5G基站能耗管控与环境影响

戴春伟

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

第五代移动通信技术（5G）作为新一代宽带无线移动通信网，将以全新的网络架构、提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力，开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。

中国电信和中国联通进行5G共建，已完成5G一期工程建设，在2020年开展5G二期工程建设，计划在三季度完成全国25万5G基站共建工作，力争率先实现5G SA（Standalone,独立组网）商用。中国移动已全面完成5G一期工程建设，在50个城市实现5G商用。目前已全面启动5G二期工程设备测试和采购等工作，力争2020年底5G基站数达到30万，确保2020年内在全国所有地级以上城市提供5G商用服务。

2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会提出加快5G等新型基础设施建设进度。5G基站建设正在国内加速进行，而5G主设备功耗、AAU（Active Antenna Unit，有源天线处理单元）发射功率和天线口输出功率比4G基站大幅提高，因基站主设备功耗与天线发射功率存在因果关系，所以本文对5G基站功耗和5G基站对环境影响进行分析，并提出一些能耗管控措施和防护措施。

1 5G基站能耗管控

为了有效地阐述5G基站能耗管控，首先分析5G基站功耗，并与4G基站进行对比，其次对典型类型基站总功耗进行统计分析，最后提出5G基站能耗管控措施。

1.1 对5G基站功耗与4G基站对比分析

主流5G主设备厂家的设备功耗统计如表1所示。

表1 主流5G主设备功耗统计表

主流4G主设备厂家的设备功耗统计如表2所示。

表2 主流4G主设备功耗统计表

通过对以上两个表中数据对比分析，5G主设备功耗约为4G主设备的2～3倍。

1.2 对典型类型基站总功耗统计分析

自2008年工信部《关于推进电信基础设施共建共享的紧急通知》（工信部通[2008]235号）文件下发以来，三大运营商积极落实共建共享政策。在落实“网络强国”战略、深化国企改革、促进电信基础设施资源共享的背景下，2014年成立了铁塔公司，负责三大运营商的基站塔桅和配套建设，把基站共享推上了新的高潮。在两阶段政策作用下，现在大部分基站（物理站点）有多家运营商的多套通信系统。

此处对三家运营商的基站进行功耗统计分析，如表3所示。

表3 三家运营商基站功耗统计表

两家运营商共享基站（物理站点）以中国电信和中国移动为例：单基站典型站型的总功耗约为16130W。

三家运营商共享基站（物理站点）：单基站典型站型的总功耗约为24730W。

1.3 5G基站能耗管控措施

通过以上分析可得出，5G基站功耗大，单基站（物理站点）能耗大幅增加，随着5G大规模建设，基站能耗问题更加得到大家关注。进行5G基站能耗管控，可以降低运营商建设维护成本，同时起到节能减排的作用。本文提出几点5G基站能耗管控措施，具体如下：

（1）5G共建

中国电信和中国联通5G共建，在实现节省主设备和配套投资的同时，也大幅降低了5G基站能耗。

（2）新建4G/5G混模设备

替换或改造原有4G设备，实现4G/5G混模，以降低功耗，目前已有成熟产品，例如中兴A9611A。

（3）Massive MIMO通道数选择

大规模天线技术具有较多优点，5G基站建设主要选用64TR/32TR/16TR/4TR（Transmitter Receiver，发射接收器），通道数越多系统容量等指标越好，但也会带来造价高、体积大导致安装难度大、功耗大等问题。对通道数与AAU功耗大小的相关性统计分析，以华为和诺基亚AAU为例（见表4）：

表4 通道数与AAU功耗相关性对比表

同厂家除通道数外其他配置相同的AAU， 64T4R功耗比32T32R高约17%。建议5G建设时，根据不同覆盖场景选择合适通道数的AAU，郊农区域可选择32T32R或16T16R，以降低造价和功耗。

（4）CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit，集中式单元/分布式单元）集中放置

CU/DU集中放置，集中供电，提高能效，减低能耗。

（5）开发BBU（Base band Unite，基带处理单元）资源池

开发BBU资源池，进行基带共享，以减少BBU数量，降低能耗。

（6）AAU交流供电

从重要性和供电条件两个维度对5G基站进行分类，选择性地提供后备电保障。重要性低和供电条件好的5G基站采用交流供电，以节省开关电源和蓄电池的耗电。

（7）降低设备发射功率，选用高增益天线

适当降低设备发射功率，通过提高天线增益和赋行增益弥补，兼顾天线增益和尺寸以便于安装。

（8）对现有基站系统进行改造

主要包括4个方面：对老旧空调系统替换改造、对现有机房进行改造、对老旧电源设备进行替换改造、部分站点直流改交流。

（9）部分系统有计划退网

近年来小灵通、TD-SCDMA已完成退网，中国电信CDMA2000和中国联通GSM将有计划地进行退网。

2 5G基站环境影响

2.1 对5G基站天线口发射功率与4G对比分析

由于5G使用高频段，传播损耗大，因此要求的天线口发射功率高，5G宏站AAU输出功率一般为200W/240W、天线增益24.5dBi，换算5G天线口发射功率约为28184W/67641W，而4G宏站RRU输出功率范围为60～80W、天线增益以15dBi为例，换算4G天线口发射功率约为1897～2530W，5G基站天线口输出功率约为4G的15～27倍。

2.2 对典型类型基站总输出功率统计分析

因多年实施共建共享政策，基站（物理站点）普遍有多家运营商的多套通信系统，此处对三家运营商基站总输出功率统计分析。如表5所示。

表5 三家运营商基站总输出功率统计表

两家运营商共享基站（物理站点）以中国电信和中国移动为例：单基站总输出功率（单扇区）约为900W（不包括天线增益）。

三家运营商共享基站（物理站点）：单基站总输出功率（单扇区）约为1280W（不包括天线增益）。

2.3 5G基站防护措施

（1）安全保护距离分析

为防止电磁辐射污染、保护环境、保障公众健康、促进伴有电磁辐射的正当实践的发展，国家环境保护局发布了《电磁辐射防护规定》（GB 8702-2014），主要相关条款如下：

a.在30～3000（MHz）频率范围内，对公众的电磁辐射防护标准为电磁辐射源在接受点产生的功率密度小于0.4 W/m2。

b.在3000～15000（MHz）频率范围内，对公众的电磁辐射防护标准为电磁辐射源在接受点产生的功率密度小于f/7500 W/m2。

水平保护距离:

P：天线口功率，W（这里应取设备标称功率-馈线损耗）；

S：功率密度，W/m2；

A：天线俯/仰角，°。

根据水平保护距离，测算垂直保护距离:

根据半功率角度方向的保护距离，垂直保护距离：

θ：垂直半功率张角

比较h1和h2，选取较大值为基站的垂直保护距离。

本文分别对3.5GHz频段和4.9GHz频段的5G基站，以天线口功率P＝200W，天线增益G＝282倍（24.5dBi），下倾角α=9°（天线挂高30米，覆盖半径250米），垂直半功率角θ=15°为例计算保护距离，具体如下：

◆5G 3.5GHz频段

水平保护距离:

垂直保护距离：

根据以上计算可得出，3.5GHz频段5G基站水平保护距离为96.86米，垂直保护距离为19.7米。

◆5G 4.9GHz频段

水平保护距离:

垂直保护距离:

由以上计算可得出，4.9GHz频段5G基站水平保护距离为81.86米，垂直保护距离为16.65米。

（2）穿透损耗

建筑组成的材料种类繁多，不同情况下穿透损耗差距较大，根据3GPP R-REP-P.2346，5G部分情况下穿透损耗值如下：

10cm&20cm厚混凝土板（concrete slab）：16～20dB

1cm镀膜玻璃（0度入射角）：25dB

外墙+单项透视镀膜玻璃：29dB

外墙+一堵内墙：44dB

外墙+两堵内墙：58dB

外墙+电梯：47dB

（3）防护和控制措施

根据以上水平安全距离和垂直安全距离计算结果及穿透损耗值进行分析可得出，建筑物内的电磁辐射值在安全范围内，在有些特殊场景需要注意防护，或采取控制措施。

a.塔高小于20米的楼顶塔，不要长时间站在塔底下，不要正对天线主瓣方向。

b.楼顶抱杆或美化天线，在楼顶如有需要可站在天线背后，不要正对天线主瓣方向。

c.若天线距离人员活动场地较近无法避免，适当调低设备发射功率，选用低增益天线。

d.落地塔距离建筑物很近的情况，调整天线方向角，尽量不要近距离正对建筑物。

3 结束语

通过对5G基站功耗分析，并与4G基站对比及对典型类型基站（物理站点）总功耗进行统计分析，得出5G基站功耗是其他通信系统的数倍，这导致基站（物理站点）总功耗大幅增加，5G基站能耗管控比以往更加重要，基于此对5G基站建设提出5G共建、新建4G/5G混模设备、Massive MIMO通道数选择、CU/DU集中放置、开发BBU资源池、AAU交流供电、降低设备功率，选用高增益智能天线、对现有基站系统进行改造、部分系统有计划退网等9条能耗管控措施。

由于制式和频段原因，5G基站功耗大，天线口输出功率较其他通信系统大幅提高，本文分别对3.5GHz频段和4.9GHz频段5G基站计算水平保护距离和垂直保护距离，分析基站对周围环境的影响，并提出几点特殊场景的防护和控制措施。