一文读懂5G基站节能技术

       近年来，全球运营商营收整体不断下滑，OPEX支出却不断增加，其中基站电费在网络运营支出中占比超30%。5G基站由于更大的带宽、更多的通道数、器件集成度低等因素影响，功耗相当于4G基站的3-4倍。截止9月5日，全国已建成5G基站超48万个，预计年底将突破60万站，估算一年的电费将超300亿。5G基站节能已成为5G商用中不得不考虑的一个棘手问题。

       目前主流节电技术的思路是从基站射频入手，在兼顾体验的同时，构建设备、站点和网络三级技术方案体系，结合AI等技术多管齐下，从试点来看效果显著。同时，错峰用电及地方用电优惠也使得5G耗电得到一定程度缓解。

01 为什么关注5G耗电？

运营商投资面临挑战，耗电在OPEX中占比较高

       据GSMA统计，自2012年起，全球运营商收入年均复合增长率开始逐年降低，而OPEX年均复合增长率逐年增加，两者差距不断增大，使得运营商营收压力与日俱增。在运营商的OPEX中，基站电费支出占网络运营部分的30%以上，占整个OPEX支出的10%左右。数据显示2018年中国移动电费支出约220亿元。5G相比4G功耗更大当前中国5G建设不断加速，截止9月5日，全国已建成5G基站超过48万个，预计年底将突破60万站。相比4G而言，5G功耗有了进一步增加，原因包括：

1）大带宽。5G NR带宽从原来的4G的几十兆变为160/200 兆；

2）通道数增多。收发通道数从原来的 8 通道变为 64/32 通道；

3）数字中频器件、芯片等集成度不足，导致功耗增加；

4）流量从传统的 2 流变为 16 流；

5）发射功率从 100 多瓦变为 240/320 瓦。

       可见，5G基站相比4G的功耗有了显著增加。数据显示，目前运营商的5G基站主设备空载功耗约2.2-2.3kW，满载功耗约3.7-3.9kW，这相当于4G基站的3-4倍左右。以1.3元/度电价测算，一个4G基站每年的电费是20280元，而5G基站每年的电费将高达54600元，按照今年年底国内60万5G基站计算，一年的电费就将高达327亿。5G节能已成为5G商用中不得不考虑的一个棘手问题，会对运营商的5G运营商成本带来极大影响。因此，运营商在5G招标中均将节能作为基站基本功能，占据较大比重。

02 三级5G节能技术方案体系

基站能耗关键在射频

       根据蜂窝网的架构分析，整个网络中基站设备机房是整网的主要耗电部分，占整网耗能60%以上，其中基站设备耗电占据50%左右。而射频设备能耗又占据整个基站能耗的90%以上。因此节能方案将重点围绕基站设备，尤其是射频设备展开。统筹体验和耗能，构建三级节能体系在制定节能方案和策略的同时，需要时刻把握节能和网络体验的平衡，将话务、体验和能耗统筹考虑，快速精准识别不同场景，并针对性的采用不同的节能策略。根据《5G 基站节能技术白皮书（2020）》，目前5G节能技术方案包括设备级、站点级和网络级节能。其中，设备级方案重点从器件、硬件设计方面入手；站点级方案主要从帧、通道关断及深度休眠等方面开展软件节能；网络级节能方案重点从多网协调角度达到节能的效果。

5G节能三级节能技术体系

设备级

站点级

网络级

       2.1 设备级 基站可分为 AAU 和 BBU 两大部分，其中AAU的功耗约占整机功耗的 90%，是基站功耗的主要组成部分。AAU 功耗按照功能模块可分为功放、小信号、数字中频和电源功耗。功耗随着业务负载的变化而变化，各功能模块的功耗比例也随之发生变化。

       功放在满载条件下，功放的功耗占比最高，平均约58%，是耗能的重要部分。因此，需进一步提升功放在整机中的工作效率，以及在低负载下保持较高效率的能力，增强DPD算法的鲁棒性，支持功放配置状态实时调整状态下线性工作。业界已有厂家采用第二代半导体材料实现降低功耗的效果，同时利用新型的结构设计，改进散热性能，提升散热效率，进而达到降低功耗的目的。

       数字中频在空载条件下，数字中频部分的功耗占比最高，平均约46%，因此需要想办法降低数字中频模块的基础功耗。目前主要的方法是通过提高数字器件的集成度（比如数字中频支持32通道）、优化数字中频处理算法，降低运算复杂度的方式来解决。芯片芯片性能对设备的功耗也非常重要，基带处理芯片需单颗支持2载波NR@64通道，同时进一步通过采取更先进的工艺来提高基带、中频芯片的处理能力，并降低芯片功耗。据了解，数字中频和基带处理部分可进一步优化算法，通过降低算法的运算复杂度来进一步达到降低功耗效果。

       2.2 站点级站点级节能方案的思路是通过对网络目前状态的识别，在保证网络质量和用户体验的前提下，通过适时关闭部分设备、小区、通道或功放等手段，或者提高冷却效率等方式，实现精细化的节能。深度休眠当5G网络中没有5G用户时，可关闭AAU中所有的可关闭的器件，包括数字中频、功放等，只保留用于唤醒的的最基本的数字电路接口，使得AAU进入深度休眠状态，以实现最大程度降低功耗的效果。深度休眠的方案适用于5G符合较低的场景或者时间段，比如一些偏远地区或者深夜时段。向深度休眠基本不影响用户体验，启动深度休眠一般为秒级，恢复唤醒约5-10分钟。此外，还可根据业务量情况，对一些忙时需要宏站和微站分担容量的区域，在闲时将微站进行深度休眠，只由宏站承担业务，实现节能降耗。小区关断对于同制式下多频网络或者4G/5G共模基站覆盖情况下，当小区内负荷较低时，可考虑关闭其中部分小区，保证当前话务需求，当符合升高时再自动开启高容量小区以快速满足话务需求，实现节能效果。通道关断当小区负荷较低时，可以按照不同的级别关闭AAU的通道，实现节能的效果。比如由64通道降到48通道，甚至16通道。关断或开启的时间颗粒度为秒级。通道关断功能主要用于已部署了 64 通道、32 通道宏基站的区域，据了解，目前实验室测试可节省约 15%的能耗。符号关断根据业务负荷，当判断下行符号无有效数据发送时，在剩下的没有有效信息传输的时间段内，关闭功率放大器等射频硬件，降低静态功耗。一般生效时间颗粒度为微秒级别。符号关断主要适用于低负荷场景，实验室测试显示整机功耗可降低10%左右。下行功率优化由于5G 支持基站下行基于用户级调整发射功率，因此可在保证用户感知不下降的前提下，减小基站对部分用户的下行发射功率，实现节能效果。液冷基站液冷散热是利用液态冷却介质的大比热容量特性快速带走设备热量的一项冷却技术。与标准的主动式空调设备相比，液冷能提升基站冷却效率，在减少能源与排放的同时，运行安静，体积最大减小50％，重量减轻30％。今年6月，诺基亚称其5G AirScale液冷基站解决方案已帮助芬兰移动运营商Elisa将其基站的潜在能源费用减少了30％，并将二氧化碳排放量减少了约80％。

       2.3 网络级网络级节能的思路是利用现网基础数据，通过内置的AI算法，确定网络节能的配置参数，包括开启策略、相关门限和时间段设置等，以实现降低现网能耗的目标。AI算法不仅可以进行初始的参数配置，还可以通过历史数据进行小区级的话务预测，从而调整节能策略，并不断进行算法的优化。网络级节能方案需要支持TD-LTE和LTE FDD、5G NR等多种网络制式下的典型基站设备，同时适用于单网或多网共存场景。可根据网络环境的不同，通过在网管端进行数据采集和大数据处理，自动识别多频多模网络状态下覆盖小区及容量小区，并进行适时小区关断和唤醒。

       2.4 技术试点效果明显今年，包括中兴和华为在内的设备商开展了多项5G节能试点测试验证，节能效果提升明显。7月，辽宁联通同中兴通讯在大连成功试点5G节能技术，其中具体验证的技术包括DTX关断（时隙关断、符号关断）、通道关断、深度休眠三大技术，同时根据不同网络场景测试了多项节能组合策略。测试结果显示，DTX关断节能技术可实现降耗10%至20%，通道关断技术可实现降耗15%至25%，深度休眠使能期间可实现平均降耗60%至80%。开启节能组合策略后，5G基站(S111)日均节电可达到10至12度，节能期间网络KPI保持稳定。华为则联合上海移动，验证采用了其节能方案（PowerStar）后的 5G单模与4G/5G双模站点节能效果，现网实测5G单模站点日均节能比例24.83%，4G/5G双模站点日均节能比例12.26%。后续将进行规模节能合作，预计全网5G站点每年可节电1500万度。

03 错峰用电及优惠政策

       目前包括贵州、山东、辽宁等在内的多地已相继出台政策，对5G基站用电试行峰谷电价，并进一步降低电价。在基站税收减免及数据中心的用地用水用电保障、建设审批、能耗指标要求等方面，加大政策支持力度。以广东为例，峰、平、谷电价时段分别为6、10、8小时，电价比例为1.65:1:0.5，其中高峰时段电价是低谷时段的三倍以上。如果是直供电站点，便可以采用智能电源，使得站点错峰运行，节约用电成本。同时，由于锂电池成本的下降，5G时代站点可能将普遍使用锂电池，而直供电已经是站点供电主流，将来站点剩余空间将由锂电池填充，不但电费降了下来，而且因为超长的备电时长，可使当前高昂的应急发电成本大幅下降。

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