5G基站能耗管控與環(huán)境影響

戴春偉

中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司

0 引言

第五代移動通信技術(shù)（5G）作為新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)，將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。

中國電信和中國聯(lián)通進行5G共建，已完成5G一期工程建設(shè)，在2020年開展5G二期工程建設(shè)，計劃在三季度完成全國25萬5G基站共建工作，力爭率先實現(xiàn)5G SA（Standalone,獨立組網(wǎng)）商用。中國移動已全面完成5G一期工程建設(shè)，在50個城市實現(xiàn)5G商用。目前已全面啟動5G二期工程設(shè)備測試和采購等工作，力爭2020年底5G基站數(shù)達到30萬，確保2020年內(nèi)在全國所有地級以上城市提供5G商用服務(wù)。

2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會提出加快5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度。5G基站建設(shè)正在國內(nèi)加速進行，而5G主設(shè)備功耗、AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）發(fā)射功率和天線口輸出功率比4G基站大幅提高，因基站主設(shè)備功耗與天線發(fā)射功率存在因果關(guān)系，所以本文對5G基站功耗和5G基站對環(huán)境影響進行分析，并提出一些能耗管控措施和防護措施。

1 5G基站能耗管控

為了有效地闡述5G基站能耗管控，首先分析5G基站功耗，并與4G基站進行對比，其次對典型類型基站總功耗進行統(tǒng)計分析，最后提出5G基站能耗管控措施。

1.1 對5G基站功耗與4G基站對比分析

主流5G主設(shè)備廠家的設(shè)備功耗統(tǒng)計如表1所示。

表1 主流5G主設(shè)備功耗統(tǒng)計表

主流4G主設(shè)備廠家的設(shè)備功耗統(tǒng)計如表2所示。

表2 主流4G主設(shè)備功耗統(tǒng)計表

通過對以上兩個表中數(shù)據(jù)對比分析，5G主設(shè)備功耗約為4G主設(shè)備的2～3倍。

1.2 對典型類型基站總功耗統(tǒng)計分析

自2008年工信部《關(guān)于推進電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享的緊急通知》（工信部通[2008]235號）文件下發(fā)以來，三大運營商積極落實共建共享政策。在落實“網(wǎng)絡(luò)強國”戰(zhàn)略、深化國企改革、促進電信基礎(chǔ)設(shè)施資源共享的背景下，2014年成立了鐵塔公司，負責三大運營商的基站塔桅和配套建設(shè)，把基站共享推上了新的高潮。在兩階段政策作用下，現(xiàn)在大部分基站（物理站點）有多家運營商的多套通信系統(tǒng)。

此處對三家運營商的基站進行功耗統(tǒng)計分析，如表3所示。

表3 三家運營商基站功耗統(tǒng)計表

兩家運營商共享基站（物理站點）以中國電信和中國移動為例：單基站典型站型的總功耗約為16130W。

三家運營商共享基站（物理站點）：單基站典型站型的總功耗約為24730W。

1.3 5G基站能耗管控措施

通過以上分析可得出，5G基站功耗大，單基站（物理站點）能耗大幅增加，隨著5G大規(guī)模建設(shè)，基站能耗問題更加得到大家關(guān)注。進行5G基站能耗管控，可以降低運營商建設(shè)維護成本，同時起到節(jié)能減排的作用。本文提出幾點5G基站能耗管控措施，具體如下：

（1）5G共建

中國電信和中國聯(lián)通5G共建，在實現(xiàn)節(jié)省主設(shè)備和配套投資的同時，也大幅降低了5G基站能耗。

（2）新建4G/5G混模設(shè)備

替換或改造原有4G設(shè)備，實現(xiàn)4G/5G混模，以降低功耗，目前已有成熟產(chǎn)品，例如中興A9611A。

（3）Massive MIMO通道數(shù)選擇

大規(guī)模天線技術(shù)具有較多優(yōu)點，5G基站建設(shè)主要選用64TR/32TR/16TR/4TR（Transmitter Receiver，發(fā)射接收器），通道數(shù)越多系統(tǒng)容量等指標越好，但也會帶來造價高、體積大導(dǎo)致安裝難度大、功耗大等問題。對通道數(shù)與AAU功耗大小的相關(guān)性統(tǒng)計分析，以華為和諾基亞AAU為例（見表4）：

表4 通道數(shù)與AAU功耗相關(guān)性對比表

同廠家除通道數(shù)外其他配置相同的AAU， 64T4R功耗比32T32R高約17%。建議5G建設(shè)時，根據(jù)不同覆蓋場景選擇合適通道數(shù)的AAU，郊農(nóng)區(qū)域可選擇32T32R或16T16R，以降低造價和功耗。

（4）CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit，集中式單元/分布式單元）集中放置

CU/DU集中放置，集中供電，提高能效，減低能耗。

（5）開發(fā)BBU（Base band Unite，基帶處理單元）資源池

開發(fā)BBU資源池，進行基帶共享，以減少BBU數(shù)量，降低能耗。

（6）AAU交流供電

從重要性和供電條件兩個維度對5G基站進行分類，選擇性地提供后備電保障。重要性低和供電條件好的5G基站采用交流供電，以節(jié)省開關(guān)電源和蓄電池的耗電。

（7）降低設(shè)備發(fā)射功率，選用高增益天線

適當降低設(shè)備發(fā)射功率，通過提高天線增益和賦行增益彌補，兼顧天線增益和尺寸以便于安裝。

（8）對現(xiàn)有基站系統(tǒng)進行改造

主要包括4個方面：對老舊空調(diào)系統(tǒng)替換改造、對現(xiàn)有機房進行改造、對老舊電源設(shè)備進行替換改造、部分站點直流改交流。

（9）部分系統(tǒng)有計劃退網(wǎng)

近年來小靈通、TD-SCDMA已完成退網(wǎng)，中國電信CDMA2000和中國聯(lián)通GSM將有計劃地進行退網(wǎng)。

2 5G基站環(huán)境影響

2.1 對5G基站天線口發(fā)射功率與4G對比分析

由于5G使用高頻段，傳播損耗大，因此要求的天線口發(fā)射功率高，5G宏站AAU輸出功率一般為200W/240W、天線增益24.5dBi，換算5G天線口發(fā)射功率約為28184W/67641W，而4G宏站RRU輸出功率范圍為60～80W、天線增益以15dBi為例，換算4G天線口發(fā)射功率約為1897～2530W，5G基站天線口輸出功率約為4G的15～27倍。

2.2 對典型類型基站總輸出功率統(tǒng)計分析

因多年實施共建共享政策，基站（物理站點）普遍有多家運營商的多套通信系統(tǒng)，此處對三家運營商基站總輸出功率統(tǒng)計分析。如表5所示。

表5 三家運營商基站總輸出功率統(tǒng)計表

兩家運營商共享基站（物理站點）以中國電信和中國移動為例：單基站總輸出功率（單扇區(qū)）約為900W（不包括天線增益）。

三家運營商共享基站（物理站點）：單基站總輸出功率（單扇區(qū)）約為1280W（不包括天線增益）。

2.3 5G基站防護措施

（1）安全保護距離分析

為防止電磁輻射污染、保護環(huán)境、保障公眾健康、促進伴有電磁輻射的正當實踐的發(fā)展，國家環(huán)境保護局發(fā)布了《電磁輻射防護規(guī)定》（GB 8702-2014），主要相關(guān)條款如下：

a.在30～3000（MHz）頻率范圍內(nèi)，對公眾的電磁輻射防護標準為電磁輻射源在接受點產(chǎn)生的功率密度小于0.4 W/m2。

b.在3000～15000（MHz）頻率范圍內(nèi)，對公眾的電磁輻射防護標準為電磁輻射源在接受點產(chǎn)生的功率密度小于f/7500 W/m2。

水平保護距離:

P：天線口功率，W（這里應(yīng)取設(shè)備標稱功率-饋線損耗）；

S：功率密度，W/m2；

A：天線俯/仰角，°。

根據(jù)水平保護距離，測算垂直保護距離:

根據(jù)半功率角度方向的保護距離，垂直保護距離：

θ：垂直半功率張角

比較h1和h2，選取較大值為基站的垂直保護距離。

本文分別對3.5GHz頻段和4.9GHz頻段的5G基站，以天線口功率P＝200W，天線增益G＝282倍（24.5dBi），下傾角α=9°（天線掛高30米，覆蓋半徑250米），垂直半功率角θ=15°為例計算保護距離，具體如下：

◆5G 3.5GHz頻段

水平保護距離:

垂直保護距離：

根據(jù)以上計算可得出，3.5GHz頻段5G基站水平保護距離為96.86米，垂直保護距離為19.7米。

◆5G 4.9GHz頻段

水平保護距離:

垂直保護距離:

由以上計算可得出，4.9GHz頻段5G基站水平保護距離為81.86米，垂直保護距離為16.65米。

（2）穿透損耗

建筑組成的材料種類繁多，不同情況下穿透損耗差距較大，根據(jù)3GPP R-REP-P.2346，5G部分情況下穿透損耗值如下：

10cm&20cm厚混凝土板（concrete slab）：16～20dB

1cm鍍膜玻璃（0度入射角）：25dB

外墻+單項透視鍍膜玻璃：29dB

外墻+一堵內(nèi)墻：44dB

外墻+兩堵內(nèi)墻：58dB

外墻+電梯：47dB

（3）防護和控制措施

根據(jù)以上水平安全距離和垂直安全距離計算結(jié)果及穿透損耗值進行分析可得出，建筑物內(nèi)的電磁輻射值在安全范圍內(nèi)，在有些特殊場景需要注意防護，或采取控制措施。

a.塔高小于20米的樓頂塔，不要長時間站在塔底下，不要正對天線主瓣方向。

b.樓頂抱桿或美化天線，在樓頂如有需要可站在天線背后，不要正對天線主瓣方向。

c.若天線距離人員活動場地較近無法避免，適當調(diào)低設(shè)備發(fā)射功率，選用低增益天線。

d.落地塔距離建筑物很近的情況，調(diào)整天線方向角，盡量不要近距離正對建筑物。

3 結(jié)束語

通過對5G基站功耗分析，并與4G基站對比及對典型類型基站（物理站點）總功耗進行統(tǒng)計分析，得出5G基站功耗是其他通信系統(tǒng)的數(shù)倍，這導(dǎo)致基站（物理站點）總功耗大幅增加，5G基站能耗管控比以往更加重要，基于此對5G基站建設(shè)提出5G共建、新建4G/5G混模設(shè)備、Massive MIMO通道數(shù)選擇、CU/DU集中放置、開發(fā)BBU資源池、AAU交流供電、降低設(shè)備功率，選用高增益智能天線、對現(xiàn)有基站系統(tǒng)進行改造、部分系統(tǒng)有計劃退網(wǎng)等9條能耗管控措施。

由于制式和頻段原因，5G基站功耗大，天線口輸出功率較其他通信系統(tǒng)大幅提高，本文分別對3.5GHz頻段和4.9GHz頻段5G基站計算水平保護距離和垂直保護距離，分析基站對周圍環(huán)境的影響，并提出幾點特殊場景的防護和控制措施。