• 5G能耗产业链四人谈:基站降耗是硬道理
    通信产业网|2020-08-04 10:08:56
    作者:胡媛来源:通信产业网

    【通信产业网讯】(实习记者 胡媛)在2020年上半年工业通信业发展情况发布会上,工信部信息通信发展司司长、新闻发言人闻库表示,近期我国每周平均新开通基站超过1.5万个,截至6月底,3家运营商在全国已建设开通5G基站超过40万个。在运营商实现快速建网的背后,5G能耗这关究竟如何过?

    毋庸置疑,5G基站高耗能是目前面临的主要和普遍性问题,这不仅与其本身的物理特性有关,随着5G应用的持续增多,也将会带动网络能耗的持续增加,因此,需要产业不断通过技术进步和综合节能方案应用降低能耗,这不仅是降低成本,更是为了促进ICT行业的绿色可持续发展。

    近日,中国移动研究院无线与终端技术研究所高级研究员刘建华,爱立信东北亚区首席市场官张至伟,华为中国运营商无线网络与云核心网高级专家孙昊,康普运营商网络东北亚区无线网络业务销售总监及亚太区全球OEM销售负责人林海峰接受了《通信产业报》全媒体的采访。

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    《通信产业报》全媒体:有数据显示,目前主要运营商的5G基站主设备空载功耗约2.2-2.3kW,满载功耗约3.7-3.9kW,是4G单站的2.5倍-3.5倍。那么,造成高功耗的主要原因有哪些?

    刘建华:5G基站能耗较高,主要原因是5G小区带宽是4G的5倍以上,且室外主要使用复杂度较高的32/64通道Massive MIMO设备。

    以中国移动2.6GHz频段为例,5G基站信号带宽为160MHz,可同时提供4G和5G服务,相比4G的60MHz,带宽增加为2.67倍,发射功率变为原来的2倍,导致总的功耗增加。同时,5G massive MIMO典型的32/64TR设备通道数是4G网络8TR设备通道数的数倍,射频单元功耗增加显著,同时,通道数多也带来基带计算量的增加,功耗也会上升。

    虽然能耗绝对值在增加,但5G单位bit承载效率相比4G大幅提升。5G(64通道160Mhz)相比4G(8通道60Mhz)设备吞吐量提升15倍,单位bit流量功耗仅为4G的1/5左右。

    张至伟:从5G的角度来说,做一个载波大概100兆起,而4G一个标准载波是20兆,本身频宽就是4G的5倍,不管是效率,还是信息发送的能量、能耗来说,是4G的几倍很正常。

    能耗从两方面来看,一个是绝对的能耗,另一个就是跟它的带宽除下来的能效。如果是从它能够传输的比特率的角度来说,实际上5G比4G还是占优势的。当然,绝对的耗电肯定是一个回避不了的问题,也是运营商大规模建设网络时候首先要考虑的一个成本问题。

    孙昊:目前,5G基站能耗主要集中在基站、传输、电源和机房空调四部分,而其中基站的电费支出占整体网络能耗的80%以上?;灸芎闹?,负责处理信号编解码的基带单元(BBU)的功耗相对较小,而射频单元(RRU/AAU)是功耗的主要来源。

    影响基站能耗的因素主要因素有五大方面,一是基站配置引出的发射功率、扩展能力等;二是业务负载的影响;三是散热及耐热可靠性;四是器件不同能效比的影响;五是设备运行环境温度等。

    林海峰:5G的能耗确实是一个很大的问题,跟其本身的物理特性有关系。因为5G使用较高频段,而高频段衰弱较快,导致需要建更多的基站,产生的能耗自然就更大,并且,5G需要大带宽,大带宽则要求更多的射频器件和芯片,从而势必会导致整体产生较大的消耗。

    《通信产业报》全媒体:面对5G基站高能耗难题,如何应对?

    刘建华:中国移动从标准、研发、部署运维等全方位着手降低5G能耗,建立了设备级、站点级和网络级三方面的技术体系。

    首先,设备级节能体系,重点从硬件架构和器件设计方面优化功耗。具体包含“新架构、新材料、新指标”三方面。

    在新架构方面,中国移动提出通过架构优化实现节能目标:一是提出天线与射频滤波器一体化设计方案,通过减少内部损耗实现功耗下降;二是基于“升无源、降有源”的思路,从4G 3D-MIMO产品128阵子升为192阵子,同时降低功率谱密度,用天线增益弥补发射功率,从而节省功耗。

    在新材料方面,中国移动大力推动具有更高效率的GaN功放的应用,实现功放PA效率提升,进一步降低整机功耗。

    在新指标方面,中国移动创新提出邻频共存干扰评估体系和两段式测试方法,制定出合理有效的新射频指标,降低设备的前级滤波器插损要求,等效降低设备功耗。

    其次,站点级节能体系,主要从亚帧关断、通道关断及深度休眠等方面开展软件节能。在延续4G已引入的亚帧关断、通道关断等功能基础上,提出5G深度休眠、智能节能等新理念。

    其中,深度休眠是5G新节能功能,可在夜间等时段无业务时,AAU关闭绝大部分射频以及数字通路,仅保留最基本的接口电路工作,平均功耗可大幅下降。

    智慧节能将人工智能与5G节能相结合,通过引入智能业务预测算法,从而精细化制定相应的节能策略,形成“节能智能大脑”,做到“一站一策、一时一策”,在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。

    最后,网络级节能重点网络协同角度打造多系统节能方案和平台。一方面可通过C-RAN集中部署和基站资源池共享,通过节省硬件板卡配置从而实现功耗降低;另一方面开发5G多网协作节能系统(i-Green),实现4G/5G小区协作节能,通过分析网络负荷、业务需求和网络质量,实现不同系统小区实时休眠/唤醒的网络级节能。

    张至伟:虽然一个5G的基站会是一个4G基站功耗的好几倍,但是我们要超越单站,从整网角度来说,可以从四个方面最终让5G的能耗得到降低,甚至和4G一个水平。

    第一,在5G网络准备的时候,就是非常重要的一个环节,包括天线、天馈面的整合。很多系统都可以在里面用多模,比如爱立信推的一些功能,像频谱共享、多?;菊庵址绞?。首先可以精简掉一些老的设备,在同样的频段里,4G、5G共同工作,使网络硬件得到优化。

    第二,爱立信还有很多节能型的软件是可以供运营商,供大家使用的。从硬件上来说,随着ASIC芯片的成熟,越来越芯片化,整个基站的尺寸会越做越小,它的耗电在集成度提高之后也会降低。但是软件节能是一个很重要的方向,软件上面怎么能够在一个有限的频谱里尽可能的把4G、5G混合来使用,像动态频谱共享,或者说通过人工智能调度的算法,在它这种低速率,或者是低业务量的情况下使它进行一些关断,使它整个达到节能的效果?像人工智能辅助的这种软件节能还有一个比较大的挑战,就是怎么能够很好地在有业务来临的时候,能够把业务开启,不耽误正常的业务进行,这个算法还是比较复杂的。总而言之通过一些软件节能的方式还可以把这个节能再上一个台阶。

    第三,进行精准布网,这也是很重要的。在5G建设的时候,要精准看到哪些地方是有5G需求的,5G带来了低时延等新的功能,这些技术的特点在之前几代移动通信里面是不存在的,当它出现并为它找到一个应用场景是需要时间的。所以我们要看到5G的需求,有针对性的建设,在城市的地方用大容量的建设,郊区用小的、低容量的建设,按需精准的布网,这是第三个重要的方面。

    第四,在整个基站耗电里,其实很大一部分电是在无源的设备上,通过热能的方式消耗掉了,所以需要对基站的站点进行很精准的监控。随着物联网技术、各种传感器技术越来越成熟,通过对于各站点里头,包括基站、无源设备、电池组等等这些设备进行统一的监控之后,会把整个站点的能耗分布勾画出来,在这个基础之上,我们再选择多大容量的电池组,上一个多大的比例来去配备,还有怎么降低无源器件的消耗,它的散热造成的能量的损失,这是一个整体的服务。这个整体叫做能源管理。所以第四就是在运营过程当中做好能源管理。

    孙昊:华为PowerStar三级节能解决方案通过人工智能等创新技术,在设备级、网络级、站点级实现2/3/4/5G端到端综合节能,以“保障KPI平稳前提下,最大化能耗节省”为目标,通过智能化的AI节能平台和专家经验,调用节能特性并设置精准的节能参数,助力运营降低网络能耗。

    通过AI平台工具实现精准的共覆盖识别,多频多制式协同节能等能力最大化节能效果,基于智能节能平台对节能效果和KPI影响做实时监控,迭代调优节能参数进行实时优化,避免因节能而影响网络体验。PowerStar端到端节能方案可以助力客户通过自动化工具平台实现自动下发策略并实时监控优化,实现网络级快速部署,获取节能收益。

    林海峰:由于能耗是物理上的原因,很难通过一两个产品解决,在5G建设初期,康普认为有两种方法可以缓解基站高能耗难题。

    一是在网络设计和实施上可以考虑有序地提升5G MIMO的应用或者按需提升。

    当前,中国在5G建网主要采用的是64TR的Massive MIMO,但有一些国家选择的方法是先从低阶MIMO开始做,因为建网初期5G需求没有这么大,所以在需求较小的时候用高阶MIMO,从投资成本和能耗上来说相对不太划算。

    随着5G数据容量要求增大和对数据带宽的要求提升,如果届时需要,再将其逐渐升级到高阶MIMO,这样能耗也是一个循序渐进提升的过程。前期投资的这些低阶的MIMO天线和设备也不会被浪费,需求量增加了以后,可以将这些设备转移到比如郊区、农村等低需求的地区,照样可以使用。相对来说,这种方式尤其在初期可以控制一定的能耗。

    二是加入一些专门设备监控。

    以康普为例,康普推出PowerShift解决方案,其主要是动态监控调节电源传输以后的压降,把原来传统的电源线变成一个智能化的电源传输方案,用比较细的传输线传同样的距离,从而能节省改造的成本。

    《通信产业报》全媒体:目前还存在哪些挑战?

    刘建华:在设备级节能方面,GaN(氮化镓)还存在衬底工艺不成熟、散热与封装挑战大等问题,芯片处理能力和设备集成度还有待进一步提升,新材料、新技术、新工艺尚未普遍应用。

    在站点级节能方面,4G/5G共站场景下节能效率下降明显,各主设备厂家深度休眠节电比例差异较大,设备唤醒时间有待进一步降低。

    在网络级节能方面,目前业界还不具备大容量基站资源池设备,iGreen平台尚处于启动阶段,如何结合AI等先进技术在保证用户感知的基础上节能降耗,并尽快实现大规模成熟商用,尚存在较大挑战。

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    责任编辑:胡媛

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