5G基础配套设施高功耗问题的优化策略分析

9月9日，中国电信和中国联通宣布将在全国范围内合作共建一张5g接入网络，运营商希望以较低的投入快速形成5g服务能力，增强市场竞争力，提升网络效益和资产运营效率。
不同于行业对轰轰烈烈的5g产业应用散发出来的热情，运营商目前还没有探索到能够带来新增长点的产业应用和商业模式，初期5g仍主要聚焦toc用户（个人客户）。同时，5g设备能力大幅提升，单比特的投资和维护虽然都有所降低，但由于总额的提升，规模建设除了大量的资本性支出，更意味着数倍的电费支出，高功耗已成为运营商规模建设5g的阻力之一。
5g无线网功耗现状分析
目前5g无线网主设备普遍采用支持100mhz带宽的64t64r设备，相比4g网络，提供了超过60倍的小区峰值吞吐率能力，但与此同时，5g设备的整体功耗也达到4g设备的3倍左右，如图1所示。
首先，相比4g天馈系统，5g的aau设备具有更多的天线单元阵列，大规模天线的波束赋形功能也将增加更多的功耗；其次，64t64r设备采用是64个小功放（pa）器件，高频段、小功率的pa器件产业成熟度相对较低，整机效率较4g使用的40w、60w等功放效率偏低；最后，4g时期使用的cpri接口（rru和bbu之间的传输接口）由于带宽要求高无法支撑5g规模建设，因此，5g采用了ecpri接口，基带功能部分迁移到aau，进一步提高aau数字部分大带宽多通道处理要求，功耗面临更大挑战。
图1 5g aau与4g rru各项功耗占比
5g无线网设备功耗分为计算功耗、传输功耗和额外功耗。计算功耗是指bbu消耗的电量，包括数字处理部分、管理和控制、与核心网和其他基站间通信等相关功耗；传输功耗是指功率放大器和射频（rf）部分所消耗的电量，其主要执行基带信号与无线信号之间的信号转换；额外功耗是指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中额外损失的电量，也包括机房空调、制冷设备所消耗的电量。
根据5g外场测试，各厂家aau的峰值功耗都在1000w以上，平均情况如表1所示。
表1 厂家设备功耗平均值（根据最新的外场测试结果）
注：bbu功耗与aau连接数紧关联，上表测试为1个bbu+3个aau场景
在移动通信网络中，基站是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站设备机房；在基站设备机房中，基站设备的能耗占机房设备耗电比例超过50%；在基站设备中，aau耗电超过了基站设备耗电比例的80%，如图2所示。5g设备的高功耗也对市电引入、机房制冷提出了更高要求。根据以上分析，能耗控制应重点关注机房整体能耗以及aau能耗。
图25g网络功耗分布情况
根据典型电费单价估算，一个5g标准站（1个bbu+3个aau）的电费在直供电场景下，单站年电费将达到2万元，在转供电场景下，单站年电费将达到3万元，是4g同类站点的3倍左右。
同时，由于5g网络的频段较高（中国电信和中国联通是3.5ghz、中国移动是2.6ghz和4.9ghz），相比原来4g频段有较大提升，预计中远期的5g站点规模将达到4g的1.5~3倍。因此，虽然5g设备能力相比4g有了大幅的提升，但设备功耗也有数倍级增加，对市电引入、蓄电池建设等方面提出更高的要求，将大幅增加运营商的capex和opex。能否有效降低5g网络的整体能耗，将影响5g规模商用和产业化进程。整体能耗的降低不仅需要主设备厂家优化产品设备和算法，也需要围绕基础配套建设开展优化。
设备优化策略
设备优化主要有硬件优化和算法优化两类。
在硬件优化方面，根据上面的分析，设备层面重点优化aau功耗，关注专用基带芯片开发及高集成度trx（收发信机）研发与应用，如图3所示。
图3 目前商用aau的功耗组成
总体优化方向重点分为几个方面。首先，采用gan（氮化镓）功放，gan是近年较受关注的新型半导体材料，相比传统的半导体，用gan材料制作的晶体管在输出功率效率、耐压耐温等方面都具有传统半导体材料无可比拟的特性，利用gan功放可实现更大带宽、更高放大器增益和更高能效。
表2节能算法分析
基础配套设施优化策略
除了设备层面的优化之外，开展以下几种新型基础配套设施的建设，也可进一步降低因高能耗产生的额外投资及运维成本。
一是外市电引入，采用削峰填谷技术和宏站集中供电方式，可降低整体外市电改造费用。
二是削峰填谷技术，根据5g设备功耗随话务量波动的特性，通过在用电高峰期蓄电池对市电进行补偿供电，在用电低谷期对蓄电池充电的方式，市电整体容量可提升15%~30%，在保障供电的前提下减少对存量站的市电改造投资。
三是宏站集中供电方式，集中供电方案是选取区域内市电容量充裕的基站作为中心基站，利用光电复合缆为周边基站提供电力服务，这样既能降低周边基站市电和蓄电池扩容改造成本，又能缩短建设周期，提高供电可靠性。此类建设方式适用于产业园/工业园、大学城等站点密集区域，如图4所示。
图4宏站集中远供电示意图
新型bbu机架的应用
在bbu集中机房内，各厂家设备混合部署，bbu设备尺寸、气流组织不统一，局部过热加重机房热岛效应。5g bbu功耗约为4g的2~3倍，在不采取散热措施的情况下，5g bbu集中机房的使用效率仅为4g的60%左右。同时，由于设备功耗提升导致的制冷条件不足，需对空调进行扩容，进一步增加电源系统的容量和用电需求。根据以上情况，可根据不同应用场景，采用新型的bbu机架，从而提高散热效果，提高机房利用率，降低对机房整体制冷的需求，如表3所示。
对于大集中机房而言，机房内整体制冷效果好，5g bbu集中放置会导致局部热量集中，相邻机架间有可能出现风道串联，bbu一侧温度过高。可采用竖插型bbu机架，利用bbu自身风扇将热风向上吹，相邻设备间配有专门的风道，将冷热风隔离，bbu出风口的高温气体能通过风道及时排出机架外。通过试点测试分析，可看到新型竖装bbu机架可大幅降低周边温度，提高整体机架的利用效率。
表3 新型竖装bbu机架温度测试对比
在小集中机房内，机房制冷效果一般，bbu集中放置造成的热量过高不仅会影响机柜内设备正常运行，还会使整个机房的温度升高，影响其他设备工作。新型一体化bbu集中机柜，采用机架式精密空调制冷，并一键式配备应急系统、配电单元与gps共享设备，克服机房制冷效果不佳对bbu散热带来的影响。这一方式可降低机房pue值，从而降低30%~40%的机房整体电费支出，如表4、表5所示。
表4新型一体化bbu集中机柜温度对比
表5 新型一体化bbu集中机柜年耗电量及成本计算对比
5g无线网的高功耗已经成为5g规模商用和产业成熟的阻力之一， 5g的超高性能将给人们的生活与生产带来革新，但也需要绿色5g来推动规模建设进程，这并不是单一方面的优化可以实现，而是需要产业链各环节的共同努力。进一步降低5g无线网功耗，需要重点关注主设备和配套设计方案，围绕新型材料/元器件的研发、算法优化、新型配套设施研发等多个环节开展研究及产业推进。
来源；通信世界