5G基站高能耗分析与应对策略

王江汉 刘修军 鲁军

摘 要：随着5G移动通信网络大规模商用，移动通信业务应用场景逐步多样化，网络连接终端类型和数量不断增长，5G基站能耗也大幅提升。文章分析了5G基站能耗组成和各种节能技术对5G基站节能的效率，有助于不同应用场景中合理选择基站节能技术。

关键词：基站能耗;节能措施;5G基站

0 引言

2020年3月，工业和信息化部发布《关于推动5G加快发展的通知》，提出全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障，充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用，支撑经济高质量发展。根据工信部的估算：2020年年底全国5G基站数将超60万个，实现地级市室外连续覆盖、县城及乡镇有重点覆盖、重点场景室内覆盖。随着5G移动通信网络的大规模部署，人与人的连接逐步向万物互联发展，5G移动通信网络提供更快的速率、更大的容量和更广泛的连接，然而5G通信设备功耗问题给网络建设和运维带来了极大的困扰，一方面，由于5G需要使用频率更高的毫米波频谱资源，这使得5G基站数量相比4G而言将增长2～3倍;另一方面，由于5G天线采用Massive MIMO 天线阵列的方式，5G单站功耗是4G单站的2.5～3.5倍。AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因，目前单站满载功率近4 000 W，需对现网电源、配套进行提前扩容[1]，因此针对5G基站的节能技术研究具有非常重要的现实意义。

1    5G基站功耗分析

无论是4G基站还是5G基站，主要耗电单元包括基站射频收发单元（4G包括天线和RRU，5G包括AAU）、BBU模块、动环监控模块、空调等模块。

1.1  4G与5G功耗比较

无论4G，还是5G移动通信网络结构，包括核心网、承载网和无线接入网，总体结构如图1所示。

目前采用Option 3X架构NSA组网方式，在核心网和承载网侧的功耗影响并不明显，相反，随着5G基站自身能耗和基站数量的累加，5G基站功耗总量增幅巨大。

5G基站能耗包括传输能耗、计算能耗和其他能耗。对于传输能耗，主要包括射频部分与功率放大器所消耗的电力能源。上述设备主要是执行基带信号和无线信号转换，因此在传输能耗中也包含电线功耗。对于计算能耗来说，主要是消耗的电力能源，包括数字处理、管理控制、核心网和其他基站的通信功耗。对于其他功耗来说，主要是从市电中引入到基站直流供电转换过程损失的电量，同时包括空调设备、动环监控系统等消耗的电量。此外，5G基站的覆盖面积远小于4G基站，如果要实现相同面积的覆盖，5G基站的数量至少是4G的    2～3倍，累计计算5G耗电量将是4G的10倍以上。

1.2  基站功耗对比分析结论

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模块功耗大幅增加，在基站机房能耗中，机房空调、监控设备能耗优化空间非常有限，而在基站主设备（BBU+AAU）中有源天线单元（AAU）又占到主设备功耗的80%，因此，行之有效的节能技术应主要面向于AAU部分[2]。

2    5G基站低功耗控制策略

目前针对5G基站节能的主要应对举措包括：硬件节能和软件节能。硬件节能方面通过提升工艺、优化电路和优化机房配套设施来实现;软件节能主要集中在基站开关控制策略方向，通过基站实时负荷情况，合理休眠或关闭部分数据通道，从而实现基站节能自动化，达到更好的节能效果。

2.1  硬件节能技术

2.1.1 基站主设备硬件节能

基站主设备硬件节能技术是指通过采用更高级的芯片工艺、更高集成度的功能芯片、更高效率的电路优化BBU和AAU硬件设备。例如，中兴通讯具有硬节能技术的基带处理芯片：它采用了Intel最新的加工工艺，可编程门阵列（FPGA）改为高集成度芯片来实现，材料采用最新的氮化镓（GaN）Doherty 结构，该结构由主辅功放构成，以提升功放效率。这些措施都极大地降低了5G-NR基站功耗，简化了硬件架构[3]。此外，基站共建、机房共建都是降低能耗有效的措施。

2.1.2 基站机房配套设备节能

机房配套设备中，空调是最主要的耗电设备，如何减少机房设备产生的热量是降低空調能耗最有效的途径。2020年芬兰运营商Elisa宣布已部署全球首个液冷5G基站，采用液冷5G基站大幅节省了机房空调制冷设备的能源消耗，站点能耗可降低30%，二氧化碳排放量可降低80%，同时，基站排放的废热还可回收用于物业业主生活热水供应。

2.1.3 软件节能技术

软件节能技术主要包括流关断技术、程控制技术和动态电压调节技术。

2.2 关断技术

根据基站负载情况，动态休眠或者关闭部分子模块能够有效地减少基站能耗。为此，相关的关断技术研究也层出不穷，主要包括：基于用户量的整体休眠技术、基于应用场景的开关技术、基于业务类型的载波关断技术[4]、通道和时隙休眠等技术[5]。

以上各种低功耗控制技术对降低5G基站功耗都有一定的效果，就单基站而言，这种效果可能并不明显，但是从庞大的基站总量和长远的时间周期来看，关断技术对降低基站功耗贡献巨大。

2.3 流程控制技术

尽管移动通信协议流程的优化空间不大，但是在新技术应用方面，新的流程控制技术可以大大简化通信流程，减少数据传输，从而有效地降低基站设备功耗。比如：D2D技术和边缘计算的应用，都可以有效地减少数据收发量。

以华为BBU5900+AAU5631在D2D通信状态下为例，只考虑D2D通信对AAU5631的功耗影响，AAU5631典型功耗值为1 000 W，按照单小区最大RRC连接用户数400人、上下行配比4∶1估算，除去下行链路开销，PDCCH开销9.82%，PBCH开销1.6%，RS开销14.29%，总信令开销25.71%[6]。D2D连接数量与节省功耗关系如表1所示。

2.4 电压调节技术

在非线性电路器件中，电压和电流关系呈非线性，器件单元功耗值与电压大小与功耗值存在密切关联，在电压调节技术中，包括静态电压平衡技术和动态电压调节技术。静态电压平衡技术，通过调整设备的偏置电压。在不同偏置电压下，功放模块的静态功耗不同且呈非线性，从而减少静态功耗。在保证一定功放线性度及相同输出功率下，一般功放偏置电压越低，静态功耗越小。当设备的偏置电压设置成低电压时，其最大输出功率会变低。这需要5G-NR基站调度器根据实时业务量判断，调节调度RB个数或控制总的基带输出功率。通常情况下，电路元件正常工作电压为一个电压范围，动态电压调节技术就是在此电压范围内，如何在保证信号质量的情况下，合理调节电压值，以保证电路元件处于最优功耗状态。

[参考文献]

[1]戴春伟.5G基站能耗管控与环境影响[J].江苏通信，2020（4）：29-32.

[2]费彦肖，吴俊星.5G与AI融合技术在智慧环保领域的应用研究[J].智能城市，2020（7）：152-153.

[3]黄俊，田森，张诗壮.5G-NR基站软节能技术[J].中兴通讯技术，2019（6）：19-23.

[4]曾文，贺良贞，王文超.4G基站节能省电技术研究与试验分析[J].移动通信，2019（8）：394-398.

[5]张志荣，许晓航，朱雪田，等.基于AI的5G基站节能技术研究[J].电子技术应用，2019（10）：1-4.

[6]许光斌，徐晓峰.5G速率分析[J].信息通信，2019（11）：68-70.

（编辑 王永超）