影响5G基站功耗的因素及解决办法

王元元

【摘要】    自2019年6月开始，我国开启了5G的移动通信时代。5G不止在网络性能方面相对4G有较大进步，更在业务承载方面发展显著。5G在4G联通人人通信的基础上，致力于实现万物互联，要做到人人、人物、物物之间的互相联通。在5G的快速发展下，VR技术、远程医疗等业务也水涨船高，并且将在我们的生活中占据重要位置，有可能彻底改变我们的现有生活方式。

【关键词】    5G基站功耗    影响因素    解决办法

引言：

5G移动通信时代的出现也带动宽带以及天线通道数和容量的增加，据统计截至2020年12月，5G基站建设开发数量已经超过60万个，而这些数量的增加却进一步增加了5G基站的能耗，对网络供电方面和运营成本方面都提出了更为严峻的挑战，所以目前降低相关能耗是5G基站发展的重中之重。

一、5G基站能耗分析

5G基站包括CU/DU以及有源天线单元两部分，前者多装配在新型无线接入网架构的机房内，主要受基带数字信号的影响，在能耗方面变化不大，一般不会随着业务量的变化而产生变化。

有源天线单元的安装较为分散，装备位置多在塔桅上，它是调配信号的主力军，所以能耗受业务量的变化容易产生波动，空载时的能耗大约是满载能耗的一半。

5G的有源天线单元应用了大规模多输入多输出/大规模天线技术，在一定程度上提升5G的信号通道的容量以及信号通道的数量，在通道数量上超出了4G的四倍，在宽带上是4G的五倍，而能耗却在4G的两倍到三倍之间。从另一个角度来说，5G能耗高也能理解，较高的投入才能获得越高的产出，这就是5G大规模多输入多输出/大规模天线技术的应用方式，通过计算也能发现5G的产出是远远大于4G的，所以5G的能耗是有意义的。

二、5G基站功耗产生的影响

2.1供电系统建设难度加大

5G技术较高的产出对供电系统方面提出了更高的要求，尽管可以利用现有电源的方式进行缓解，但是却要求现有电源要达到最低四千瓦的容量，同时也并不是真正解决的办法;除此之外只能依靠新建电源的方式来解决，新建电源不止要求外电的最低引入量有要求，同时建设成本的需求也是巨大的。

我国的基站建设长期以来多是交付于铁塔公司，并且在基站建成后国内几大运营商是同时使用的。在进入5G移动通信时代之后，对供电系统的要求提升，简略计算几家运营商的用电需求接近12千瓦，这导致现有基站目前的空余容量完全不能满足需求。最直接的方法就是对现有基站进行扩容改造，在变压器、线路线缆等方面进行更新和改造，但是这样的改造建设却存在周期长以及成本高的问题，对于5G技术的发展严重不利。[1]

2.2运营成本增加

5G技术的发展需要改造基站，主要就是因为用电需求的增加，用电需求的增加同样也就代表着运营成本的增加。但从用电量方面进行分析，以前的4G一个通信基站一年的耗费量在三万度左右，而我国4G基站大概在四十八万个左右，以4G为基础，进行5G用电量的分析，则要超出4G用电量的二到三倍，所以一年5G技术的电费开支就已经是庞大的。要从实际出发，切实减轻5G的运营成本，实现更为健康的运营。

三、5G基站降低功耗探讨

3.1硬件

5G基站包含CU/DU和有源天线单元两部分，本身硬件设备的更新换代就可以借助材料更新的方式实现，所以5G基站降低能耗从硬件方面就可以从材料、工艺以及技术三方面着手。

CU/DU的装备位置多位于机房内，一方面可以从更改机房格局的角度下手，将所有机房的面积都进行缩小处理，采用较为紧凑的机房，机房面积小在一定程度上便可节约制冷设备的耗电量;

另一方面，可以引用新型的通风设备，将机房划分为冷热两个区域，一部分区域利用制冷设备进行降温处理，一部分区域采用自然风降温，减少制冷设备的使用时间，降低能耗。

有源天线单元是5G基站内能耗最大的部分，据相关数据显示有源天线单元的能耗甚至能达到5G基站的百分之九十及其以上。

有源天線单元包括数模转换、射频单元、功放以及天线四部分，这四部分中功放的功耗较高，所以降低有源天线单元的功耗可以从功放下手，即可以利用数字预失真技术，在降低功率放大器在非线性区运行时产生的失真，从而提升功率放大器的效率，减少使用时间。硬件方面就是从5G基站的组成部分一一降低功耗。

3.2软件

5G基站的软件降低能耗主要是依赖对基站内部的资源进行再次合理的调度匹配来实现的，目前最常用到亚帧关断、多输入多输出通道关断、深度休眠、智能开关断电、载波关断五类技术。[2]

第一，亚帧关断是智能性的识别基站内部所有软件的动态频率来判断该软件是否正在运作，将停止运作时间超过半小时及其以上的软件进行关断，以减少电量及其他能耗耗费的方式;

第二，多输入多输出通道关断是通过多段时间的软件运作时间来计算低业务时间段，并在此后的低业务时间段内主动关断部分射频线路以达到降低能耗的效果;

第三，深度休眠是在低业务时间段保留运作必需的软件，其余未使用的软件并没有直接关断，而是采用休眠的方式减少能耗，因为休眠可以实现快速的唤醒，所以这类技术方案在一定层面上并不会影响正常使用;

第四，智能开关断电。这种首先要将4G、5G的所有线路进行划分，在使用时智能性的唤醒需要用到的软件，并且在使用完毕后又主动将有源天线单元的相关线路关闭，这类技术方案可以说是减少能耗最快速的方法，但是由于频繁的开关又对设备的性能要求较高;

第五，载波关断。这类技术方案主要是依靠识别基站内部的资源供给是否充足，在部分不充足的情况下主动关断较长时间未使用到的软件，并且不会影响到基站的正常运作。

3.3网络规划

网络规划主要是依靠重新对基站所有资源进行整合规划，尽可能的实现资源的充分利用，以最少的基站实现最高的产出。

5G最初的建设主要是根据业务量进行选择，所以不可避免的新建了很多5G基站，后期在拓展阶段可以考虑收录之前的基站以及站址进行改造升级，实现5G基站的快速建设。

在通道选择上可以考虑32通道和8通道，相较于64通道具备成本低、能耗小的特点，具体能耗对比可参照下表。同时在基站规模的选择上可以以微基站来替代宏基站，首先微基站发射功率较低，相对来说能耗也较少，再者基站的规模变小就可以实现更高密度的覆盖率，从而达到效益的最大化。

3.4设备选型

5G中使用的大规模多输入多输出/大规模天线技术包括64通道、32通道、8通道等，这些通道据上图显示，在垂直覆盖性能、天线、成本、容量及其功耗上都有着较大的差异。在目前的5G发展中运用较多的为64通道的天线，其他通道的天线设备厂商甚至没有存货。在当下阶段，根据各通道的适用范围和特点性能等去因地適宜的选择与基站匹配度较高的是降低能耗的必要方式，比如在城市人口或者无线使用较为密集的区域可以选择64通道，在城区、县城等建筑在20层以下的可以选择32通道，农村、郊区等地方就可以选择8通道。

3.5政策保障

2018年12月中央经济会议中提出了“新型基础建设”，而5G的发展建设就是新型基础建设中的重要一项，是建立现代化经济体系国家的基本建设和基础设施建设。5G基站目前仍处在方兴未艾的时期，用户规模较少，技术也相对不成熟，在这个阶段的探索中离不开国家政策的扶持和鼓励，保障5G基站在发展初期的相关权益。

与此同时，5G基站由于较高的输出所以在能耗方面需要耗费更多的成本，在用电量上面就要超出4G基站的两到三倍，如果政府在政策上给予优惠，与国家电网协商在电费上提供减免政策，这样5G基站的建设将会减少很多阻碍以及成本。

四、结束语

现阶段国内5G基站的发展如火如荼，几大运营商都在致力于5G基站的发展。但5G基站的能耗远远超出4G仍是不容忽视的问题，其中百分之八十的能耗集中在电能上，5G基站的基站、传输、电源及其机房空调四部分几乎不能缺少电能，最主要的原因还因为5G基站的全封闭机房在全天无休止的运转下温度较高，需要较多的降温设备不停的运转进行降温操作，这也是较大的电能耗费和运营成本的支出点。通过软硬件、网络规划、设备选型以及政策保障五点探索降低能耗的方法，以实现5G基站的健康发展。

参  考  文  献

[1]王江汉，刘修军，鲁军.5G基站高能耗分析与应对策略[J].无线互联科技，2021（06）：1-2.

[2]彭钊，张旭.5G基站能耗分析与节能探讨[J].通信与信息技术，2021（02）：49-50.

[3]韦良才.5G基站功耗的影响因素及应对策略[J].通信电源技术，2020（05）：220-221.