随着中国5G基站部署规模的扩大,近一年多来,5G基站能耗惊人的说法甚嚣尘上。所谓众口铄金,5G基站似乎坐实了“电老虎”的尴尬地位。
尤其是这张某运营商的内部流出照片,从中可以看出,某供应商的5G AAU满载功耗高达1127瓦,而4G RRU则仅为290瓦,这两个数值相差极为悬殊。
数据在此,铁证如山,我们不得不承认,目前5G的能耗确实远高于4G。
因此在移动的节能技术白皮书中,也明确地写着:“2019 年初 5G 基站功耗约为 4G 基站的 3~4 倍,高功耗是运营商大规模部署 5G 的棘手问题。”
联通也在其白皮书中写道:“5G基站设备能耗在单个站点(机房)能耗比例预计将达到 50%。因此降低 5G 基站设备能耗将是未来提升无线网络能效的重要手段之一。”
一时之间,5G基站的能耗问题成了众矢之的。然而,这只是部分事实,并非全部真相!
看完本文,你将会了解:
我们看看下面一组5G和4G的数据比较,可能会有不一样的认识:
首先,5G的Sub6G频段载波带宽最大是100MHz,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。
然后,主流的5G AAU采用大规模天线阵列,拥有64路数据收发通道,而4G设备最多也就4T4R,仅有4路数据收发通道。也就是说,5G的收发通道数,是4G的16倍。
在上述两点的加持之下,5G的小区下行峰值速率可达7.2Gbps,而4G的峰值速率仅为400Mbps(0.4Gbps)。也就是说,5G小区单位时间可发送的数据是4G的18倍!
5G的传输速率如此之高,耗电量比4G多一些,就遭受如此多的非议,真是既要马儿跑,又要马儿不吃草啊。
对于数据传输速率和能耗之间的关系,业界早有一个概念,叫做“能效”。其意思就是网络对电能的利用效率,能效越高,每度电能传输的数据越多。
根据前面图片中提到的数据简单算一下,便可知理论上4G每度电可下载 620 GB的数据,而5G则每度电可下载 2875 GB的数据。也就是说,5G的能效是4G的4.6倍!
因此,只看能耗,不讲能效,简单地说5G太过耗电是不负责任的。
但在三大运营商目前的4G和5G网络中,5G基站的产生的数据量少,电费占比又高确实不争的事实。
据统计,在某地的4/5G网络中,5G基站的数量是4G基站的1/7,5G流量占比仅为2%,而能耗占比却达到了全网的30%。
这不科学啊,明明是5G的能效高,咋能是如此不堪的实测结果呢?
原因很简单,我们目前尚处于5G初级发展的初级阶段,网络中5G手机少,也缺少对流量异常饥渴的杀手锏应用,导致5G网络实际上干着4G的活儿,根本达不到理想的网络利用率。
这就像让一个壮汉静坐着绣花一样,有力使不出憋得慌,纵使比小姑娘绣的好还快,可这位壮汉的饭量是小姑娘的好几倍啊,综合起来看就是食物的利用率不高。
从上图可以看出,在5G部署初期,网络的理论容量上了一个台阶,能耗也随之大涨,但话务量还没起来,导致能效处于低谷,只能眼睁睁地看着电能的流逝而创造不了应有的价值。
因此,我们确实需要降低5G网络能耗。毕竟运营商数据业务增量不增收的窘境由来已久,成本能省一点是一点,何况这5G的流量也还没增起来。
话说运营商的成本大体上分为两大块:资产支出和运营费用。资产支出就是运营商用来买设备的钱,运营费用就是维护网络正常运转所支出的费用,电费当然属于运营成本的一部分。
运营费用包罗万象,占比多的有营销费用,网间结算,人力成本,站点租金,设备维护等等,其中电费约占15%到30%,不同运营商的数据都不尽相同。
这些电费是如何产生的呢?我们且看下面这张图。
首先,运营商从电网取得交流电,但机房里绝大多数的设备都无法直接使用交流电,因此需要通过整流器,把交流电转换为直流电。在这个过程中会有2%到5%的能量损失。
然后,直流电需要通过电源分配模块,把输入的电源分到机房内的多个设备上去,比如BBU一路电,每个RRU各一路电,一般每个站点都会有一个BBU,以及3到9个RRU。这个过程中会有1%到12%的能量损失。
最后,剩余的82%到97%的电能被传送到基站的BBU和RRU(或者AAU),以及传输设备来驱动数据处理和传输,之后一部分化作天线的信号发射出去和手机通信,大部分则成为热耗消散于无形。如果热耗导致机房温度过高,还需空调降温,使机房的能耗更高。
基站设备是机房的核心,也是最关键的耗能设备。其内包含基带单元(BBU)和射频单元(5G AAU), 其中,射频单元(AAU)约占整个基站能耗的90%,是不折不扣的耗电大户。
BBU的功耗占比为10%,且其功耗比较稳定,一般与基站的话务量关系不大。而AAU的功耗则和站点的负荷密切相关,流量越大,功耗越高。
由上图可以看出,AAU中的耗能大户是功放,小信号处理,及中频这几个模块,功放是其中最关键的耗能器件,且负荷越高,功放的耗能占比越高。
想要让基站更省电,首先就要让设备本身的硬件设计省电,然后就是根据在上网流量低的时间段(比如凌晨)关闭基站内的部分模块,让基站休眠来省电。
下面将详细讲述这些节能技术。
要实现基站节能效果,不但需要从硬件上提升,还要从软件上优化,必要时引入大数据和人工智能来辅助。可分为设备级,站点级,网络级这三个节能层次。
3.1 设备级节能
首先让我们再来回顾一下AAU内部各个模块在不同负荷下的能耗占比。
要让基站设备的能耗更低,首先得从“芯”开始。不断引入高集成度、高性能基带处理、数字中频处理芯片,配合使用高集成度收发信机,来让这些模块把基础能耗降下来。
最直接的办法就是,芯片的制程工艺从28nm,14nm 向10nm,7nm升级,再向5nm发起冲击,只为缩小面积,提升集成度,增强性能降低功耗!
上述的工作还远不够,更重要的是需不断提升功耗的扛把子器件——功放的工作效率。
功放的全称是功率放大器(英文是 Power Amplifier,简称PA),其作用是把上级模块处理过的信号功率放大,之后才能使用天线往外发射。
AAU有一个非常重要的指标,就是发射功率,一般在200到300多瓦,这一切的实现大都是功放的功劳。
功放的核心指标则是“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,再换算成百分比。
以下图为例,功放的输入功率为1000W,最终输出了200W的发射信号,可计算得出:功放效率为20%。这个值是非常低的,为了获得200W的信号功率,产生了800W的热耗。
业界通过坚持不懈的努力,采用氮化镓等新材料,并不断优化算法,最终让AAU内的功放效率提升到了50%。
通过上述这些努力,可大幅降低设备的硬件本身的工作能耗。下来的站点级节能,就是要通过软件算法来在空闲时间优化或者关闭部分模块,更进达到更近一步省电的目的。
3.2 站点级节能
站点级节能在设备级节能的基础上,通过软件算法,在网络空闲时段关闭站点内的部分器件来实现节能效果,主要包含功放调压,符号关闭,通道关闭,小区关闭,深度休眠等技术。
3.2.1 功放调压
首先,我们还是从功放这个核心器件下手。
功放的工作电压在和它的输出功率相匹配时,效率才能达到最优。一般来说,功放的工作电压是为了满足最大机顶功率而设计的。
但在实际应用中,往往射频模块的输出功率并未完全使用,或者在闲时关闭了部分载波,从而不需要功放输出最大功率。这样一来,功放就无法工作在最高效率的状态。
因此,我们需要灵活地调整功放的工作电压,让功放尽可能地工作在高效率状态,从而达到节能的目的。这就是“功放调压”技术。
功放调压技术在2G,3G和4G阶段已经被广泛应用,主要用于RRU的节能,在5G时代可以延续发挥作用。
3.2.2 符号关闭
在网络运行中,不可能总是处于大流量状态,总是有的时候忙一些,有的时候闲一些。这就为我们提供了节能的机会。
以Sub6G频段,子载波间隔30KHz的5G小区为例,其一个时隙的时长是0.5毫秒,内含14个符号,每个符号0.357毫秒。如果某个符号没有用户需要发数据,那么就把功放关闭,到下一个符号时再打开。
这个功能在实现时还可以更主动一些,那就是网络尽可能地把大部分用户的数据都攒到同一个符号(同一时间)上发送,这样其他时隙关闭的概率就大了很多。
虽然符号关闭看起来不起眼,关闭一个符号,才多大点时间,能省多少电?但积少成多,还是可以达到相当的省电效果的。
3.2.3 通道关闭
5G AAU的核心技术是Massive MIMO,由大量的天线振子组成,内部可支持多达64个功放,实现64通道的信号发射。
在早晚高峰期,多个用户都在用手机进行大流量业务,64个通道的AAU可提供多达16路数据独立发射,小区容量非常高。但到了夜深人静的时候,网络基本没什么人用,这64通道却还在孜孜不倦地工作,这样确实太费电了。
因此,可以随着话务量的降低,逐步关闭AAU内的部分通道,比如从64通道降低到48通道,再降低到32通道乃至16通道,来达到省电的目的。
3.2.4 小区关闭
一般来说,一张无线通信网都是由900M,1800M,2100M,2600M,4900M等多个频率层,以及2G,3G,4G和5G等多种制式组成的多频多模网。
低频段由于传输损耗小,穿透能力强,一般用作连续覆盖层。而高频段一般带宽较大,但覆盖性能不佳,一般用作容量层。
因此,在低话务时段,网络非常空闲,可以干脆关闭高频网络层小区,只使用低频小区来提供基础覆盖。
以下图为例,在NSA场景下,4G小区频段低,属于覆盖层,而5G小区频段高,属于容量层,用来进行热点覆盖补充。
到了低话务时段,反正没有什么人用,可以把5G小区直接关闭,4G小区提供的覆盖和容量也足以满足全部业务使用。
3.2.5 深度休眠
5G小区关闭之后,AAU就可以进入深度休眠模式,直接沉睡过去,实现极致省电。
下图是AAU的内部结构图,可以看出,在进入深度休眠模式之后,基带处理,数字中频,小信号处理,以及功放模块这些耗电大户都被关闭,只保留电源模块和eCPRI接口单元醒着随时待命。
3.3 网络级节能
上面的站点级节能技术已经够牛了,但执行起来还是有些不尽人意之处。
首先,有下面这些问题需要回答:哪些需要站点可以开通节能?在什么时间段开启效果好?各种节能功能关这关那的,大量的参数该如何配置优化才能不影响下网络性能?
要回答上述问题,就需要对整网大量站点的容量,负荷,话务趋势,参数配置进行大量的分析,才能确定可以开哪些节能功能,什么时间开启,以及参数如何设置。
即便如此,为了保障网络KPI不恶化,节能功能的开通及参数配置往往都是非常保守的,最终取得的节能效果必然大打折扣。
在这个大数据和人工智能起飞的时代,无线通信的大量用户无时无刻都在网络中产生海量的数据,非常适合于大数据的应用和人工智能(Artificial Intelligence,AI)的实施。
因此5G的网络节能也需要搭载AI技术,让话务预测,节能策略分析,参数优化,效果评估的循环自动化,智能化,从而脱离脱离低效的人工干预。
如上图所示,AI节能系统在初始数据设置完成之后,便开始执行。如果节能生效且网络KPI在可接受范围,则进一步优化节能参数并试图获得更佳的节能效果。
如果KPI恶化,则要把节能参数撤回之前的版本。如此循环往复,最终使网络中的所有站点达到最佳的节能状态。
这一切操作,都是由机器自动完成,从而把人从纷繁负责的低效工作中解脱出来。
更进一步的,AI还可以不断分析用户的行为,判断用户正在进行的业务对网络能力的需求,自动把用户分流到合适的频率和制式。
举例来说,夜深人静时,某5G几个用户在5G小区下,但也就是用微信在聊天,这并不需要使用5G网络,4G完全可以满足需求。
于是,网络主动把这些用户迁移到4G小区,从而让5G小区完全空闲,然后5G基站就可以关闭并进入深度休眠状态,从而达到省电的目的。
为了省电,真是无所不用其极啊!
3.4、终端级节能
上面说的都是针对基站的节能方案,但对于普通用户来说,对运营商的基站费不费电并没有直观的感受,只需要上网速度快体验好,同时手机的电量能扛就行。
这不,苹果就在iPhone 12上新增了一个叫做“智能数据模式”的功能,在手机的设置界面叫做“5G Auto”。
当用户使用需要更高速率的应用程序时,设备将从 4G 切换到 5G;反之,当较低速率完全能满足要求时,连接将自动从 5G 切换到 4G。这样能最大化电池的使用时间。
5G基站节能降耗,对运营商来说,不单单是降低成本,更是一个企业降低碳排放,扼制全球变暖的社会责任所在。
而普通用户,也是节能降耗中关键的一环。业界的一切努力,都是为了以最低的能效,向每一个用户提供最好的服务。
好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。
参考文档:
GSMA:Green is a new black
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
本文由梁桂钊于2021-02-15发表在梁桂钊的博客,如有疑问,请联系我们。
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