5G時代基站耗電量大的應(yīng)對策略

焦安群 陳超 高宏亮 宋立臣

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司 黑龍江省哈爾濱市 150000）

5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率、安全性都更高，這是傳統(tǒng)的2G、3G 和4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所難以達到的，在信息時代到來以后，人們對網(wǎng)絡(luò)傳輸量、傳輸速率等都提出了越來越高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，正是因為這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求，刺激了我國5G 技術(shù)的發(fā)展。近年來，我國的5G技術(shù)發(fā)展迅猛，為推進5G 網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，5G 基站的建設(shè)數(shù)量急劇增加，但因為5G 基站的建設(shè)特殊性，導(dǎo)致基站運行時，很多設(shè)備設(shè)施都伴隨著耗電量大的特點，難以促進基站節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，5G 基站中的耗電量控制尤為重要。

1 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢和特性

伴隨著信息技術(shù)的日漸進步，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了信息通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，完善了我國的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)符合信息時代的發(fā)展特點和要求，具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是時代發(fā)展的必然需求

5G 技術(shù)是信息時代的技術(shù)產(chǎn)物，5G 技術(shù)的推廣符合時代發(fā)展要求，尤其是在當(dāng)下智慧城市建設(shè)時，5G 技術(shù)是不可或缺的技術(shù)。通過5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信不再局限于人與人之間，還可以實現(xiàn)人與物、物與物之間，尤其是物聯(lián)網(wǎng)形成以后，信息傳輸和交流更為便捷且高效，有效突破了傳統(tǒng)的技術(shù)限制。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有優(yōu)勢性

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在著較大的技術(shù)局限性，而5G 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸總量大、速度高，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生的能源消耗非常小，正是因為如此，在生產(chǎn)生活中的5G 技術(shù)應(yīng)用，可以給人們提供更為良好的網(wǎng)絡(luò)體驗，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)體系的應(yīng)用價值，更是節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源。

1.3 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的泛在網(wǎng)特性

隨著人們生產(chǎn)生活中對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的依賴性有所增強，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面逐步擴大，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)已然成為了不可或缺的技術(shù)。5G 技術(shù)具有泛在網(wǎng)特性，相關(guān)領(lǐng)域在5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用時，可以逐步在此基礎(chǔ)上進行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和覆蓋范圍的擴展，也就可以滿足更深層次的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。

2 5G基站建設(shè)所面臨的實際問題分析

2.1 5G基站相關(guān)設(shè)備重量大

當(dāng)下我國的5G 網(wǎng)絡(luò)并未完全覆蓋，大部分還是以4G 網(wǎng)絡(luò)為主，5G 基站與4G 基站相比，為滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，在基站內(nèi)配備的是更大規(guī)模、功能更強的設(shè)備。根據(jù)當(dāng)下我國5G 基站的建設(shè)情況，AUU 設(shè)備是其中的重要構(gòu)成，此設(shè)備的重量達到了40kg 左右，而4G 基站中的AUU 設(shè)備，其重量僅僅為15kg[1]。此外，5G 基站中的CU/DU 設(shè)備，其重量也遠遠超出了4G 基站同種設(shè)備的重量。正是因為基站中各種設(shè)備的體積龐大、重量偏重，使得在基站設(shè)計運營時應(yīng)注重能耗管理。

2.2 5G基站其基站建設(shè)的耗能更高

5G 基站建設(shè)和運營中的能耗偏高，根據(jù)當(dāng)下我國5G 基站的建設(shè)現(xiàn)狀，以不同設(shè)備提供廠商所提供的A、B、C 三種CU/DU合設(shè)以及AUU 設(shè)備來分析，CU/DU 合設(shè)的典型功耗一般保持在315 ～900W 范圍內(nèi)，而4G 基站的CU/DU 合設(shè)典型功能保持在145W 左右，因此，CU/DU 合設(shè)的能耗中，5G 基站的能耗遠遠高于4G 基站能耗[2]。同樣，AUU 設(shè)備中，5G 基站的設(shè)備能耗也同樣較高，保持在700 ～1000W 之間，整個的運行過程中。因此，我國5G 基站建設(shè)中，設(shè)備能耗是4G 基站能耗的幾倍甚至數(shù)十倍。

2.3 5G基站建設(shè)的費用提升

5G 技術(shù)的先進性較強，正是因為如此，在5G 基站的建設(shè)過程中，為滿足其服務(wù)需求，往往需加大在技術(shù)、設(shè)備等方面的投入，也就同步增大了5G 基站的建設(shè)費用。比如，在部分5G 基站建設(shè)時，為提升基站功能，一般會通過增加纖芯來提高傳輸?shù)男剩€需同步配備高性能的鐵塔，做好對外電和其他配套設(shè)備設(shè)施的改造，5G 基站建設(shè)方面的資金投入總量較多。

3 通信基站耗電量來源分析

結(jié)合工信部相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標(biāo)，在2019年全過程通信業(yè)務(wù)總量的增長速度明顯，在5G 基站建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面取得了卓越的成就，部分地區(qū)已然開始了5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，在2019年年末，我國5G 基站的建設(shè)總數(shù)已經(jīng)超過了13 萬，國內(nèi)5G 手機的銷售總量、業(yè)務(wù)也都逐年增加。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，基站是其中的重要構(gòu)成，整個基站運營的過程中，電能消耗量是非常大的，比如，以某地區(qū)鐵塔來看，通信基站電費支出占據(jù)了總營業(yè)收入的20%，甚至有時該電費支出高于公司利潤。

5G 基站內(nèi)包含的設(shè)備設(shè)施數(shù)量較多，根據(jù)耗電量調(diào)查，傳輸設(shè)備、基站主設(shè)備、動力配套設(shè)備、環(huán)境溫度控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、照明設(shè)備等的耗電量都相對較高，其中基站主設(shè)備、環(huán)境溫度控制設(shè)備的電能消耗量最大。

根據(jù)當(dāng)下5G 基站的設(shè)備配備情況，SDH、PTN、PDH 等均是主要的傳輸設(shè)備，這些設(shè)備的配備和使用主要是為了在基站運行的過程中有效保障數(shù)據(jù)的高效、安全傳輸。結(jié)合這些設(shè)備運行中的使用情況來看，這些傳輸設(shè)備的功率比較小，一般在250W 以內(nèi)，耗電量偏低；基站主設(shè)備同樣是基站設(shè)備中的重要構(gòu)成，以BBU、AAU 為主，這些設(shè)備的存在是為了在基站運行的過程中實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的有效調(diào)制和收發(fā)，結(jié)合這些設(shè)備的運行和使用情況，AAU的電能消耗最高[3]。

在我國的設(shè)備市場上，AAU 設(shè)備廠家非常多，不同廠家所生產(chǎn)的AAU 設(shè)備在運行時的能耗也有所區(qū)別，當(dāng)前市場上的AAU設(shè)備生產(chǎn)廠家主要為華為、摩托羅拉、愛立信等，其中，華為的設(shè)備市場占有率是最高的，結(jié)合設(shè)備運行時的功耗分析，3 臺AAU設(shè)備的能耗基本上保持在2.5kW 左右。從5G 基站的總體運行來看，AAU 主設(shè)備的耗電量占據(jù)了總耗電量的30%～40%之間，是主要的耗電量來源。5G 通信基站中同樣存在動力配套設(shè)備如開關(guān)電源、蓄電池的配備，這些設(shè)備的使用可以在基站運行的過程中，有效將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，為基站主設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、其他設(shè)備等提供了足夠的電能資源，在基站出現(xiàn)了異常斷電情況時，蓄電池可以作為備用電源使用，保持基站的正常運轉(zhuǎn)[4]。在動力配套系統(tǒng)的運行過程中，電能消耗來自于交流電向直流電轉(zhuǎn)換時的能耗。結(jié)合運行情況，一些性能比較好的動力配套系統(tǒng)在交流電向直流電轉(zhuǎn)換時的效率可以高達85%甚至90%以上，電能損耗相對較低。蓄電池在充電和放電時才會存在一定的能耗，且此能耗偏低，幾乎可以忽略不計。

5G 基站中配備的設(shè)備設(shè)施非常多，這些設(shè)備設(shè)施在運行的過程中有著一定的溫度和濕度等環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，為了給設(shè)備創(chuàng)造良好的運行環(huán)境，在基站建設(shè)時還應(yīng)該配備環(huán)境溫度控制設(shè)備，由該設(shè)備來對基站內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)與控制[5]。比如，對大多數(shù)的5G 基站而言，其在運行的過程中都會配備空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)或者智能通風(fēng)系統(tǒng)，由該系統(tǒng)對基站內(nèi)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進行控制。環(huán)境溫度控制系統(tǒng)運行的過程中，也會伴隨著一定的電能消耗，如某5G 基站空調(diào)系統(tǒng)運行時，在夏季平均每天的耗電量達到了50kWh，該耗電量達到了基站總耗電量的45%。

4 5G時代基站耗電量大的應(yīng)對策略

4.1 符號控制關(guān)斷策略

結(jié)合5G 基站中的耗電量情況，在電能消耗控制方面，符合控制關(guān)斷策略非常有效。在整個基站的運行過程中，數(shù)據(jù)接收和傳送頻率相對較高，正是因為如此，AAU 射頻器件的工作頻率偏高，電能消耗大，即使在不進行信號發(fā)送的前提下，功率放大器也伴隨著一定的靜態(tài)電能消耗，這部分能耗的產(chǎn)生與信號傳輸不存在直接的關(guān)系，可以在日常的工作中通過相應(yīng)的策略來減少這部分能耗。在能耗控制上，在維持基站內(nèi)相關(guān)設(shè)備設(shè)施正常運行的前提下，符號控制關(guān)斷策略完全可以減少射頻器件不必要的電能損耗，具體的控制中，通過終端管理系統(tǒng)對當(dāng)前時段的數(shù)據(jù)量開展全過程監(jiān)測，隨后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果選擇特定符號標(biāo)記業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，一旦發(fā)現(xiàn)該時段處于無有效信息傳輸狀態(tài)時，就會由相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)來進行功率放大器柵極電壓的調(diào)節(jié)，或者立即關(guān)閉功率放大器，減少不必要的電能消耗[6]。

4.2 通道控制策略

5G 基站的耗電量控制方面，通道控制策略也較為常用，但在5G 基站的運行過程中出現(xiàn)了某一區(qū)域不存在數(shù)據(jù)傳輸或者數(shù)據(jù)傳輸量較小時，可以結(jié)合顆粒度的差異情況，及時將對應(yīng)的通道關(guān)閉，進而來減少能耗。對5G基站的運行來看，在白天的傳輸任務(wù)量偏大，基本上不會出現(xiàn)無數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)象，夜間的業(yè)務(wù)量偏低，通道控制策略最為有效。在利用通道控制策略開展耗電能控制的過程中，應(yīng)選定最佳的時間段，且在該時間段內(nèi)通電關(guān)斷開關(guān)處于打開條件下，此時，控制系統(tǒng)可以自動對上行或者下行資源塊的具體利用情況加以全面檢測，一旦發(fā)現(xiàn)達到了通道關(guān)斷的條件，就可以直接啟動這一策略，在其中選擇與TRX通道條件相一致的通道實施關(guān)斷處理[7]。但因為通道控制策略的特殊性，在利用該策略實施能耗控制時，為達到最佳的控制效果，相關(guān)人員應(yīng)分析通道關(guān)斷狀態(tài)下對于各個網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)所造成的直接影響。

4.3 4/5G協(xié)同工作策略

近年來，隨著5G 技術(shù)的發(fā)展速率非?？欤?G 網(wǎng)絡(luò)并未得到完全的普及與推廣，網(wǎng)絡(luò)市場上存在4G 和5G 并存的現(xiàn)象。根據(jù)5G 技術(shù)的發(fā)展，高速度、大容量需求下的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中多采用的是5G 技術(shù)，而在夜間等特殊的時間段內(nèi)，因為需求相對較小或者基本沒有業(yè)務(wù)需求，為了有效降低基站的耗電總量，可以通過4G和5G 的協(xié)同工作方式來實現(xiàn)控制，就是關(guān)閉5G 射頻工作器件，利用4G 網(wǎng)絡(luò)來滿足用戶的需求。5G 載波方式為3.5G 單載波，這就使得在載波關(guān)斷的過程中，主要是在系統(tǒng)間完成的，也就使得要保持4G 和5G 的協(xié)同操作與控制。根據(jù)當(dāng)前4G 基站和5G 基站的相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查和分析，專業(yè)人員為了有效對耗電總量加以控制，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)需求來選擇最佳的關(guān)斷時間，并保障門限閾值設(shè)置的合理性，一旦5G 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)荷小于閾值時，就可以立即關(guān)閉5G 載波。

4.4 休眠機制

對于一些特殊的場所而言，其網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求有著明顯的時段特征，如商場、景區(qū)或者地鐵等公共場所而言，雖然人員密集，但這種密集性特征呈現(xiàn)出明顯的時段特征，早上七點到晚上十點的人員更為集中，在商場、景區(qū)等過了營業(yè)點以后，這些場所內(nèi)的人員數(shù)量急劇降低，此時的網(wǎng)絡(luò)需求同步減少。因此，針對這類特殊的場所，在5G 基站耗電量的控制方面，可以通過休眠機制的引入來減少不必要的電能消耗，當(dāng)停止?fàn)I業(yè)時間段中的業(yè)務(wù)需求相對較少的情況下，可以采用分布式皮站設(shè)備來輔助休眠模式的啟動，使得大部分設(shè)備元件處于關(guān)閉或者斷電的情況下，當(dāng)超過了設(shè)定時間段，休眠狀態(tài)會立即解鎖，重新進入正常的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)服務(wù)條件下。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，伴隨著我國5G 技術(shù)的日漸進步，5G 基站的建設(shè)數(shù)量急劇增加，建設(shè)規(guī)模也逐步擴大，在因為5G 基站內(nèi)設(shè)備配置等的特殊要求，使得基站運行的過程中伴隨著極大的電能損耗，在經(jīng)濟性和節(jié)能性等要求下，加強對5G 基站的耗電量控制將越來越重要，也將帶動整個5G 技術(shù)的進步。