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隨著中國(guó) 5G 基站部署規(guī)模的擴(kuò)大，近一年多來(lái)，5G 基站能耗驚人的說(shuō)法甚囂塵上。眾口鑠金，5G 基站似乎坐實(shí)了“電老虎”的尷尬地位。
尤其是這張某運(yùn)營(yíng)商的內(nèi)部流出照片，從中可以看出，5G AAU 和 4G RRU 的滿載功耗相差極為懸殊。
數(shù)據(jù)在此，鐵證如山，我們不得不承認(rèn)，目前 5G 的能耗確實(shí)遠(yuǎn)高于 4G。
因此在移動(dòng)的節(jié)能技術(shù)白皮書(shū)中，也明確地寫(xiě)著：“2019 年初 5G 基站功耗約為 4G 基站的 3~4 倍，高功耗是運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模部署 5G 的棘手問(wèn)題?！?/p>
聯(lián)通也在其白皮書(shū)中寫(xiě)道：“5G 基站設(shè)備能耗在單個(gè)站點(diǎn)（機(jī)房）能耗比例預(yù)計(jì)將達(dá)到 50%。因此降低 5G 基站設(shè)備能耗將是未來(lái)提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能效的重要手段之一?！?/p>
一時(shí)之間，5G 基站的能耗問(wèn)題成了眾矢之的。然而，這只是部分事實(shí)，并非全部真相！
看完本文，你將會(huì)了解：
5G 基站為什么能耗高？
基站內(nèi)哪些模塊最耗電？
目前都有哪些基站節(jié)能方案？
5G 手機(jī)有省電功能嗎？
一、能耗和能效
我們看看下面一組 5G 和 4G 的數(shù)據(jù)比較，可能會(huì)有不一樣的認(rèn)識(shí)：
首先，5G 的 Sub6G 頻段載波帶寬最大是 100MHz，而 4G 的單載波帶寬僅為 20MHz。也就是說(shuō)，5G 的載波帶寬，是 4G 的 5 倍。
然后，主流的 5G AAU 采用大規(guī)模天線陣列，擁有 64 路數(shù)據(jù)收發(fā)通道，而 4G 設(shè)備最多也就 4T4R，僅有 4 路數(shù)據(jù)收發(fā)通道。也就是說(shuō)，5G 的收發(fā)通道數(shù)，是 4G 的 16 倍。
在上述兩點(diǎn)的加持之下，5G 的小區(qū)下行峰值速率可達(dá) 7.2Gbps，而 4G 的峰值速率僅為 400Mbps（0.4Gbps）。也就是說(shuō)，5G 小區(qū)單位時(shí)間可發(fā)送的數(shù)據(jù)是 4G 的 18 倍！
5G 的傳輸速率如此之高，耗電量比 4G 多一些，就遭受如此多的非議，真是既要馬兒跑，又要馬兒不吃草啊。
對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率和能耗之間的關(guān)系，業(yè)界早有一個(gè)概念，叫做“能效”。其意思就是網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能的利用效率，能效越高，每度電能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多。
根據(jù)前面圖片中提到的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單算一下，便可知理論上 4G 每度電可下載 620 GB 的數(shù)據(jù)，而 5G 則每度電可下載 2875 GB 的數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，5G 的能效是 4G 的 4.6 倍！
因此，只看能耗，不講能效，簡(jiǎn)單地說(shuō) 5G 太過(guò)耗電是不負(fù)責(zé)任的。
但在三大運(yùn)營(yíng)商目前的 4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)中，5G 基站的產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量少，電費(fèi)占比又高確實(shí)不爭(zhēng)的事實(shí)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某地的 4/5G 網(wǎng)絡(luò)中，5G 基站的數(shù)量是 4G 基站的 1/7，5G 流量占比僅為 2%，而能耗占比卻達(dá)到了全網(wǎng)的 30%。
這不科學(xué)啊，明明是 5G 的能效高，咋能是如此不堪的實(shí)測(cè)結(jié)果呢？
原因很簡(jiǎn)單，我們目前尚處于 5G 初級(jí)發(fā)展的初級(jí)階段，網(wǎng)絡(luò)中 5G 手機(jī)少，也缺少對(duì)流量異常饑渴的殺手锏應(yīng)用，導(dǎo)致 5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上干著 4G 的活兒，根本達(dá)不到理想的網(wǎng)絡(luò)利用率。
這就像讓一個(gè)壯漢靜坐著繡花一樣，有力使不出憋得慌，縱使比小姑娘繡的好還快，可這位壯漢的飯量是小姑娘的好幾倍啊，綜合起來(lái)看就是食物的利用率不高。
從上圖可以看出，在 5G 部署初期，網(wǎng)絡(luò)的理論容量上了一個(gè)臺(tái)階，能耗也隨之大漲，但話務(wù)量還沒(méi)起來(lái)，導(dǎo)致能效處于低谷，只能眼睜睜地看著電能的流逝而創(chuàng)造不了應(yīng)有的價(jià)值。
因此，我們確實(shí)需要降低 5G 網(wǎng)絡(luò)能耗。畢竟運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增量不增收的窘境由來(lái)已久，成本能省一點(diǎn)是一點(diǎn)，何況這 5G 的流量也還沒(méi)增起來(lái)。
二、網(wǎng)絡(luò)耗電情況分析
話說(shuō)運(yùn)營(yíng)商的成本大體上分為兩大塊：資產(chǎn)支出和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。資產(chǎn)支出就是運(yùn)營(yíng)商用來(lái)買(mǎi)設(shè)備的錢(qián)，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用就是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所支出的費(fèi)用，電費(fèi)當(dāng)然屬于運(yùn)營(yíng)成本的一部分。
運(yùn)營(yíng)費(fèi)用包羅萬(wàn)象，占比多的有營(yíng)銷(xiāo)費(fèi)用，網(wǎng)間結(jié)算，人力成本，站點(diǎn)租金，設(shè)備維護(hù)等等，其中電費(fèi)約占 15%到 30%，不同運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)都不盡相同。
這些電費(fèi)是如何產(chǎn)生的呢？我們且看下面這張圖。
首先，運(yùn)營(yíng)商從電網(wǎng)取得交流電，但機(jī)房里絕大多數(shù)的設(shè)備都無(wú)法直接使用交流電，因此需要通過(guò)整流器，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有 2%到 5%的能量損失。
然后，直流電需要通過(guò)電源分配模塊，把輸入的電源分到機(jī)房?jī)?nèi)的多個(gè)設(shè)備上去，比如 BBU 一路電，每個(gè) RRU 各一路電，一般每個(gè)站點(diǎn)都會(huì)有一個(gè) BBU，以及 3 到 9 個(gè) RRU。這個(gè)過(guò)程中會(huì)有 1%到 12%的能量損失。
最后，剩余的 82%到 97%的電能被傳送到基站的 BBU 和 RRU（或者 AAU），以及傳輸設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理和傳輸，之后一部分化作天線的信號(hào)發(fā)射出去和手機(jī)通信，大部分則成為熱耗消散于無(wú)形。如果熱耗導(dǎo)致機(jī)房溫度過(guò)高，還需空調(diào)降溫，使機(jī)房的能耗更高。
基站設(shè)備是機(jī)房的核心，也是最關(guān)鍵的耗能設(shè)備。其內(nèi)包含基帶單元（BBU）和射頻單元（5G AAU）， 其中，射頻單元（AAU）約占整個(gè)基站能耗的 90%，是不折不扣的耗電大戶。
BBU 的功耗占比為 10%，且其功耗比較穩(wěn)定，一般與基站的話務(wù)量關(guān)系不大。而 AAU 的功耗則和站點(diǎn)的負(fù)荷密切相關(guān)，流量越大，功耗越高。
由上圖可以看出，AAU 中的耗能大戶是功放，小信號(hào)處理，及中頻這幾個(gè)模塊，功放是其中最關(guān)鍵的耗能器件，且負(fù)荷越高，功放的耗能占比越高。
想要讓基站更省電，首先就要讓設(shè)備本身的硬件設(shè)計(jì)省電，然后就是根據(jù)在上網(wǎng)流量低的時(shí)間段（比如凌晨）關(guān)閉基站內(nèi)的部分模塊，讓基站休眠來(lái)省電。
下面將詳細(xì)講述這些節(jié)能技術(shù)。
三、網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案
要實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能效果，不但需要從硬件上提升，還要從軟件上優(yōu)化，必要時(shí)引入大數(shù)據(jù)和人工智能來(lái)輔助?？煞譃樵O(shè)備級(jí)，站點(diǎn)級(jí)，網(wǎng)絡(luò)級(jí)這三個(gè)節(jié)能層次。
3.1 設(shè)備級(jí)節(jié)能
首先讓我們?cè)賮?lái)回顧一下 AAU 內(nèi)部各個(gè)模塊在不同負(fù)荷下的能耗占比。
要讓基站設(shè)備的能耗更低，首先得從“芯”開(kāi)始。不斷引入高集成度、高性能基帶處理、數(shù)字中頻處理芯片，配合使用高集成度收發(fā)信機(jī)，來(lái)讓這些模塊把基礎(chǔ)能耗降下來(lái)。
最直接的辦法就是，芯片的制程工藝從 28nm，14nm 向 10nm，7nm 升級(jí)，再向 5nm 發(fā)起沖擊，只為縮小面積，提升集成度，增強(qiáng)性能降低功耗！
上述的工作還遠(yuǎn)不夠，更重要的是需不斷提升功耗的扛把子器件——功放的工作效率。
功放的全稱是功率放大器（英文是 Power Amplifier，簡(jiǎn)稱 PA），其作用是把上級(jí)模塊處理過(guò)的信號(hào)功率放大，之后才能使用天線往外發(fā)射。
AAU 有一個(gè)非常重要的指標(biāo)，就是發(fā)射功率，一般在 200 到 300 多瓦，這一切的實(shí)現(xiàn)大都是功放的功勞。
功放的核心指標(biāo)則是“功放效率”。算法很簡(jiǎn)單，就是用功放的輸出功率除以輸入功率，再換算成百分比。
以下圖為例，功放的輸入功率為 1000W，最終輸出了 200W 的發(fā)射信號(hào)，可計(jì)算得出：功放效率為 20%。這個(gè)值是非常低的，為了獲得 200W 的信號(hào)功率，產(chǎn)生了 800W 的熱耗。
業(yè)界通過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，采用氮化鎵等新材料，并不斷優(yōu)化算法，最終讓 AAU 內(nèi)的功放效率提升到了 50%以上。
通過(guò)上述這些努力，可大幅降低設(shè)備的硬件本身的工作能耗。下來(lái)的站點(diǎn)級(jí)節(jié)能，就是要通過(guò)軟件算法來(lái)在空閑時(shí)間優(yōu)化或者關(guān)閉部分模塊，更進(jìn)達(dá)到更近一步省電的目的。
3.2 站點(diǎn)級(jí)節(jié)能
站點(diǎn)級(jí)節(jié)能在設(shè)備級(jí)節(jié)能的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件算法，在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)段關(guān)閉站點(diǎn)內(nèi)的部分器件來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，主要包含功放調(diào)壓，符號(hào)關(guān)閉，通道關(guān)閉，小區(qū)關(guān)閉，深度休眠等技術(shù)。
3.2.1 功放調(diào)壓
首先，我們還是從功放這個(gè)核心器件下手。
功放的工作電壓在和它的輸出功率相匹配時(shí)，效率才能達(dá)到最優(yōu)。一般來(lái)說(shuō)，功放的工作電壓是為了滿足最大機(jī)頂功率而設(shè)計(jì)的。
但在實(shí)際應(yīng)用中，往往射頻模塊的輸出功率并未完全使用，或者在閑時(shí)關(guān)閉了部分載波，從而不需要功放輸出最大功率。這樣一來(lái)，功放就無(wú)法工作在最高效率的狀態(tài)。
因此，我們需要靈活地調(diào)整功放的工作電壓，讓功放盡可能地工作在高效率狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這就是“功放調(diào)壓”技術(shù)。
功放調(diào)壓技術(shù)在 2G，3G 和 4G 階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，主要用于 RRU 的節(jié)能，在 5G 時(shí)代可以繼續(xù)發(fā)揮作用。
3.2.2 符號(hào)關(guān)閉
在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，不可能總是處于大流量狀態(tài)，總是有的時(shí)候忙一些，有的時(shí)候閑一些。這就為我們提供了節(jié)能的機(jī)會(huì)。
以 Sub6G 頻段，子載波間隔 30KHz 的 5G 小區(qū)為例，其一個(gè)時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)是 0.5 毫秒，內(nèi)含 14 個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào) 0.357 毫秒。如果某個(gè)符號(hào)沒(méi)有用戶需要發(fā)數(shù)據(jù)，那么就把功放關(guān)閉，到下一個(gè)符號(hào)時(shí)再打開(kāi)。
這個(gè)功能在實(shí)現(xiàn)時(shí)還可以更主動(dòng)一些，那就是網(wǎng)絡(luò)盡可能地把大部分用戶的數(shù)據(jù)都攢到同一個(gè)符號(hào)（同一時(shí)間）上發(fā)送，這樣其他時(shí)隙關(guān)閉的概率就大了很多。
雖然符號(hào)關(guān)閉看起來(lái)不起眼，關(guān)閉一個(gè)符號(hào)，才多大點(diǎn)時(shí)間，能省多少電？但積少成多，還是可以達(dá)到相當(dāng)?shù)氖‰娦Ч摹?/p>
3.2.3 通道關(guān)閉
5G AAU 的核心技術(shù)是 Massive MIMO，由大量的天線振子組成，內(nèi)部可支持多達(dá) 64 個(gè)功放，實(shí)現(xiàn) 64 通道的信號(hào)發(fā)射。
在早晚高峰期，多個(gè)用戶都在用手機(jī)進(jìn)行大流量業(yè)務(wù)，64 個(gè)通道的 AAU 可提供多達(dá) 16 路數(shù)據(jù)獨(dú)立發(fā)射，小區(qū)容量非常高。但到了夜深人靜的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)基本沒(méi)什么人用，這 64 通道卻還在孜孜不倦地工作，這樣確實(shí)太費(fèi)電了。
因此，可以隨著話務(wù)量的降低，逐步關(guān)閉 AAU 內(nèi)的部分通道，比如從 64 通道降低到 48 通道，再降低到 32 通道乃至 16 通道，來(lái)達(dá)到省電的目的。
3.2.4 小區(qū)關(guān)閉
一般來(lái)說(shuō)，一張無(wú)線通信網(wǎng)都是由 900M，1800M，2100M，2600M，4900M 等多個(gè)頻率層，以及 2G，3G，4G 和 5G 等多種制式組成的多頻多模網(wǎng)。
低頻段由于傳輸損耗小，穿透能力強(qiáng)，一般用作連續(xù)覆蓋層。而高頻段一般帶寬較大，但覆蓋性能不佳，一般用作容量層。
因此，在低話務(wù)時(shí)段，網(wǎng)絡(luò)非?？臻e，可以干脆關(guān)閉高頻網(wǎng)絡(luò)層小區(qū)，只使用低頻小區(qū)來(lái)提供基礎(chǔ)覆蓋。
以下圖為例，在 NSA 場(chǎng)景下，4G 小區(qū)頻段低，屬于覆蓋層，而 5G 小區(qū)頻段高，屬于容量層，用來(lái)進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋補(bǔ)充。
到了低話務(wù)時(shí)段，反正沒(méi)有什么人用，可以把 5G 小區(qū)直接關(guān)閉，4G 小區(qū)提供的覆蓋和容量也足以滿足全部業(yè)務(wù)使用。
3.2.5 深度休眠
5G 小區(qū)關(guān)閉之后，AAU 就可以進(jìn)入深度休眠模式，直接沉睡過(guò)去，實(shí)現(xiàn)極致省電。
下圖是 AAU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，可以看出，在進(jìn)入深度休眠模式之后，基帶處理，數(shù)字中頻，小信號(hào)處理，以及功放模塊這些耗電大戶都被關(guān)閉，只保留電源模塊和 eCPRI 接口單元醒著隨時(shí)待命。
3.3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能
上面的站點(diǎn)級(jí)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)夠牛了，但執(zhí)行起來(lái)還是有些不盡人意之處。
首先，有下面這些問(wèn)題需要回答：哪些站點(diǎn)可以開(kāi)通節(jié)能？在什么時(shí)間段開(kāi)啟效果好？各種節(jié)能功能關(guān)這關(guān)那的，大量的參數(shù)該如何配置優(yōu)化才能不影響下網(wǎng)絡(luò)性能？
要回答上述問(wèn)題，就需要對(duì)整網(wǎng)大量站點(diǎn)的容量，負(fù)荷，話務(wù)趨勢(shì)，參數(shù)配置進(jìn)行大量的分析，才能確定可以開(kāi)哪些節(jié)能功能，什么時(shí)間開(kāi)啟，以及參數(shù)如何設(shè)置。
即便如此，為了保障網(wǎng)絡(luò) KPI 不惡化，節(jié)能功能的開(kāi)通及參數(shù)配置往往都是非常保守的，最終取得的節(jié)能效果必然大打折扣。
在這個(gè)大數(shù)據(jù)和人工智能起飛的時(shí)代，無(wú)線通信的大量用戶無(wú)時(shí)無(wú)刻都在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，非常適合于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和人工智能（Artificial Intelligence，AI）的實(shí)施。
因此 5G 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能也需要搭載 AI 技術(shù)，讓話務(wù)預(yù)測(cè)，節(jié)能策略分析，參數(shù)優(yōu)化，效果評(píng)估的循環(huán)自動(dòng)化，智能化，從而脫離脫離低效的人工干預(yù)。
如上圖所示，AI 節(jié)能系統(tǒng)在初始數(shù)據(jù)設(shè)置完成之后，便開(kāi)始執(zhí)行。如果節(jié)能生效且網(wǎng)絡(luò) KPI 在可接受范圍，則進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能參數(shù)并試圖獲得更佳的節(jié)能效果。
如果 KPI 惡化，則要把節(jié)能參數(shù)撤回之前的版本。如此循環(huán)往復(fù)，最終使網(wǎng)絡(luò)中的所有站點(diǎn)達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)。
這一切操作，都是由機(jī)器自動(dòng)完成，從而把人從紛繁負(fù)責(zé)的低效工作中解脫出來(lái)。
更進(jìn)一步的，AI 還可以不斷分析用戶的行為，判斷用戶正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的需求，自動(dòng)把用戶分流到合適的頻率和制式。
舉例來(lái)說(shuō)，夜深人靜時(shí)，某幾個(gè)用戶在 5G 小區(qū)下，但也就是用微信在聊天，這并不需要使用 5G 網(wǎng)絡(luò)，4G 完全可以滿足需求。
于是，網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)把這些用戶遷移到 4G 小區(qū)，從而讓 5G 小區(qū)完全空閑，然后 5G 基站就可以關(guān)閉并進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。
為了省電，真是無(wú)所不用其極?。?/p>
3.4、終端級(jí)節(jié)能
上面說(shuō)的都是針對(duì)基站的節(jié)能方案，但對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商的基站費(fèi)不費(fèi)電并沒(méi)有直觀的感受，只需要上網(wǎng)速度快體驗(yàn)好，同時(shí)手機(jī)的電量能扛就行。
這不，蘋(píng)果就在 iPhone 12 上新增了一個(gè)叫做“智能數(shù)據(jù)模式”的功能，在手機(jī)的設(shè)置界面叫做“5G Auto”。
當(dāng)用戶使用需要更高速率的應(yīng)用程序時(shí)，設(shè)備將從 4G 切換到 5G；反之，當(dāng)較低速率完全能滿足要求時(shí)，連接將自動(dòng)從 5G 切換到 4G。這樣能最大化電池的使用時(shí)間。
5G 基站節(jié)能降耗，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，不單單是降低成本，更是一個(gè)企業(yè)降低碳排放，扼制全球變暖的社會(huì)責(zé)任所在。
而普通用戶，也是節(jié)能降耗中關(guān)鍵的一環(huán)。業(yè)界的一切努力，都是為了以最高的能效，向每一個(gè)用戶提供最好的服務(wù)。
好了，本期的內(nèi)容就到這里，希望對(duì)大家有所幫助。
參考文檔：
GSMA：Green is a new black
中國(guó)移動(dòng)：5G 基站節(jié)能技術(shù)白皮書(shū)
中國(guó)聯(lián)通：5G 智能節(jié)能技術(shù)白皮書(shū)
中興通訊：4G/5G 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗技術(shù)白皮書(shū)
