5G无线网功耗分析及优化策略研究

万 能，王 斌

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

在进一步加强我国5G网络建设的背景下，联通和电信两大运营商希望进一步加强在5G方面的建设与合作，以期在降低成本的同时进一步提升5G服务能力，结合两大运营商优势形成市场竞争力。目前5G网络发展主要集中在商业应用和企业用户，在个人用户服务建设方面还有待加强。虽然5G网络建设不断加强，但是在5G网络运维和投资方面的支出也进一步增加，5G网络的规模化建设也进一步增加了5G相关设备的能耗支出，因此如何有效降低5G网络建设能耗和成本成为5G网络建设的重要发展方向之一。

1 5G无线网功耗现状分析

就我国目前5G无线网络建设现状来看，在设备方面主要采用64T64R设备（带宽100 MHz）。和传统4G无线网络建设相比5G网络设备的应用导致能耗更高，小区峰值吞吐率超过4G的60倍，功耗约为4G无线网功耗的3倍。

1.1 大规模天线波束赋形功能功耗

5G网络的天馈系统和4G网络相比更加复杂，天线单元阵列和天线模块更多，强大的波束赋形功能也导致了更大的功耗。前面分析指出在5G网络中采用的是64T64R设备，该设备的应用一共涉及到64个PA器件，这些PA器件的成熟度发展还存在问题，功率小和频段高等特征比较突出，和4G功放效率（40 W、60 W）相比5G网络功放效率会更低。另外在4G网络建设中主要在RRU和BBU之间应用CPRI传输接口，但是这种传统的传输接口已经不能适用5G网络规模建设，在此背景下为适应5G发展要求开发eCPRI接口，在AUU中引入基带功能，进一步提升其大带宽多通道处理能力，也进一步提升功耗[1-3]。

1.2 5G无线网设备功耗

5G无线网络设备中涉及到大量设备，也必然导致产生以额外功耗、传输功耗以及计算功耗为代表的大量设备功耗。计算功耗主要是由数字处理和基站通信等引起的BBU消耗功耗，传输功耗主要是由射频（Radio Frequency，RF）和5G无线网相关的功率放大器工作引起的电能消耗，这些功耗有效实现了无线信号和基带信号之间的信号转换与传递。额外功耗主要是由5G无线网络建设和传输过程中相关制冷设备和机房空调设备等引起的电量消耗，从而造成额外的电能损失。

1.3 5G外场功耗

就我国目前5G网络和外场建设而言，对不同厂家的AAU相关设备进行了调研与峰值功耗分析，发现均超过1 000 W。5G无线网络中功耗的最主要因素是基站功耗，有超过80%的功耗是由基站涉及到的机房设备和网络设备引起的。其中机房设备能耗中基站设备能耗占比就超过一半以上，而基站设备能耗中的主要能耗是由AAU设备耗电导致的，其耗电占比超过80%。5G设备功耗提升会产生大量热量，因此需要制冷设备和空调设备的支持。通过分析能够发现目前5G无线网络功耗分析中需要着重考虑AAU能耗和机房整体能耗。以1个具有1个BBU和3个AAU的5G标准站进行估算和分析，其每年电费超过20 000元，甚至在转供电场景下电费消耗会超过30 000元，是传统4G标准站的3倍以上。5G无线网络频段在4G频段基础上进行了较大提升，站点规模也极大提高，平均在4G站点规模的2倍左右。虽然在4G设备基础上进一步提升了设备能力，但是设备的功耗增长也呈现出倍数级别增长，因此提升对蓄电池和市电引入建设，运营商的OPEX和CAPEX也会增加。降低5G网络建设能耗，提升5G网络建设水平，直接决定了5G网络发展水平和商用建设规模。5G无线网能耗建设中需要进一步加强设备优化，引入算法提升设备应用，另外5G无线网建设的配套基础设施也必须加强优化[4,5]。

2 5G无线网功耗优化策略

2.1 设备优化策略

主要通过算法优化和硬件优化以实现对5G无线网络设备的优化。关注5G无线网络硬件优化，在5G无线网络功耗优化中应该优先关注AUU功耗（如图1所示），通过高集成度收发信机和基带芯片的研发改进降低能耗。

图1 AAU功耗分布占比

在5G无线网络功耗优化及节能方面，可以从以下几个方面入手。（1）GaN（氮化镓）在近年来被广泛研究和应用，成为新型半导体材料并应用在功放研究中，和传统功放材料相比该材料制作的设备和元器件具有更好的耐温耐压性能，同时还具有更高的输出功率，能够满足5G无线网络大带宽的建设需求。（2）在芯片建设和应用中建议采用低功耗和高集成度的新型芯片，通过芯片优化来进一步提升设备性能，这也是5G无线网络建设下芯片建设的重要方向。芯片的厚度直接决定了芯片功耗，和传统的16 nm芯片性比，7 nm芯片功耗极大提升，超过40%。（3）引入散热技术，在外观建设中也需要加强高性能散热建设，基于热导流的背景下加强AAU表面优化，包括AAU的排列及齿形等，通过这种方式能够提升5G无线网络大约10%～20%的功率[6-8]。

此外，在5G无线网降低功耗建设中还应该从算法方面考虑，通过大数据等相关算法优化，以精准预测业务情况，然后结合人工智能技术、大数据技术以及云计算技术进行智能调度。通过5G无线网相关设备和基站的整站休眠、深度休眠以及部分休眠等方式实现基站的科学管理，降低能耗，同时也能在降低运营成本方面起到积极作用。

2.2 5G配套设施优化策略

5G无线网功耗优化除了设备与算法之外，还必须要加强5G无线网相关基础配套设施的优化，以降低额外运维成本和能耗。主要集中在以下几个方面，首先在外市电方面通过宏站集中供电和削峰填谷技术进行优化与改造，以减少相关费用支出。其次在5G无线网络设备建设中建议引入削峰填谷技术进行功耗优化，结合话务量波动情况在用电高峰通过蓄电池实现供电补偿，在用电低谷期可以对蓄电池进行充电等相关操作，以此提升市电容量（15%～30%），最后为优化5G无线网能耗建议采用宏站集中供电方式。

3 5G无线网络节能技术分析

3.1 设备级节能技术

5G无线网设备及产品功耗的增加是由很多因素引起的，包括收发通道数目增加（8～64/32）、流量激增（2～16流）以及发射功率提高（100～200 W）等，这些因素综合影响导致功耗超过4G无线网络的4倍。前面分析指出5G无线网络建设中的基站功耗在整机功耗中占比极大，且AAU在基站功耗中占比超过90%，因此必须要考虑AAU功耗。5G无线网络功耗优化中必须关注设备级节能优化，通过提升功放效率来降低功放功耗，尤其是在5G无线网络建设初期负载相对较低，必须进一步加强小信号建设和数字中频模块建设，以降低其基础功耗。

3.2 站点级节能技术

3.2.1 亚帧关断

基于5G无线网络应用具有时间分布不均匀的特征，存在忙时和闲时两个时间段，对忙时和闲时的设备应用进行优化能够有效降低能耗，这也是5G无线网络应用功耗降低和节能的关键。基于站点级别的5G无线网功耗节能技术的核心是根据网络应用负荷进行设备资源的科学配置与调整，在设备和网络闲时执行关闭操作以节约能耗。功率放大器PA作为基站设备中能耗最大的一部分，即使没有信号输出和输入的情况下也会产生一定的能耗，因此通过忙闲优化能极大降低能耗。利用新算法和新技术在检测到数据信号和数据调度的时候，能够通过智能技术执行数据调度重新启动射频硬件与设备，保证其在5G无线网中正常运行。通过实验与研究发现，这种方法能够实现5G无线网功耗的有效优化与节能，节能占比超过10%。

3.2.2 深度休眠

如果对网络需求不是很大，5G网络负荷需求较低，4G网络即可满足需求时，可以考虑将5G用户向临近的小区进行转移，使此小区的5G设备进行深度休眠动作，最终能够降低功耗。这一过程中不仅需要关闭5G AAU的功放，而且也需要关闭数字通路和大部分射频，只保留基本的数字接口电路即可，这样就实现了AAU设备的深度休眠，在5G无线网中的体现即降低功耗。在出现网络需求时，结合相关智能算法和智能技术重新恢复和启动AAU。通过实际应用和验证发现，通过此种方式能够降低原有5G无线网大约50%～60%的功耗[9]。

3.3 网络级节能技术

为进一步降低5G无线网路功耗，提升节能水平还需加强多网协作建设，采用如图2所示的多网协作硬件架构，同时结合人工智能算法、云计算技术以及大数据技术等实现对不同小区的共覆盖识别。通过这种模式能够实现小区休眠实时唤醒，以通过精准的方式进行5G无线网节能化。

图2 多网协作节能系统示意图

在我国5G无线网建设发展过程中，将在很长一段时间内维持TDD、FDD以及NR共存的现状，并且就2.6 GHz的5G网络建设而言有大量的站点是和TD-LTE站点共模的，因此为实现节能降耗必须要采用小区深度休眠技术。结合人工智能技术和大数据技术实现对多频多模小区的容量预测及共覆盖识别，保证小区休眠唤醒的实时性，最终实现5G网络运营的精准节能。采用如图2所示的多网协作节能系统，能够很好实现对5G无线网相关性能和配置基础数据的采集，同时结合内置策略算法在保障小区5G无线网络提供的基础上，实现5G无线网络的节能降耗。系统基于特征聚类和神经网络算法对5G设备级节能功能进行参数优化，实现设备级节能功能效果最大化[10]。

4 结 论

虽然5G无线网络具有极大的优越性，并且已经在商业领域展开了应用，备受企业和消费者青睐。但是在应用中还存在高功耗等问题，这也在一定程度上限定了其发展与应用，同时也提高了应用成本。为进一步提升5G无线网络应用水平和发展水平，加强其节能降耗建设势在必行，应该多方面、多领域以及各环节进行协调配合，以得到最优节能降耗策略。