5G“能者多勞”基站絕對能耗太高怎么破？

齊旭

5G即將實現全面商用，可以預見的是，5G將作為核心底層基礎設施滲透到各行業中。5G時代，通信行業產生的電力消耗也可想而知，有相關預測指出，到2025年，通信行業將消耗全球20%的電力。其中，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。

5G基站是耗電大戶，但不能撇開“能力”看“能耗”。5G網絡“能者多勞”勢必會增加基站的絕對能耗，而5G基站單位比特流量功耗僅為4G的1/5左右。盡管SG基站的能量效率更高，但運營商仍在為絕對能耗過高而發愁，5G單點基站的功耗為4G單站的2.5倍- 3.5倍。那么，高耗能是否會成為5G規模商用的攔路虎？5G基站絕對能耗高究竟怎么破？

高耗電伴隨高能效比

雖然5G基站能耗的絕對值在增加，但能效比（單位比特承載效率）相比4G大幅提升。

自從啟動5G商用以來，加快5G網絡建設便成為我國發展的重要任務。而5G網絡建設的根本在于基站的建設。5G不光是一張面向公眾的消費級網絡，更是能深入行業細分領域的、具有確定性的、靈活可定制化的網絡。隨著5G網絡建設進程提速，4K/8K、VRiAR、自動駕駛、機器人、視頻監控等應用蓬勃生長。

這樣一張賦能各行各業的網絡，其耗電量也非常可觀。相關預測指出，到2025年，通信行業將消耗全球20%的電力，其中基站是耗電大戶，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。中國通信標準化協會的數據顯示，目前主要運營商的5G基站主設備空載功耗約22 - 2.3千瓦，滿載功耗約3.7 - 39千瓦，是4G單站的三倍左右。

中國通信服務EPTC電力信通專家委員會成員、中國電機工程學會能源互聯網分會專業委員楊軍對《中國電子報》記者表示，5G基站本身的能耗主要來源于基站的CU/DU（基帶處理單元）設備和AAU（大規模天線陣列）。CU/DU消耗的電量主要用于計算，包括數字部分處理、管理和控制、核心網和其他基站間通信等。由于CU/DU的功率比較穩定，不受太大的業務負荷影響。而AAU則不同，隨著負荷的增加，功耗也大幅增加。據楊軍介紹，AAU設備內部集成了天線陣列、最高64個射頻通道和部分基帶功能，其能耗占基站設備總能耗的80%以上。除了基站設備本身產生的能耗之外，為保持基站機房恒溫的空調制冷電力消耗，以及市電轉換無功損耗等帶來的電力消耗，也值得關注。

“能耗要從兩方面來看，一個是絕對能耗，另一個就是跟它的帶寬除下來的能效。如果是從它能夠傳輸的‘比特率角度來說，實際上5G比4G強。”楊軍指出，5G的理論峰值速率為1G，約為4G（峰值速率）100M的10倍。5G基站的覆蓋半徑為100 - 300米，比4G基站的（覆蓋半徑）1-3公里密集很多倍。5G基站天線的系統容量和發射功率也是4G的好幾倍。可以說，雖然5G基站能耗的絕對值在增加，但能效比（單位比特承載效率）相比4G大幅提升。SG（64通道160MHz）相比4G（8通道60MHz）設備吞吐量提升10倍，單位比特流量功耗僅為4G的1/2左右，從傳輸效率看其實5G比4G更節能。

降低絕對能耗迫在眉睫

基站能耗的升高，會大幅提升JG網絡的運營成本，為運營商實現數字化轉型帶來壓力。

盡管如此，絕對耗電量成倍增長引發電費直線上升，這讓運營商寢食難安。經測算，以當前平均1 3元/度的轉供電價計算，單個4G基站每年的電費是20280元，單個5G基站每年的電費將高達54600元。據相關機構預測，到2022年，我國5G網絡建設規模至少達到250萬站，屆時三大運營商5G網絡能耗成本將至少達到每年575億元- 750億元。因此，預估SG的網絡運營成本將是4G的10倍以上。中國聯通網絡技術研究院無線研究部副主任李福昌在接受《中國電子報》記者采訪時表示，基站能耗的升高，會大幅提升5G網絡的運營成本，為運營商實現數字化轉型帶來壓力。因此獲得的電費減免和補貼，可以在短期內解決運營商SG網絡運營成本居高不下的燃眉之急。

目前，各地紛紛出臺相關政策，以降低電信企業用電成本。比如，山西提出，從2020到2022年對參與市場交易后的SG基站，其實繳電費超出目標電價0.35元/千瓦時的部分，由省、市、縣三級按照5：2：3的比例給予相應支持，每年用于5G基站電價補貼的省級財政資金總額不超過5000萬元。據山西鐵塔初步預測，上述補貼可以使5G基站用電單價下降約三成。廣東則提出加快轉供電改造，改造投資的分攤以用戶紅線邊低壓計量裝置為分界點，分界點電源側由供電部門投資，分界點負荷側由用戶投資。

據了解，通信基站電費目前由中國鐵塔代運營商統一向電力部門繳納。中國鐵塔正協同三大運營商，一方面積極爭取國家對5G網絡用電電費優惠政策，另一方面大力推進轉供電站址“轉改直”工作，以節省電費開支。中國鐵塔相關負責人表示，目前建成的5G站址，80%的用電約為直供電（指由電網企業直接供電），約20%是轉供電（指由物業公司等電網企業之外的主體供電），轉供電站址平均電價大幅高于直供電平均電價。預計到2020年底，轉供電站址中不低于50%的比例可改成直供電，有望每年節省電費約15億元。

基站節能還要“軟硬兼施”

基站的符號關斷、載波關斷、頻道關斷、深度休眠是網絡管理精細化的重要趨勢。

長期來看，5G基站節能還要從“源頭”人手，即從基站的硬件側和軟件側來實現節能優化。

李福昌向記者指出，硬件節能方案主要通過優化設備硬件設計、改進生成工藝、設備集成度等手段，達到降低基站設備基礎能耗、不斷提高基站設備能源利用率的目的。比如，在基帶板方面推進高集成度和低功耗ASIC芯片解決方案、數字中頻推進下一代7nm/5nm ASIC芯片、不斷提高芯片的集成度、減少芯片使用數量等。

而軟件節能則是基于業務負荷狀態對基站資源進行合理調度，在運行基站時更好地降本增效。“從軟件側人手實施有效的節能方案，是根據業務在時間、空間等分布特征，以及網絡負荷的變化。在保證預定指標的前提下，通過調整基站軟件功能配置對硬件資源進行合理調配，從而達到節約基站能耗的目的。”李福昌表示。

AI、大數據等新一代信息技術將輔助軟件節能優化方案更上一個臺階。楊軍表示，基站的符號關斷、載波關斷、頻道關斷、深度休眠是網絡管理精細化的重要趨勢。在執行基站深度休眠時，基于AI的5G基站能耗分析和控制平臺可針對網絡覆蓋、用戶分布、場景特征等數據，利用機器學習算法對歷史數據進行人工智能判斷，采用下發不同的關斷指令策略，在不妨礙用戶正常使用網絡的前提下達到最優節能效果。

最近，中國聯通洛陽分公司分別對不同基站射頻單元設備（ AAU）分不同時段開啟空載狀態下的深度休眠功能。比如，對于未進行單站驗證或單站驗證完畢的站點，全時段開啟AAU深度休眠功能;對于正在進行單站驗證的站點，分時段開啟AAU深度休眠功能（21：00-次日9：00）。分時段實施深度休眠能使5G單基站AAU功耗從空載時候的三、四百瓦降低到一百瓦左右。