5G基站耗电太多，有什么办法可以省电？

2022-03-25

随着我国5G基站部署规模的扩大，近一年多来关于5G基站惊人能耗的议论层出不穷。所谓口碑，5G基站似乎意识到了“电老虎”的尴尬地位。

特别是这张某运营商内部流出的照片显示，某供应商的5G AAU满载功耗高达1127瓦，而4G RRU只有290瓦。这两个值的差别是天壤之别。

数据就在这里，证据是压倒性的。不得不承认，目前5G的能耗确实比4G高很多。

因此，在移动节能技术白皮书中，也明确写到：“2019年初，5G基站的功耗约为4G基站的3~4倍。高功耗是个难点。”运营商大规模部署5G的问题。”

联通也在其白皮书中写道：“5G基站设备的能耗预计将达到单站点（机房）能耗的50%。因此，降低5G基站设备的能耗将是一未来提高无线网络能效的重要手段。”

一时间，5G基站的能耗成为众矢之的。然而，这只是部分真相基站能耗管理，并非全部真相！

看完这篇文章，你会知道：

一、能源消耗和能源效率

我们来看看下面这组5G和4G的数据对比，大家可能会有不同的理解：

首先，5G的Sub6G频段最大载波带宽为20MHz，而4G的单载波带宽仅为20MHz。也就是说，5G的载波带宽是4G的5倍。

那么主流的5G AAU采用大规模天线阵列，有64个数据收发通道，而4G设备最多只有4T4R，只有4个数据收发通道。也就是说，5G的收发通道数是4G的16倍。

在以上两点的支持下，5G小区的下行峰值速率可以达到7.2Gbps，而4G的峰值速率仅为（0.4Gbps）。也就是说，一个5G小区单位时间内可以发送的数据量是4G的18倍！

5G的传输速率那么高，功耗比4G多一点，所以饱受诟病。它确实需要马奔跑而不是吃草。

对于数据传输速率与能耗的关系，业界早就有一个概念，叫做“能效”。指网络对电能的利用效率。能源效率越高，每千瓦时电能传输的数据就越多。

根据上图提到的数据简单计算可以看出，4G理论上每千瓦时可以下载620GB的数据，而5G每千瓦时可以下载的数据。换句话说，5G 的能源效率是 4G 的 4.6 倍！

所以，单纯说5G耗电太多，只看能耗，不看能效，是不负责任的。

但在目前三大运营商的4G、5G网络中，5G基站产生的数据量少、电费占比高已是不争的事实。

据统计，在某地4/5G网络中，5G基站数量是4G基站数量的1/7，5G流量仅占2%，能耗占30%整个网络。

这是不科学的。显然，5G具有很高的能源效率。怎么会是这样难以忍受的测量结果？

原因很简单。我们仍处于 5G 发展的初级阶段。网络中的5G手机很少，也缺乏对流量极度渴求的杀手级应用。结果，5G网络实际上是在做4G的工作，一点都不理想。网络利用率。

就好像让一个壮汉静坐绣花一样，他不禁感到恐慌。哪怕比小姑娘的绣花还要快，那壮汉的胃口，也是小姑娘的数倍。总的来说，就是食物。利用率不高。

从上图可以看出，在5G部署初期，网络的理论容量上升到了一个新的水平，能耗也急剧上升，但流量还没有增加，导致低能效，只能看耗电。擦肩而过，没有创造它应得的价值。

所以我们确实需要降低 5G 网络的能耗。毕竟运营商数据业务不增加收入的困境由来已久，成本可以节省一点，更何况5G流量还没有增加。

二、网络功耗分析

据说运营商的成本一般分为资本支出和运营费用两部分。资产支出是运营商用来购买设备的钱，运营费用是维持网络正常运行的费用。当然，电力是运营成本的一部分。

运营费用包罗万象，包括营销费用、网间结算、人工成本、场地租金、设备维护等，其中电费占15%~30%左右，不同运营商数据不同。

这些电费是怎么产生的？让我们看看下面的图片。

首先，运营商从电网获取交流电，但机房内大部分设备无法直接使用交流电，需要通过整流器将交流电转换为直流电。在这个过程中有 2% 到 5% 的能量损失。

然后，直流电源需要经过配电模块，将输入的电源分配给机房内的多个设备，例如一个BBU电源，每个RRU一个电源。通常，每个站点将有一个 BBU 和 3 到 9 个 RRU。. 在这个过程中有 1% 到 12% 的能量损失。

最后将剩余的82%~97%的功率传输给基站的BBU和RRU（或AAU），以及传输设备驱动数据处理和传输，然后将部分信号作为天线是通过传输与手机进行通信的，大部分都是无形中变成散热的。如果热量消耗导致机房温度过高，还需要使用空调对机房进行降温，使机房能耗更高。

基站设备是机房的核心，也是最关键的耗能设备。它包括一个基带单元（BBU）和一个射频单元（5G AAU）。其中，射频单元（AAU）约占整个基站能耗的90%。

BBU的功耗占10%，其功耗比较稳定，一般与基站的业务量无关。AAU 的功耗与站点的负载密切相关。流量越大，功耗越高。

从上图可以看出，AAU中主要耗能的是功率放大器、小信号处理和中频模块。功放是最关键的耗能设备，负载越高，功放的功耗比就越高。.

让基站更省电，首先设备本身的硬件设计要做到省电，然后根据上网流量低的时段关闭基站中的一些模块（比如如清晨），基站应休眠以节省电量。

下面详细介绍这些节能技术。

三、网络节能解决方案

要达到基站的节能效果，不仅要完善硬件，还要优化软件，必要时引入大数据和人工智能辅助。可分为设备级、站点级、网络级三个节能级别。

3.1 设备级节能

首先我们来回顾一下AAU中各个模块在不同负载下的能耗比。

让基站设备能耗更低，首先要从“核心”做起。不断推出高集成度、高性能的基带处理和数字中频处理芯片，并采用高集成度收发器来降低这些模块的基础能耗。

最直接的办法就是将芯片的制程工艺从28nm、14nm升级到10nm、7nm，再到5nm，就是为了缩小面积，提高集成度，提升性能，降低功耗！

上述工作还远远不够，更重要的是功放的工作效率需要不断提高功耗。

功放的全称是功率放大器（英文Power，简称PA），它的作用是将上级模块处理后的信号的功率放大，然后可以用天线来发射。

AAU有一个很重要的指标，就是发射功率，一般在200到300瓦之间。这一切的实现多半要归功于功放。

功放的核心指标是“功放效率”。算法很简单，就是用功放的输出功率除以输入功率，然后换算成百分比。

下图是一个例子。功放输入功率为1000W，最终输出信号为200W。可以计算出功率放大器的效率为20%。这个值非常低，导致需要800W的热量才能获得200W的信号功率。

业界通过不懈努力，采用氮化镓等新材料，不断优化算法，最终将AAU中的功放效率提升至50%。

通过上述努力，可以大大降低设备硬件本身的工作能耗。下一个站点级节能是通过软件算法在空闲时间优化或关闭部分模块，进一步达到进一步节能的目的。

3.2 站点级节能

站点级节能是基于设备级节能。通过软件算法，在网络空闲期间关闭站点中的部分设备，以达到节能效果。主要包括功放稳压、符号关断、通道关断、单元关断、深度睡眠等技术。

3.2.1 功放稳压

首先，我们还是从功放的核心器件说起。

当功放的工作电压与其输出功率相匹配时，可以优化效率。一般来说，功放的工作电压是按照最大机顶功率来设计的。

但是在实际应用中，射频模块的输出功率往往没有得到充分利用，或者在空闲时关闭部分载波，使得功放不需要输出最大功率。结果，功率放大器无法工作在最高效率状态。

因此，我们需要灵活调整功放的工作电压，使功放尽可能的工作在高效状态，从而达到节能的目的。这就是“放大器稳压”技术。

功放稳压技术已广泛应用于2G、3G、4G阶段，主要用于RRU的节能，可在5G时代继续发挥作用。

3.2.2 符号关闭

在网络运行中，不可能一直处于流量大的状态，总是时而忙时而空闲。这让我们有机会节省能源。

以子载波间隔为30KHz的Sub6G频段的5G小区为例，一个时隙的持续时间为0.5毫秒，包含14个符号，每个符号为0.357毫秒。如果某个符号不需要用户发送数据，则关闭功放，下一个符号时再开启。

这个功能在实现上也可以更加主动，即网络将大部分用户数据保存到同一个符号（同时）发送，这样其他时隙被关闭的概率就高很多。

虽然符号关闭看起来不起眼，但是关闭一个符号需要多长时间，可以节省多少电量？但是加起来很多，还是可以达到相当的省电效果。

3.2.3 通道关闭

5G AAU的核心技术是MIMO，由大量天线元件组成，内部最多可支持64个功放，实现64通道信号传输。

在早晚高峰时段，很多用户都在使用手机进行大流量服务。64路AAU最多可提供16路独立数据传输，信元容量非常高。但是在夜深人静的时候，网络基本没用，64个频道还在不知疲倦地工作，实在是太耗电了。

因此，随着业务量的减少，可以逐渐关闭AAU中的一些通道，例如从64通道到48通道，再到32通道甚至16通道，从而达到省电的目的。

3.2.4 社区关闭

一般来说，无线通信网络是由900M、1800M、2100M、2600M、4900M以及2G、3G、4G、5G等多个频率层组成的多频多模网络。

低频段由于传输损耗小，穿透能力强，一般用作连续覆盖层。高频段一般带宽较大，但覆盖性能较差，一般用作容量层。

因此，在低业务量时期，网络非常空闲，可以简单地关闭高频网络层小区，只使用低频小区提供基本覆盖。

下图是一个例子。NSA场景下，4G小区频段低，属于覆盖层，5G小区频段高，属于容量层，用于补充热点覆盖。

在低流量时期，反正没人用，所以可以直接关闭5G小区，4G小区提供的覆盖和容量足以满足所有业务使用。

3.2.5 深度睡眠

5G小区关闭后，AAU可以进入深度睡眠模式，直接休眠过去，实现极致省电。

下图是AAU的内部结构。可以看到，进入深度睡眠模式后，基带处理、数字中频、小信号处理、功放模块全部关闭，只有电源模块和eCPRI接口单元保持唤醒。随时待命。

3.3 网络级省电

上述站点级节能技术已经足够好，但在实施中还存在一些不足。

首先，需要回答以下问题：哪些站点可以开启节能？什么时候开机比较好？各种节能功能被禁用。大量的参数应该如何配置和优化，才不会影响网络性能？

要回答上述问题，需要对全网大量站点的容量、负载、流量趋势、参数配置等进行分析，确定哪些节能功能可以开启，何时开启，如何开启。设置参数。

即便如此，为了保证网络KPI不恶化，节能功能的激活和参数配置往往非常保守，最终的节能效果会大打折扣。

在这个大数据和人工智能起飞的时代，大量的无线通信用户无时无刻不在网络中产生海量数据，非常适合大数据的应用和人工智能（AI）的落地。

因此，5G网络节能也需要搭载AI技术，让流量预测、节能策略分析、参数优化、效果评估的周期实现自动化、智能化，摆脱低效的人工干预。

如上图所示，AI节能系统在初始数据设置完成后开始执行。如果节能生效且网络KPI在可接受范围内，则进一步优化节能参数，争取更好的节能效果。

如果 KPI 恶化，则应从旧版本中撤消节能参数。这样，网络中的所有站点最终都可以达到最佳的节能状态。

所有这些操作都是由机器自动完成的，从而将人们从繁复而负责的低效工作中解放出来。

此外，人工智能可以持续分析用户行为，确定用户正在进行的业务的网络能力需求，并自动将用户分配到适当的频率和格式。

比如深夜，几个5G用户在一个5G小区，却在用微信聊天。这不需要使用5G网络，4G完全可以满足需求。

因此，网络主动将这些用户迁移到4G小区，使5G小区完全空闲，然后可以关闭5G基站进入深度睡眠状态以节省电量。

为了省电，真的是什么都要做！

3.4、终端级节能

以上都是基站的节能方案，但是对于普通用户来说，并没有直观的感觉运营商的基站费是免电费的。他们只需要快速的互联网访问速度和良好的体验。同时可以携带手机的电量。

不，苹果在 12 上添加了一个名为“智能数据模式”的功能，在手机的设置界面中称为“5G Auto”。

当用户使用需要更高速率的应用时，设备会从4G切换到5G；反之，当较低的速率完全够用时，连接会自动从 5G 切换到 4G。这可以最大限度地延长电池寿命。

5G基站节能降耗。对于运营商而言，不仅是降低成本，更是将减少碳排放、遏制全球变暖作为企业的社会责任。

而普通用户也是节能降耗的关键部分。行业的所有努力，旨在以最低的能源效率为每一位用户提供最好的服务。

好了，这个问题就到这里了，希望对你有帮助。

参考文档：

GSMA：绿色是新的黑色

中国移动：5G基站节能技术白皮书

中国联通：5G智能节能技术白皮书

中兴通讯：4G/5G网络节能降耗技术白皮书