芯耀
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隨著中國 5G 基站部署規(guī)模的擴大，近一年多來，5G 基站能耗驚人的說法甚囂塵上。眾口鑠金，5G 基站似乎坐實了“電老虎”的尷尬地位。
尤其是這張某運營商的內(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，目前 5G 的能耗確實遠高于 4G。
因此在移動的節(jié)能技術白皮書中，也明確地寫著：“2019 年初 5G 基站功耗約為 4G 基站的 3~4 倍，高功耗是運營商大規(guī)模部署 5G 的棘手問題。”
聯(lián)通也在其白皮書中寫道：“5G 基站設備能耗在單個站點（機房）能耗比例預計將達到 50%。因此降低 5G 基站設備能耗將是未來提升無線網(wǎng)絡能效的重要手段之一?！?/p>
一時之間，5G 基站的能耗問題成了眾矢之的。然而，這只是部分事實，并非全部真相！
看完本文，你將會了解：
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，可能會有不一樣的認識：
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，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 設備最多也就 4T4R，僅有 4 路數(shù)據(jù)收發(fā)通道。也就是說，5G 的收發(fā)通道數(shù)，是 4G 的 16 倍。
在上述兩點的加持之下，5G 的小區(qū)下行峰值速率可達 7.2Gbps，而 4G 的峰值速率僅為 400Mbps（0.4Gbps）。也就是說，5G 小區(qū)單位時間可發(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。
對于數(shù)據(jù)傳輸速率和能耗之間的關系，業(yè)界早有一個概念，叫做“能效”。其意思就是網(wǎng)絡對電能的利用效率，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，5G 的能效是 4G 的 4.6 倍！
因此，只看能耗，不講能效，簡單地說 5G 太過耗電是不負責任的。
但在三大運營商目前的 4G 和 5G 網(wǎng)絡中，5G 基站的產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量少，電費占比又高確實不爭的事實。
據(jù)統(tǒng)計，在某地的 4/5G 網(wǎng)絡中，5G 基站的數(shù)量是 4G 基站的 1/7，5G 流量占比僅為 2%，而能耗占比卻達到了全網(wǎng)的 30%。
這不科學啊，明明是 5G 的能效高，咋能是如此不堪的實測結果呢？
原因很簡單，我們目前尚處于 5G 初級發(fā)展的初級階段，網(wǎng)絡中 5G 手機少，也缺少對流量異常饑渴的殺手锏應用，導致 5G 網(wǎng)絡實際上干著 4G 的活兒，根本達不到理想的網(wǎng)絡利用率。
這就像讓一個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)絡的理論容量上了一個臺階，能耗也隨之大漲，但話務量還沒起來，導致能效處于低谷，只能眼睜睜地看著電能的流逝而創(chuàng)造不了應有的價值。
因此，我們確實需要降低 5G 網(wǎng)絡能耗。畢竟運營商數(shù)據(jù)業(yè)務增量不增收的窘境由來已久，成本能省一點是一點，何況這 5G 的流量也還沒增起來。
二、網(wǎng)絡耗電情況分析
話說運營商的成本大體上分為兩大塊：資產(chǎn)支出和運營費用。資產(chǎn)支出就是運營商用來買設備的錢，運營費用就是維護網(wǎng)絡正常運轉所支出的費用，電費當然屬于運營成本的一部分。
運營費用包羅萬象，占比多的有營銷費用，網(wǎng)間結算，人力成本，站點租金，設備維護等等，其中電費約占 15%到 30%，不同運營商的數(shù)據(jù)都不盡相同。
這些電費是如何產(chǎn)生的呢？我們且看下面這張圖。
首先，運營商從電網(wǎng)取得交流電，但機房里絕大多數(shù)的設備都無法直接使用交流電，因此需要通過整流器，把交流電轉換為直流電。在這個過程中會有 2%到 5%的能量損失。
然后，直流電需要通過電源分配模塊，把輸入的電源分到機房內(nèi)的多個設備上去，比如 BBU 一路電，每個 RRU 各一路電，一般每個站點都會有一個 BBU，以及 3 到 9 個 RRU。這個過程中會有 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），以及傳輸設備來驅動數(shù)據(jù)處理和傳輸，之后一部分化作天線的信號發(fā)射出去和手機通信，大部分則成為熱耗消散于無形。如果熱耗導致機房溫度過高，還需空調(diào)降溫，使機房的能耗更高。
基站設備是機房的核心，也是最關鍵的耗能設備。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，一般與基站的話務量關系不大。而 AAU 的功耗則和站點的負荷密切相關，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，小信號處理，及中頻這幾個模塊，功放是其中最關鍵的耗能器件，且負荷越高，功放的耗能占比越高。
想要讓基站更省電，首先就要讓設備本身的硬件設計省電，然后就是根據(jù)在上網(wǎng)流量低的時間段（比如凌晨）關閉基站內(nèi)的部分模塊，讓基站休眠來省電。
下面將詳細講述這些節(jié)能技術。
三、網(wǎng)絡節(jié)能方案
要實現(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，必要時引入大數(shù)據(jù)和人工智能來輔助?？煞譃樵O備級，站點級，網(wǎng)絡級這三個節(jié)能層次。
3.1 設備級節(jié)能
首先讓我們再來回顧一下 AAU 內(nèi)部各個模塊在不同負荷下的能耗占比。
要讓基站設備的能耗更低，首先得從“芯”開始。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，來讓這些模塊把基礎能耗降下來。
最直接的辦法就是，芯片的制程工藝從 28nm，14nm 向 10nm，7nm 升級，再向 5nm 發(fā)起沖擊，只為縮小面積，提升集成度，增強性能降低功耗！
上述的工作還遠不夠，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，簡稱 PA），其作用是把上級模塊處理過的信號功率放大，之后才能使用天線往外發(fā)射。
AAU 有一個非常重要的指標，就是發(fā)射功率，一般在 200 到 300 多瓦，這一切的實現(xiàn)大都是功放的功勞。
功放的核心指標則是“功放效率”。算法很簡單，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，可計算得出：功放效率為 20%。這個值是非常低的，為了獲得 200W 的信號功率，產(chǎn)生了 800W 的熱耗。
業(yè)界通過堅持不懈的努力，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。
通過上述這些努力，可大幅降低設備的硬件本身的工作能耗。下來的站點級節(jié)能，就是要通過軟件算法來在空閑時間優(yōu)化或者關閉部分模塊，更進達到更近一步省電的目的。
3.2 站點級節(jié)能
站點級節(jié)能在設備級節(jié)能的基礎上，通過軟件算法，在網(wǎng)絡空閑時段關閉站點內(nèi)的部分器件來實現(xiàn)節(jié)能效果，主要包含功放調(diào)壓，符號關閉，通道關閉，小區(qū)關閉，深度休眠等技術。
3.2.1 功放調(diào)壓
首先，我們還是從功放這個核心器件下手。
功放的工作電壓在和它的輸出功率相匹配時，效率才能達到最優(yōu)。一般來說，功放的工作電壓是為了滿足最大機頂功率而設計的。
但在實際應用中，往往射頻模塊的輸出功率并未完全使用，或者在閑時關閉了部分載波，從而不需要功放輸出最大功率。這樣一來，功放就無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)，從而達到節(jié)能的目的。這就是“功放調(diào)壓”技術。
功放調(diào)壓技術在 2G，3G 和 4G 階段已經(jīng)被廣泛應用，主要用于 RRU 的節(jié)能，在 5G 時代可以繼續(xù)發(fā)揮作用。
3.2.2 符號關閉
在網(wǎng)絡運行中，不可能總是處于大流量狀態(tài)，總是有的時候忙一些，有的時候閑一些。這就為我們提供了節(jié)能的機會。
以 Sub6G 頻段，子載波間隔 30KHz 的 5G 小區(qū)為例，其一個時隙的時長是 0.5 毫秒，內(nèi)含 14 個符號，每個符號 0.357 毫秒。如果某個符號沒有用戶需要發(fā)數(shù)據(jù)，那么就把功放關閉，到下一個符號時再打開。
這個功能在實現(xiàn)時還可以更主動一些，那就是網(wǎng)絡盡可能地把大部分用戶的數(shù)據(jù)都攢到同一個符號（同一時間）上發(fā)送，這樣其他時隙關閉的概率就大了很多。
雖然符號關閉看起來不起眼，關閉一個符號，才多大點時間，能省多少電？但積少成多，還是可以達到相當?shù)氖‰娦Ч摹?/p>
3.2.3 通道關閉
5G AAU 的核心技術是 Massive MIMO，由大量的天線振子組成，內(nèi)部可支持多達 64 個功放，實現(xiàn) 64 通道的信號發(fā)射。
在早晚高峰期，多個用戶都在用手機進行大流量業(yè)務，64 個通道的 AAU 可提供多達 16 路數(shù)據(jù)獨立發(fā)射，小區(qū)容量非常高。但到了夜深人靜的時候，網(wǎng)絡基本沒什么人用，這 64 通道卻還在孜孜不倦地工作，這樣確實太費電了。
因此，可以隨著話務量的降低，逐步關閉 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，來達到省電的目的。
3.2.4 小區(qū)關閉
一般來說，一張無線通信網(wǎng)都是由 900M，1800M，2100M，2600M，4900M 等多個頻率層，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，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，在低話務時段，網(wǎng)絡非?？臻e，可以干脆關閉高頻網(wǎng)絡層小區(qū)，只使用低頻小區(qū)來提供基礎覆蓋。
以下圖為例，在 NSA 場景下，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，用來進行熱點覆蓋補充。
到了低話務時段，反正沒有什么人用，可以把 5G 小區(qū)直接關閉，4G 小區(qū)提供的覆蓋和容量也足以滿足全部業(yè)務使用。
3.2.5 深度休眠
5G 小區(qū)關閉之后，AAU 就可以進入深度休眠模式，直接沉睡過去，實現(xiàn)極致省電。
下圖是 AAU 的內(nèi)部結構圖，可以看出，在進入深度休眠模式之后，基帶處理，數(shù)字中頻，小信號處理，以及功放模塊這些耗電大戶都被關閉，只保留電源模塊和 eCPRI 接口單元醒著隨時待命。
3.3 網(wǎng)絡級節(jié)能
上面的站點級節(jié)能技術已經(jīng)夠牛了，但執(zhí)行起來還是有些不盡人意之處。
首先，有下面這些問題需要回答：哪些站點可以開通節(jié)能？在什么時間段開啟效果好？各種節(jié)能功能關這關那的，大量的參數(shù)該如何配置優(yōu)化才能不影響下網(wǎng)絡性能？
要回答上述問題，就需要對整網(wǎng)大量站點的容量，負荷，話務趨勢，參數(shù)配置進行大量的分析，才能確定可以開哪些節(jié)能功能，什么時間開啟，以及參數(shù)如何設置。
即便如此，為了保障網(wǎng)絡 KPI 不惡化，節(jié)能功能的開通及參數(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。
在這個大數(shù)據(jù)和人工智能起飛的時代，無線通信的大量用戶無時無刻都在網(wǎng)絡中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，非常適合于大數(shù)據(jù)的應用和人工智能（Artificial Intelligence，AI）的實施。
因此 5G 的網(wǎng)絡節(jié)能也需要搭載 AI 技術，讓話務預測，節(jié)能策略分析，參數(shù)優(yōu)化，效果評估的循環(huán)自動化，智能化，從而脫離脫離低效的人工干預。
如上圖所示，AI 節(jié)能系統(tǒng)在初始數(shù)據(jù)設置完成之后，便開始執(zhí)行。如果節(jié)能生效且網(wǎng)絡 KPI 在可接受范圍，則進一步優(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，最終使網(wǎng)絡中的所有站點達到最佳的節(jié)能狀態(tài)。
這一切操作，都是由機器自動完成，從而把人從紛繁負責的低效工作中解脫出來。
更進一步的，AI 還可以不斷分析用戶的行為，判斷用戶正在進行的業(yè)務對網(wǎng)絡能力的需求，自動把用戶分流到合適的頻率和制式。
舉例來說，夜深人靜時，某幾個用戶在 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，4G 完全可以滿足需求。
于是，網(wǎng)絡主動把這些用戶遷移到 4G 小區(qū)，從而讓 5G 小區(qū)完全空閑，然后 5G 基站就可以關閉并進入深度休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。
為了省電，真是無所不用其極啊！
3.4、終端級節(jié)能
上面說的都是針對基站的節(jié)能方案，但對于普通用戶來說，對運營商的基站費不費電并沒有直觀的感受，只需要上網(wǎng)速度快體驗好，同時手機的電量能扛就行。
這不，蘋果就在 iPhone 12 上新增了一個叫做“智能數(shù)據(jù)模式”的功能，在手機的設置界面叫做“5G Auto”。
當用戶使用需要更高速率的應用程序時，設備將從 4G 切換到 5G；反之，當較低速率完全能滿足要求時，連接將自動從 5G 切換到 4G。這樣能最大化電池的使用時間。
5G 基站節(jié)能降耗，對運營商來說，不單單是降低成本，更是一個企業(yè)降低碳排放，扼制全球變暖的社會責任所在。
而普通用戶，也是節(jié)能降耗中關鍵的一環(huán)。業(yè)界的一切努力，都是為了以最高的能效，向每一個用戶提供最好的服務。
好了，本期的內(nèi)容就到這里，希望對大家有所幫助。
參考文檔：
GSMA：Green is a new black
中國移動：5G 基站節(jié)能技術白皮書
中國聯(lián)通：5G 智能節(jié)能技術白皮書
中興通訊：4G/5G 網(wǎng)絡節(jié)能降耗技術白皮書
