

3.3 优化5G 电源方案

在5G 基站建设中，要采取科学的措施，提升资金的使用效率，建设智能化、低能耗和高可靠的能源网络。基于5G 客户需求、应用场景、业务发展、网络架构和设备演进，对其进行综合分析。在部署5G 电源时，必须要充分考量现网站点电源的扩容和改造场景，对存量电源余量进行整合，将旧现网资源的优势最大化，提升能源的使用效率。

3.4 政策保障

在网络建设初期，由于业务发展不明确，用户规模相对较小，因此5G 网络建设需要各级政府出台保障措施，尤其需要各级地方政府强化运营商用电保障，与电网公司沟通，使得在流程上进行简化，在费用上进行适当减免，进而为5G 网络建设提供最大便利。

4 结 论

国内5G 商用网牌照已经发放，各运营商即将开始5G 大规模商用网建设，所以非常有必要加强对基站设备功耗对5G 网络建设的影响及应对策略的研究，这也对5G 网络的建设具有积极的意义，可以有效控制5G建设和运营的成本。