能耗一直被業(yè)界認為是5G網(wǎng)絡大規(guī)模建設的“攔路虎”。相比于4G基站，5G基站耗電大約是其3倍，而要實現(xiàn)全面覆蓋，5G基站數(shù)也比4G多出3倍左右?！盎靖吖牟粌H給運營商建設運維帶來挑戰(zhàn)，同時對設備、器件研發(fā)過程中的PCB（印制電路板）布局、散熱、可靠性設計也帶來巨大挑戰(zhàn)，因此基站能耗的降低是全產(chǎn)業(yè)鏈需共同攻克的難題。”中國移動研究院無線與終端技術研究所主任研究員陳卓表示。

5G基站功耗承載效率約為4G的5倍

5G無線網(wǎng)能耗主要由基站、空調和電源等組成，5G基站能耗占比約為50%～60%，是5G無線網(wǎng)能耗的主要組成部分，而5G基站能耗又可以分為AAU和BBU兩大部分，AAU能耗約占5G基站能耗的90%，是5G基站能耗的主要組成部分。

陳卓表示，由于5G的小區(qū)帶寬是4G的5倍以上，且室外主要使用復雜度較高的Massive MIMO設備，導致5G基站能耗較高。以中國移動2.6GHz頻段為例，5G基站信號帶寬為160MHz，可同時提供4G和5G服務，相比4G的60MHz，帶寬提升為原來的2.67倍，峰值速率提升為原來的15倍，發(fā)射功率變?yōu)樵瓉淼?倍（由4G的120W提升為240W），導致總功耗增加。

同時，Massive MIMO技術的應用導致收發(fā)通道數(shù)增加，5G典型的Massive MIMO設備通道數(shù)相比4G設備大幅增加。陳卓表示，通道數(shù)增加將導致數(shù)字中頻、射頻小信號的功耗顯著增加；每個通道的功放布板面積受限，高集成度的封裝帶來片內匹配電路設計難度增加，插損加大，導致5G AAU整機效率下降；通道數(shù)增加使得基帶處理計算量顯著增加，導致其功耗上升。

“雖然能耗絕對值在增加，但5G單位bit承載效率相比4G大幅提升。5G（160MHz）相比4G（60MHz）設備吞吐量提升15倍，單位bit流量功耗僅為4G的1/5左右，也就是說5G基站功耗承載效率約為4G的5倍?！标愖空J為，絕對功耗值不容忽視，需要產(chǎn)業(yè)不斷通過技術進步和綜合節(jié)能方案應用降低能耗。

值得注意的是，隨著5G網(wǎng)絡的部署，4G/5G共模的設備形態(tài)將會越來越多，相比于單模設備而言，共模設備發(fā)射功率較單模設備更高，因此功耗會增加。除此之外，共模設備的硬件工藝、軟件功能實現(xiàn)及網(wǎng)絡運營更為復雜，一些先進節(jié)能技術需要聯(lián)合考慮4G和5G，仍需攻關解決。

深度休眠不會影響5G用戶體驗

此前，中國聯(lián)通洛陽分公司發(fā)布的一則快訊引起了業(yè)界廣泛關注——《洛陽聯(lián)通通過AAU深度休眠降低5G基站能耗》，稱為解決5G基站能耗引起的運營成本與用戶收入之間的沖突，洛陽聯(lián)通網(wǎng)絡管理中心對已經(jīng)入網(wǎng)的5G基站射頻單元（AAU）分不同時段定時開啟深度休眠功能，從而實現(xiàn)智能化基站設備能耗管控的目的。

許多人在看這則消息后思考，難道只能通過關電的方法降低5G基站能耗？也有人在猜測，5G基站定時休眠是否會影響用戶體驗？對此，陳卓回答道：“‘關電’是降低5G基站能耗的方式之一，而5G用戶體驗基本不受深度休眠功能影響?！笔紫?，該功能只在夜間5G業(yè)務量很低的場景才會啟用，比如具有典型潮汐效應的場景（商圈、工廠、辦公樓等）；網(wǎng)絡側也會實時監(jiān)測業(yè)務負荷變化情況，如有突發(fā)業(yè)務需求，5G網(wǎng)絡也會及時恢復工作。其次，從無線網(wǎng)節(jié)能角度來說，運營商還可充分利用5G頻率資源，當網(wǎng)絡業(yè)務量較低時，通過休眠容量層高功耗設備，僅保留覆蓋層功耗低的設備，此時5G用戶體驗更不會受到影響。

陳卓表示，深度休眠是通過關閉AAU的功放、絕大部分射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的數(shù)字接口電路工作，AAU功耗可降低至100W～300W，相比設備正常運行時的功耗下降非常明顯（約70%~90%），且該功能基本不影響用戶體驗，可靠性高，不影響設備使用壽命，是站點級節(jié)能的重要功能之一。當用戶數(shù)大規(guī)模增長后，也會結合用戶行為考慮基站休眠生效時段，另外，可同步考慮其它技術手段，降低5G基站能耗。

還有人認為，5G應用不夠普及也是5G網(wǎng)絡難以降低功耗的原因。那么在現(xiàn)階段，提升終端用戶數(shù)是否是降低5G網(wǎng)絡能耗的有效辦法？用戶越多，應用越普及，5G成本能否隨之降低？陳卓認為，5G網(wǎng)絡承載能力很高，并且5G大規(guī)模天線引入了多用戶配對等關鍵算法以成倍的提升無線資源承載效率，當用戶數(shù)增多時，隨著應用逐漸普及，5G頻譜效率會大幅提升，可充分利用5G網(wǎng)絡資源，相應的5G單位bit承載效率會大幅提升。但是5G網(wǎng)絡能耗絕對值不會降低，而設備級、站點級和網(wǎng)絡級節(jié)能是降低5G網(wǎng)絡能耗絕對值的有效手段。

中國移動構建全面節(jié)能技術體系

陳卓介紹道，目前中國移動的節(jié)能技術體系主要分為3個層面，即設備級、站點級和網(wǎng)絡級。首先，設備級節(jié)能重點從硬件架構和器件設計方面優(yōu)化功耗，具體包含“新架構、新材料、新指標”3方面。

在新架構方面，主要提出通過架構優(yōu)化實現(xiàn)節(jié)能目標：一是提出天線與射頻濾波器一體化設計方案，通過減少內部損耗實現(xiàn)功耗下降；二是基于“升無源、降有源”的思路，降低功率譜密度，用天線增益彌補發(fā)射功率，從而節(jié)省功耗。

在新材料方面，大力推動具有更高效率的GaN（氮化鎵）功放的應用，和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合技術攻關GaN存在的襯底工藝不成熟、散熱與封裝挑戰(zhàn)大等問題，實現(xiàn)功放PA效率提升，進一步降低整機功耗。

在新指標方面，中國移動創(chuàng)新提出鄰頻共存干擾評估體系和兩段式測試方法，制定出合理有效的新射頻指標，降低設備的前級濾波器插損要求，等效降低設備功耗。

其次，站點級主要從亞幀關斷、通道關斷及深度休眠等方面開展軟件節(jié)能。在延續(xù)4G已引入的亞幀關斷、通道關斷等功能基礎上，提出5G深度休眠、智能節(jié)能等新理念。深度休眠是5G新節(jié)能功能，可在夜間等時段無業(yè)務時，AAU關閉絕大部分射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的接口電路工作，平均功耗可大幅下降；智慧節(jié)能主要將人工智能與5G節(jié)能相結合，通過引入智能業(yè)務預測算法，從而精細化制定相應的節(jié)能策略，形成“節(jié)能智能大腦”，做到“一站一策、一時一策”，在保證用戶體驗的前提下充分挖掘節(jié)能潛力。

最后，網(wǎng)絡級節(jié)能重點網(wǎng)絡協(xié)同角度打造多系統(tǒng)節(jié)能方案和平臺。一方面，可通過C-RAN集中部署和基站資源池共享，通過節(jié)省硬件板卡配置從而實現(xiàn)功耗降低；另一方面，在前期已現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模應用的多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能系統(tǒng)上，目前正在升級開發(fā)5G多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能系統(tǒng)（i-Green），該系統(tǒng)可實現(xiàn)小區(qū)協(xié)作節(jié)能，通過分析網(wǎng)絡負荷、業(yè)務需求和網(wǎng)絡質量，使不同系統(tǒng)小區(qū)實現(xiàn)實時休眠/喚醒的網(wǎng)絡級節(jié)能。

配套設備節(jié)能+網(wǎng)絡智能化節(jié)能

除了5G基站能耗，5G網(wǎng)絡還有哪些環(huán)節(jié)可以改善從而提高能源利用效率？陳卓表示，從無線網(wǎng)節(jié)能角度來看，除了降低5G基站能耗，中國移動還考慮了5G網(wǎng)絡的配套設備節(jié)能來提高能源利用率，主要包括基站電源設備節(jié)能、基站空調節(jié)能、基站機房節(jié)能。

例如基站供電，目前中國移動基站（包括5G基站）主要通過市電供電，在一些市電引入困難、市電容量不足、擴容困難、新能源資源豐富、經(jīng)濟可行的站點，也采用太陽能、風能等可再生能源供電，在一些取電困難的應急通信場景，也會采用柴油機發(fā)電。

另外，目前基站備電系統(tǒng)以鉛酸電池組為主，但隨著容量需求越來越大、裝機位置越來越緊張，目前在新建電源系統(tǒng)的配套電池、網(wǎng)電源系統(tǒng)擴容電池或更換電池場景下逐步使用智能磷酸鐵鋰電池，具有重量輕、占地省、可快速充電等優(yōu)勢。針對基站電源設備節(jié)能，中國移動也提出了一系列高效的節(jié)能方案，如引入高效整流模塊、實現(xiàn)智能升壓、錯峰用電等方案，采用基站一體化能源柜等，降低5G網(wǎng)絡能耗。

值得注意的是，通過5G網(wǎng)絡智能化也能促進運維節(jié)能。在陳卓看來，中國移動正在大力推進5G+AI網(wǎng)絡智能化發(fā)展和規(guī)模應用，主要體現(xiàn)在兩方面。一是基于集中化部署、智能化運維、統(tǒng)一化網(wǎng)管為節(jié)能提供基礎。集中化部署可節(jié)約機房和配套耗電，同時基于網(wǎng)絡負荷潮汐效應最大化節(jié)省基站設備硬件配置；智能化運維通過天線權值優(yōu)化、無線參數(shù)智能優(yōu)化等方案精細化提升網(wǎng)絡覆蓋，間接優(yōu)化網(wǎng)絡能耗；統(tǒng)一化網(wǎng)管則增強自主運維能力和效率。

二是基于智慧網(wǎng)元的自動節(jié)能算法實現(xiàn)動態(tài)高效節(jié)能效果。一方面針對關斷類節(jié)電功能，基于業(yè)務負載預測提前進行關斷以達到更好的節(jié)能效果，另一方面基于AI識別針對應用場景選擇合適的節(jié)能算法，并通過強化學習取得節(jié)能效果與現(xiàn)網(wǎng)性能的均衡。

“在中國移動大力推動和產(chǎn)業(yè)共同努力下，5G基站功耗的改善較大?！标愖勘硎?，基于“三新”設備級節(jié)能方案的AAU已在現(xiàn)網(wǎng)開始規(guī)模部署，單站功耗下降超過10%。在站點級節(jié)能方面，中國移動將在現(xiàn)網(wǎng)全面開啟亞幀關斷，并根據(jù)場景和時段開啟通道關斷、深度休眠功能，目前已開展現(xiàn)網(wǎng)驗證，后續(xù)將根據(jù)驗證情況進行現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模部署。在網(wǎng)絡級節(jié)能方面，目前中國移動正在加快研發(fā)5G i-Green多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能平臺，充分利用人工智能、深度學習等技術進一步挖掘節(jié)能潛力。

面向垂直行業(yè)精準建網(wǎng)

2019年是5G商用元年，三大運營商基本以NSA組網(wǎng)方式建設5G，而2020年則都轉向了SA組網(wǎng)，5G SA從架構（服務化、軟件化、智能化）、技術（網(wǎng)絡切片、邊緣計算、專屬上行）、服務（多量綱、定制化、專網(wǎng)、能力開放）多維度創(chuàng)新，能更好滿足各行各業(yè)多樣化場景需求。5G是否可以面向ToB形式，精細化建網(wǎng)，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗？

陳卓表示，垂直行業(yè)是5G的重要發(fā)展方向，ToB的需求與ToC存在較大差異，根據(jù)行業(yè)差異化、個性化的覆蓋和網(wǎng)絡性能等需求精準建網(wǎng)對于節(jié)能降耗具有重要意義。一方面，可以根據(jù)行業(yè)需求精細化選擇站型，在滿足業(yè)務需求的前提下優(yōu)先選擇低功耗產(chǎn)品；另一方面，可以精準規(guī)劃網(wǎng)絡覆蓋，用盡可能少的基站滿足行業(yè)覆蓋需求，降低總體能耗。此外，還可根據(jù)行業(yè)的業(yè)務特性，更有針對性地使用和優(yōu)化節(jié)能功能，網(wǎng)絡和業(yè)務深度協(xié)同，進一步降低能耗。

中國移動持續(xù)創(chuàng)新綠色信息化解決方案，助力價值鏈上下游共同節(jié)能減排。例如，中國移動積極研發(fā)推廣支持海量、多維度環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集和高效處理的環(huán)境治理信息化解決方案，“藍天衛(wèi)士”應用為300個縣級或縣級以上地區(qū)提供大氣污染防治信息化支撐，助力打好污染防治攻堅戰(zhàn)，踐行綠色發(fā)展，共建生態(tài)和諧美麗家園。

未來，中國移動將繼續(xù)踐行“綠色”理念，發(fā)揮帶頭作用，引導和支持產(chǎn)業(yè)共同創(chuàng)新，進一步降低5G功耗。在陳卓看來，全面降低5G網(wǎng)絡功耗不僅可以降低運營商運營成本，還是建設綠色產(chǎn)業(yè)環(huán)境中重要的一環(huán)，運營商應與產(chǎn)業(yè)協(xié)同、積極響應國家在十八屆五中全會上提出的“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”理念，實現(xiàn)節(jié)能減排，為構建和諧綠色生態(tài)環(huán)境貢獻力量。
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