5G“能者多劳”基站绝对能耗太高怎么破？

齐旭

5G即将实现全面商用，可以预见的是，5G将作为核心底层基础设施渗透到各行业中。5G时代，通信行业产生的电力消耗也可想而知，有相关预测指出，到2025年，通信行业将消耗全球20%的电力。其中，大约80%的能耗来自广泛分布的基站。

5G基站是耗电大户，但不能撇开“能力”看“能耗”。5G网络“能者多劳”势必会增加基站的绝对能耗，而5G基站单位比特流量功耗仅为4G的1/5左右。尽管SG基站的能量效率更高，但运营商仍在为绝对能耗过高而发愁，5G单点基站的功耗为4G单站的2.5倍- 3.5倍。那么，高耗能是否会成为5G规模商用的拦路虎？5G基站绝对能耗高究竟怎么破？

高耗电伴随高能效比

虽然5G基站能耗的绝对值在增加，但能效比（单位比特承载效率）相比4G大幅提升。

自从启动5G商用以来，加快5G网络建设便成为我国发展的重要任务。而5G网络建设的根本在于基站的建设。5G不光是一张面向公众的消费级网络，更是能深入行业细分领域的、具有确定性的、灵活可定制化的网络。随着5G网络建设进程提速，4K/8K、VRiAR、自动驾驶、机器人、视频监控等应用蓬勃生长。

这样一张赋能各行各业的网络，其耗电量也非常可观。相关预测指出，到2025年，通信行業将消耗全球20%的电力，其中基站是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站。中国通信标准化协会的数据显示，目前主要运营商的5G基站主设备空载功耗约22 - 2.3千瓦，满载功耗约3.7 - 39千瓦，是4G单站的三倍左右。

中国通信服务EPTC电力信通专家委员会成员、中国电机工程学会能源互联网分会专业委员杨军对《中国电子报》记者表示，5G基站本身的能耗主要来源于基站的CU/DU（基带处理单元）设备和AAU（大规模天线阵列）。CU/DU消耗的电量主要用于计算，包括数字部分处理、管理和控制、核心网和其他基站间通信等。由于CU/DU的功率比较稳定，不受太大的业务负荷影响。而AAU则不同，随着负荷的增加，功耗也大幅增加。据杨军介绍，AAU设备内部集成了天线阵列、最高64个射频通道和部分基带功能，其能耗占基站设备总能耗的80%以上。除了基站设备本身产生的能耗之外，为保持基站机房恒温的空调制冷电力消耗，以及市电转换无功损耗等带来的电力消耗，也值得关注。

“能耗要从两方面来看，一个是绝对能耗，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‘比特率角度来说，实际上5G比4G强。”杨军指出，5G的理论峰值速率为1G，约为4G（峰值速率）100M的10倍。5G基站的覆盖半径为100 - 300米，比4G基站的（覆盖半径）1-3公里密集很多倍。5G基站天线的系统容量和发射功率也是4G的好几倍。可以说，虽然5G基站能耗的绝对值在增加，但能效比（单位比特承载效率）相比4G大幅提升。SG（64通道160MHz）相比4G（8通道60MHz）设备吞吐量提升10倍，单位比特流量功耗仅为4G的1/2左右，从传输效率看其实5G比4G更节能。

降低绝对能耗迫在眉睫

基站能耗的升高，会大幅提升JG网络的运营成本，为运营商实现数字化转型带来压力。

尽管如此，绝对耗电量成倍增长引发电费直线上升，这让运营商寝食难安。经测算，以当前平均1 3元/度的转供电价计算，单个4G基站每年的电费是20280元，单个5G基站每年的电费将高达54600元。据相关机构预测，到2022年，我国5G网络建设规模至少达到250万站，届时三大运营商5G网络能耗成本将至少达到每年575亿元- 750亿元。因此，预估SG的网络运营成本将是4G的10倍以上。中国联通网络技术研究院无线研究部副主任李福昌在接受《中国电子报》记者采访时表示，基站能耗的升高，会大幅提升5G网络的运营成本，为运营商实现数字化转型带来压力。因此获得的电费减免和补贴，可以在短期内解决运营商SG网络运营成本居高不下的燃眉之急。

目前，各地纷纷出台相关政策，以降低电信企业用电成本。比如，山西提出，从2020到2022年对参与市场交易后的SG基站，其实缴电费超出目标电价0.35元/千瓦时的部分，由省、市、县三级按照5：2：3的比例给予相应支持，每年用于5G基站电价补贴的省级财政资金总额不超过5000万元。据山西铁塔初步预测，上述补贴可以使5G基站用电单价下降约三成。广东则提出加快转供电改造，改造投资的分摊以用户红线边低压计量装置为分界点，分界点电源侧由供电部门投资，分界点负荷侧由用户投资。

据了解，通信基站电费目前由中国铁塔代运营商统一向电力部门缴纳。中国铁塔正协同三大运营商，一方面积极争取国家对5G网络用电电费优惠政策，另一方面大力推进转供电站址“转改直”工作，以节省电费开支。中国铁塔相关负责人表示，目前建成的5G站址，80%的用电约为直供电（指由电网企业直接供电），约20%是转供电（指由物业公司等电网企业之外的主体供电），转供电站址平均电价大幅高于直供电平均电价。预计到2020年底，转供电站址中不低于50%的比例可改成直供电，有望每年节省电费约15亿元。

基站节能还要“软硬兼施”

基站的符号关断、载波关断、频道关断、深度休眠是网络管理精细化的重要趋势。

长期来看，5G基站节能还要从“源头”人手，即从基站的硬件侧和软件侧来实现节能优化。

李福昌向记者指出，硬件节能方案主要通过优化设备硬件设计、改进生成工艺、设备集成度等手段，达到降低基站设备基础能耗、不断提高基站设备能源利用率的目的。比如，在基带板方面推进高集成度和低功耗ASIC芯片解决方案、数字中频推进下一代7nm/5nm ASIC芯片、不断提高芯片的集成度、减少芯片使用数量等。

而软件节能则是基于业务负荷状态对基站资源进行合理调度，在运行基站时更好地降本增效。“从软件侧人手实施有效的节能方案，是根据业务在时间、空间等分布特征，以及网络负荷的变化。在保证预定指标的前提下，通过调整基站软件功能配置对硬件资源进行合理调配，从而达到节约基站能耗的目的。”李福昌表示。

AI、大数据等新一代信息技术将辅助软件节能优化方案更上一个台阶。杨军表示，基站的符号关断、载波关断、频道关断、深度休眠是网络管理精细化的重要趋势。在执行基站深度休眠时，基于AI的5G基站能耗分析和控制平台可针对网络覆盖、用户分布、场景特征等数据，利用机器学习算法对历史数据进行人工智能判断，采用下发不同的关断指令策略，在不妨碍用户正常使用网络的前提下达到最优节能效果。

最近，中国联通洛阳分公司分别对不同基站射频单元设备（ AAU）分不同时段开启空载状态下的深度休眠功能。比如，对于未进行单站验证或单站验证完毕的站点，全时段开启AAU深度休眠功能;对于正在进行单站验证的站点，分时段开启AAU深度休眠功能（21：00-次日9：00）。分时段实施深度休眠能使5G单基站AAU功耗从空载时候的三、四百瓦降低到一百瓦左右。