5G 基站功耗的影響因素及應對策略

韋良才

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

2019年6月6日，工信部分別向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣電發放了5G 商用牌照，代表我國移動通信正式步入5G 新時代。在業務承載能力和網絡性能方面，5G 網絡比4G 網絡更優秀。基于5G 網絡技術，可以為人們提供低時延、高寬帶和大連接等網絡能力，促進遠程醫療、高清視頻、智能制造、VR/AR、智慧城市和無人機等新業務的迅速發展[1]。而通過大力發展新業務，也為人們的生產、工作和生活等多方面提供極大的便利，滿足人們對美好通信的向往。

5G 網絡規劃建設流程與4G 網絡類似，但由于5G基站設備的工作帶寬為100 MHz，發射功率典型值為200 W，因此設備功耗方面與4G 相比有明顯的增加。這一方面會增加網絡的供電需求，給網絡建設帶來困難；另一方面也增加運營商的運營成本。因此需要研究5G 基站設備功耗對網絡建設的影響，同時提出相應的解決方案，以保障5G 網絡快速部署和正常運營。

1 5G 能耗情況概述

1.1 5G 網絡架構

5G 網絡架構和4G 網絡架構類似，總體上由無線接入網（NG-RAN）和核心網（5GC）構成，圖1 為3GPP 給出的5G 網絡結構。

在圖1 中，5GC 主要包含AMF/UPF 網元，其中AMF 為接入和移動管理功能，UPF 為用戶平面功能。NG-RAN 為 5G 無線接入網，其中 gNB 為 5G 基站，ng-eNB 為4G 基站（考慮到未來4G 和5G 長期共存，因此升級后的4G 基站具有接入5G 核心網的能力）。對于5G 網絡，設備功耗主要包括無線接入網設備和核心網設備，對于核心網設備，其功耗與4G 相當，而對于5G 無線接入網設備，尤其是gNB 工作帶寬典型值為100 MHz，發射功率為200 W，其功耗相對于4G 網絡有明顯的增加，是影響網絡能耗的主要因素[2]。

圖1 5G 網絡結構

1.2 簡述5G 電源系統

一般在5G 基站供電系統中，通過市電引進直流電，然后經過交流配電箱、開關電源等的作用，將其轉換為-48 V 直流后，再連接至5G 基站設備，通過光纖/饋線連接至桿塔上的天線上。基站主要設備由AAU 和BBU 構成，AAU 主要是天線、數模轉換（DAC）、功放（PA）和射頻單元（RF）等元素構成，將基帶數字信號轉換成為模擬信號，然后再調制成為高頻射頻信號，經由功放放大到特定功率之后，通過天線發射。BBU 則是負責處理基帶數字信號，如解碼/信道編碼、IFFT/FFT、解調/調制等。

在5G 基站的功耗組成中，一般由BBU 功耗、功放功耗和射頻單元功耗等構成，且伴隨TRX 鏈路的增多，導致基站總功耗隨之增多。例如，隨著Massive MIMO 的天線單元增加，且每一個天線單元都具有射頻單元和功放單元，導致TRX 鏈路增加，所以就額外增加了5G 基站總體能耗。隨著5G 時代的到來，隨著傳輸速率的增加，基站的計算功耗將不斷增大。

1.3 5G 能耗情況測試情況

根據某運營商省公司對主流設備廠家4G、5G 設備的基站功耗對比測試得出，5G 基站的單站功耗是4G 單站的2.5～3.5 倍，目前單站滿載功率近3 800 W，AAU 功耗增加是5G 功耗增加的主要原因。后續可在低話務時段，通過關閉部分射頻通道下行功率的方式來節省能耗。當AAU 監測到下行符號發送時刻沒有數據發送時，可臨時關閉PA，節省PA 靜態功耗；當監測到有業務時采用智能喚醒的方式。這樣可最大限度優化能耗，提升5G 基站能源利用效率。

2 5G 基站功耗大帶來的影響

5G 基站設備架構主要采用BBU+AAU 方式，其中，BBU 為基帶部分，可以進一步拆分為CU 和DU 兩個邏輯網元，其中CU 處理無線網PDCP 層以上的協議棧功能，DU 處理PDCP 層以下的無線協議功能。目前，國內5G 網絡建設原則上采用了CU/DU 合設部署方式。AAU 為射頻部分，是由射頻單元與天線整合的有源天線單元。對于基站BBU 和AAU 設備的功耗，目前不同廠商設備的差異性較大，以現有64T64RS111 宏站設備為例，單基站的功耗為3～4 kW，5G 設備較4G 設備功耗提升2～3 倍，這將使5G 網絡供電系統建設和運營面臨兩個難點。

2.1 供電系統建設難度加大

5G 電源系統建設可以采用現有電源系統方式，這時要求現有電源系統具有4 kW 以上的空余容量；在建設5G 電源系統時，也可以采取新建電源系統的方式，從外界引進不小于15 kVA 的外電，為4G、5G 網絡的共同建設提供便利。對于目前國內5G 網絡建設，一般由鐵塔公司負責建設基站，由多個運營商共享共建。例如，我國的三大運營商基于當前的機房條件，采取共建共享的原則，共同建設5G 網絡，供電系統的用電需求接近12 kW，這將造成目前部分基站空余容量不滿足上述需求，需要進行電源系統改造，尤其是需要對外市電的引入進行擴容改造。目前，關于外市電引入擴容改造，一般采用更換大容量變壓器、更改線路線纜、更改前級空開容量等方案。這些方案經常存在難度大、周期長、成本高等問題，這必將會嚴重影響5G 網絡的建設進度。

2.2 運營成本增加

基站設備日常運行電費開支是運營商運營成本的重要部分。整體上一個5G 基站無線設備的功耗為3～4 kW，以目前的0.7 元/kW·h 的費用計算，一個5G 基站無線設備全年運行的電費接近1.8 萬元～2.5 萬元。以目前國內某一運營商地級市城區現有48 萬4G 基站的規模為建設目標，則每年的5G 基站設備的電費開支將達到88 億元～110 億元。如果考慮頻段的差異，以及3.5 GHz 的實際覆蓋能力，則要達到與4G 網相同的覆蓋效果，目前來看，5G 的基站數量將要達到4G 基站的1.5倍左右，這時電費開支將達到130 億元～160 億元。這一龐大的電費開支，必然增加運營商的運營成本，影響5G 建設和運行，因此需要研究降低5G 網絡能耗和電費開支的方案，以保證5G 網絡健康運營。

3 5G 基站功耗的應對策略

3.1 技術創新

在5G 試驗網階段，原型機基站在S111 配置下，功耗超過6 kW（BBU 功耗約為400 W，AAU 功耗約為1 900 W）。在目前階段符合R15 標準的5G 基站設備在S111 配置下，功耗為3～4 kW，因此可以看出，隨著技術的進步，設備功耗能夠實現進一步的下降，這需要主設備廠商不斷加大技術研究和創新。此外，針對5G 基站，在業務負荷處于較低狀態時，可以引進時隙關斷、通道關斷和載波關斷等方式，有效控制5G 基站設備功耗情況，以降低運營商的運營成本。

3.2 設備選型

5G 網絡使用的Massive MIMO 主要有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R 等多種通道數天線，各種類型的天線覆蓋、容量、成本、功耗方面有一定的差異。在覆蓋方面：64T64R 設備覆蓋能力強；8T8R 設備覆蓋能力弱。在容量方面：64T64R 設備小區容量高；8T8R 設備小區容量低。在成本方面，64T64R 設備成本高，8T8R 設備成本低。在功耗方面，64T64R 設備功耗高，8T8R 設備功耗低。由于產業鏈發展問題，目前5G 網絡建設主要以64T64R 天線為主，而對于32T32R、16T16R、8T8R 等天線，目前部分設備廠商還沒有相關設備，預計在2020年，各廠商才會有完備的Massive MIMO 系列產品。因此在后期的5G 網絡建設過程中，在滿足覆蓋、容量需求情況下，應合理進行Massive MIMO 天線選型，如在業務量大、無線環境復雜的密集市區，建議采用64T64R 設備；在中高建筑的較多的一般城區/縣城，建議采用32T32R 設備；在用戶稀疏的農村區域，建議采用16T16R 設備；在高速鐵路和高速公路沿線，建議采用8T8R 設備。通過合理的設備選型，達到降低運營商CAPEX、OPEX 的目的。

3.3 優化5G 電源方案

在5G 基站建設中，要采取科學的措施，提升資金的使用效率，建設智能化、低能耗和高可靠的能源網絡。基于5G 客戶需求、應用場景、業務發展、網絡架構和設備演進，對其進行綜合分析。在部署5G 電源時，必須要充分考量現網站點電源的擴容和改造場景，對存量電源余量進行整合，將舊現網資源的優勢最大化，提升能源的使用效率。

3.4 政策保障

在網絡建設初期，由于業務發展不明確，用戶規模相對較小，因此5G 網絡建設需要各級政府出臺保障措施，尤其需要各級地方政府強化運營商用電保障，與電網公司溝通，使得在流程上進行簡化，在費用上進行適當減免，進而為5G 網絡建設提供最大便利。

4 結 論

國內5G 商用網牌照已經發放，各運營商即將開始5G 大規模商用網建設，所以非常有必要加強對基站設備功耗對5G 網絡建設的影響及應對策略的研究，這也對5G 網絡的建設具有積極的意義，可以有效控制5G建設和運營的成本。