5G基站节能意义及方案研究

聂鸿飞，刘晓纯，程 博

（中国联合网络通信有限公司 广州市分公司，广东 广州 510335）

1 5G基站节能的意义

数据显示，5G基站的单站功耗是4G单站的2.5～3.5倍，高功耗是运营商大规模部署5G的棘手问题［1］。从网络规模上讲，由于5G频率高且损耗大，因此未来5G站点规模也将远大于4G，总耗电量也远超4G［2］。根据三家运营商公布的数据，2018年三家运营商基站用电支出约2.4×1010元，按照同样的覆盖部署，5G网络的能耗将达到2.43×1011kW·h，用电支出将达到2.16×1011元。若5G基站能耗降低10%，那么每年可以减少耗电2.43×1010kW·h，相当于节省9.7×107t标准煤，减少碳排放2.4×108t，同时运营商可以节省支出2.16×1010元，节省的费用可建设40 000座5G基站［3］。5G基站节能不仅可以节省能源消耗，减少碳排放量，还可以促进5G网络建设，提高运营商的收益，对运营商乃至整个社会的发展都具有重要意义。

2 5G基站节能的方案

5G基站建设涉及站点（基站、机房）的选址、基站设备和配套设备的部署、基站供电方式、设备维护以及优化等多个方面，每个方面都可能影响到基站的用电成本，因此5G节能不能只从基站设备优化方面考虑，而需要从网络规划、网络建设、网络维护以及优化等多方面分析讨论。

2.1 共建共享

鉴于5G建设的巨大投入和运营支出，共建共享是运营商降低成本、加快推进5G网络建设、实现5G网络深度覆盖以及提升网络效益的重要举措。以广州市为例，自2019年以来，广州联通和广州电信积极推动落实合作协议，实现了5G建设规模突破，取得了显著成效，双方累计建设了5G基站约7 700座，其中联通建设约3 700座，电信建设约4 000座，累计节约投资约1.0×109元。在电费方面，按照共享一个5G站点平均节省电费40 000元/年计算，一年可以节省电费3.08×108元。截至到2020年10月底，中国联通和中国电信已在全国共建5G基站3.8×105座，CAPEX节省约40%，OPEX每年省约35%，符合“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展新理念［4］。

2.2 直供电改造

5G产业作为新基建之首，是推动各行各业数字化和智能化发展的关键基础设施。目前各运营商新建5G站点大部分都要求直供电，但现有的存量站点大部分是转供电，实际的用电成本比较高。经统计广州市某区域内342个基站，平均用电单价为1.02元/（kW·h），部分站点超过1.2元/（kW·h），远超商业直供用电0.7元/（kW·h）标准，平均每度电成本还可以下降0.32元，另外存量站点中完成直供电改造的还不到30%，因此直供电改造的潜力还非常大。经测算若将基站电价降低到0.8元/（kW·h）（考虑到线损），单站每年可以节省电费8 800元。目前广州市已建成5G基站约36 000座，按此计算每年可节省3×108元以上。由于直供电改造投资少且见效快，不仅可以降低5G基站用电成本，还可以降低存量3/4G基站的用电成本，因此推动直供电改造将是运营商降本增效最直接最有效的途径之一。

2.3 BBU集中放置

5G无线网络采用BBU集中和AAU拉远的建设模式。BBU集中部署有利于节省资源，降低建设成本和运营成本［5］。在规划方面，优先将BBU集中放置到现有局房（汇聚机房、综合接入点），充分利用原有机房配套设备资源，不仅可以减少网络节点站数量，还可以减少传输、电源以及空调等硬件设备的数量，实现节省投资和能耗的目的。新建BBU机房时，要结合区域业务量、管道资源以及下挂AAU情况进行分析，既要考虑无线基站业务又要考虑综合业务的需求，实现配套资源的共享。经统计广州某区域34个机房，BBU集中放置在现有机房可以节省投资1.2×107元，每年可节约用电支出3.4×105元。合理规划BBU集中放置点，充分利用现有机房内的电源和空调等资源，不仅可以大大节省机房和配套设施，降低建设周期，还可以加快推动5G部署，降低5G运营成本。

2.4 基站设备节能

从5G设备架构角度划分，当前5G无线接入基站NR功能模块分为基带处理单元和射频处理单元［6］。室外站点组网采用BBU-AAU架构中，基带处理单元映射为单独的一个物理设备BBU，射频处理单元AAU集成了射频单元与天线单元，与BBU采用eCPRI接口，内部还包含部分物理层底层处理功能。BBU主要作用是负责基带数字信号处理，AAU的主要作用是将基带数字信号转换成模拟信号，然后调制成高频射频信号，再通过功放单元放大功率由天线发射出去。测试表明，BBU的功率比较稳定不受业务负荷增大的影响，而AAU功耗则随着负荷的增加大幅增加。5G主设备不同业务负荷下功耗统计如表1所示。

表1 5G主设备不同业务负荷下功耗统计

测试数据表明，在中低负荷情况下，5G BBU能耗约占20%、AAU能耗约占80%，其中AAU设备能耗一般由功放（占50%）、收发信机、射频前模块、数模转换以及其他热耗组成，射频模块中的功放PA占了能耗的主要部分，因此当前5G室外站点设备节能特性都是围绕如何关断PA来设计。从理论上讲，5G基站设备射频单元AAU的节能，可以通过调整AAU设备参数或使用时间，在业务空闲时段关闭站点内的部分器件来实现。目前主要的节能技术方案包括符号关断、射频通道智能关断、载波关断、LNR智能载波关断以及AAU深度休眠等。

2.4.1 符号关断

符号关断旨在网络低负荷时不连续发射信号，以降低功放模块消耗的功率。当基站检测到下行符号没有承载数据时，基站会实时关闭射频模块的PA，当基站检测到下行符号有承载数据时，基站会实时打开射频模块的PA［7］。

2.4.2 射频通道智能关断

在网络业务比较低时，能够通过关闭冗余通道降低能耗，可以用于话务潮汐效应较明显的区域，如学校、写字楼以及商场等。

2.4.3 载波关断

NR小区可在预设的时间段内关断载波，将NR小区用户迁移到共覆盖的LTE小区，再关断NR小区，从而达到节约整网能耗的效果，主要用于话务潮汐效应明显且时间相对固定的场景，如地铁、机关单位以及体育馆等［8］。

2.4.4 LNR智能载波关断

先根据5G话务情况进行统计分析，然后设置关断策略（门限和时间）。当5G负载低于特定门限时，关断5G载波，如果发现LTE负载高于特定门限时，打开5G载波，主要用于业务量相对较低的区域，如郊区和农村。

2.4.5 AAU深度休眠

AAU深度休眠是指当基站业务处于闲时状态或无5G用户接入时，AAU设备可以关断大部分有源设备的供电，从而实现节省能耗的目的［9］。AAU设备进入深度休眠模式之后，并不是直接关闭基站，而是保留了电源模块和eCPRI接口单元。AAU深度休眠技术使得AAU进入极低功耗休眠模式，最大化节能，适用于5G负荷不高的场景，基本不影响用户体验。

广州联通联合华为对上述技术方案分别进行了测试，通过网管和现场测试评估，结果如表2所示。符号关断全天进行，其他关断在凌晨2:00-6:00进行，平均节能20%，其中AAU深度休眠效果最好，达到45.76%，射频通道智能关断效果较差，可节省7.83%。

表2 5G基站设备节能方案效果评估

由于目前5G基站总体的负荷比较低，AAU功耗在不同场景下的功耗相差不大，因此在不同场景下应用上述节能方案省电效果差异不大，其中AAU深度休眠在各场景中效果最好。

5G设备节能方案还可以组合使用，根据不同的场景和话务模型，利用大数据技术辅助，选择合适的综合节能方式，可以达到最优的节能效果［9］。AI智能节能技术根据节能场景识别模型，基站可以依据业务使用量的潮汐情况，针对场景特点采取深度休眠甚至基站关闭的节能策略［10］。由于符号关断基本不影响业务，因此对其他方案（站点数和RRU数量与表2一致）叠加了符号关断，经现场测试结果如表3所示。同样符号关断全天进行，其他关断在凌晨2:00-6:00进行，5G基站综合节能效果平均超过17%，符号关断+AAU深度休眠节能效果最好，可以节省21.30%。

表3 5G基站综合节能效果评估

从节能前后业务情况分析来看，符号关断对业务基本无影响，通道关断对业务影响不大，载波关断和深度休眠生效后，对应的小区将停止服务，业务方面会受到影响，因此建议符号关断可全天开启，其他特性根据现场业务情况选择开通。

3 结 论

5G共建共享既可以节省投资又可以节省能源，是一举双得的重要举措。直供电改造是加快降低存量站点用电成本最直接、最有效的方案。BBU集中放置有利于节约机房建设成本，提高能源利用效率，但过度集中又可能给网络安全带来隐患，因此需要合理规划。在基站设备节能方面，符号关断、射频通道智能关断、载波关断、LNR智能载波关断以及AAU深度休眠技术各有特点，其中AAU深度休眠在各场景中效果最好，可以结合大数据和AI智能节能技术一并使用。