5G时代基站耗电量大的应对策略

2021-11-22焦安群陈超高宏亮宋立臣

电子技术与软件工程 2021年4期

焦安群陈超高宏亮宋立臣

（中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司黑龙江省哈尔滨市 150000）

5G 网络的传输效率、安全性都更高，这是传统的2G、3G 和4G 网络技术所难以达到的，在信息时代到来以后，人们对网络传输量、传输速率等都提出了越来越高的要求和标准，正是因为这种网络技术需求，刺激了我国5G 技术的发展。近年来，我国的5G技术发展迅猛，为推进5G 网络的全覆盖，5G 基站的建设数量急剧增加，但因为5G 基站的建设特殊性，导致基站运行时，很多设备设施都伴随着耗电量大的特点，难以促进基站节能目标的实现。因此，5G 基站中的耗电量控制尤为重要。

1 5G网络技术的优势和特性

伴随着信息技术的日渐进步，5G 网络技术成为了信息通信领域的关键技术，完善了我国的通信网络结构。与传统的信息通信网络技术相比，5G 网络技术的出现符合信息时代的发展特点和要求，具有突出的技术优势。

1.1 5G网络技术是时代发展的必然需求

5G 技术是信息时代的技术产物，5G 技术的推广符合时代发展要求，尤其是在当下智慧城市建设时，5G 技术是不可或缺的技术。通过5G网络技术，通信不再局限于人与人之间，还可以实现人与物、物与物之间，尤其是物联网形成以后，信息传输和交流更为便捷且高效，有效突破了传统的技术限制。

1.2 5G网络技术具有优势性

传统的网络技术存在着较大的技术局限性，而5G 技术的数据传输总量大、速度高，在数据传输的过程中产生的能源消耗非常小，正是因为如此，在生产生活中的5G 技术应用，可以给人们提供更为良好的网络体验，不仅提高了网络体系的应用价值，更是节约了网络资源。

1.3 5G网络技术的泛在网特性

随着人们生产生活中对网络技术的依赖性有所增强，网络的覆盖面逐步扩大，网络信息技术已然成为了不可或缺的技术。5G 技术具有泛在网特性，相关领域在5G 网络技术应用时，可以逐步在此基础上进行网络业务和覆盖范围的扩展，也就可以满足更深层次的网络服务需求。

2 5G基站建设所面临的实际问题分析

2.1 5G基站相关设备重量大

当下我国的5G 网络并未完全覆盖，大部分还是以4G 网络为主，5G 基站与4G 基站相比，为满足网络覆盖需求，在基站内配备的是更大规模、功能更强的设备。根据当下我国5G 基站的建设情况，AUU 设备是其中的重要构成，此设备的重量达到了40kg 左右，而4G 基站中的AUU 设备，其重量仅仅为15kg[1]。此外，5G 基站中的CU/DU 设备，其重量也远远超出了4G 基站同种设备的重量。正是因为基站中各种设备的体积庞大、重量偏重，使得在基站设计运营时应注重能耗管理。

2.2 5G基站其基站建设的耗能更高

5G 基站建设和运营中的能耗偏高，根据当下我国5G 基站的建设现状，以不同设备提供厂商所提供的A、B、C 三种CU/DU合设以及AUU 设备来分析，CU/DU 合设的典型功耗一般保持在315 ～900W 范围内，而4G 基站的CU/DU 合设典型功能保持在145W 左右，因此，CU/DU 合设的能耗中，5G 基站的能耗远远高于4G 基站能耗[2]。同样，AUU 设备中，5G 基站的设备能耗也同样较高，保持在700 ～1000W 之间，整个的运行过程中。因此，我国5G 基站建设中，设备能耗是4G 基站能耗的几倍甚至数十倍。

2.3 5G基站建设的费用提升

5G 技术的先进性较强，正是因为如此，在5G 基站的建设过程中，为满足其服务需求，往往需加大在技术、设备等方面的投入，也就同步增大了5G 基站的建设费用。比如，在部分5G 基站建设时，为提升基站功能，一般会通过增加纤芯来提高传输的效率，还需同步配备高性能的铁塔，做好对外电和其他配套设备设施的改造，5G 基站建设方面的资金投入总量较多。

3 通信基站耗电量来源分析

结合工信部相应的数据统计指标，在2019年全过程通信业务总量的增长速度明显，在5G 基站建设和网络覆盖方面取得了卓越的成就，部分地区已然开始了5G 网络技术应用。数据调查显示，在2019年年末，我国5G 基站的建设总数已经超过了13 万，国内5G 手机的销售总量、业务也都逐年增加。通信网络系统中，基站是其中的重要构成，整个基站运营的过程中，电能消耗量是非常大的，比如，以某地区铁塔来看，通信基站电费支出占据了总营业收入的20%，甚至有时该电费支出高于公司利润。

5G 基站内包含的设备设施数量较多，根据耗电量调查，传输设备、基站主设备、动力配套设备、环境温度控制设备、监控设备、照明设备等的耗电量都相对较高，其中基站主设备、环境温度控制设备的电能消耗量最大。

根据当下5G 基站的设备配备情况，SDH、PTN、PDH 等均是主要的传输设备，这些设备的配备和使用主要是为了在基站运行的过程中有效保障数据的高效、安全传输。结合这些设备运行中的使用情况来看，这些传输设备的功率比较小，一般在250W 以内，耗电量偏低；基站主设备同样是基站设备中的重要构成，以BBU、AAU 为主，这些设备的存在是为了在基站运行的过程中实现对用户数据的有效调制和收发，结合这些设备的运行和使用情况，AAU的电能消耗最高[3]。

在我国的设备市场上，AAU 设备厂家非常多，不同厂家所生产的AAU 设备在运行时的能耗也有所区别，当前市场上的AAU设备生产厂家主要为华为、摩托罗拉、爱立信等，其中，华为的设备市场占有率是最高的，结合设备运行时的功耗分析，3 台AAU设备的能耗基本上保持在2.5kW 左右。从5G 基站的总体运行来看，AAU 主设备的耗电量占据了总耗电量的30%～40%之间，是主要的耗电量来源。5G 通信基站中同样存在动力配套设备如开关电源、蓄电池的配备，这些设备的使用可以在基站运行的过程中，有效将交流电转变为直流电，为基站主设备、传输系统、其他设备等提供了足够的电能资源，在基站出现了异常断电情况时，蓄电池可以作为备用电源使用，保持基站的正常运转[4]。在动力配套系统的运行过程中，电能消耗来自于交流电向直流电转换时的能耗。结合运行情况，一些性能比较好的动力配套系统在交流电向直流电转换时的效率可以高达85%甚至90%以上，电能损耗相对较低。蓄电池在充电和放电时才会存在一定的能耗，且此能耗偏低，几乎可以忽略不计。

5G 基站中配备的设备设施非常多，这些设备设施在运行的过程中有着一定的温度和湿度等环境标准，为了给设备创造良好的运行环境，在基站建设时还应该配备环境温度控制设备，由该设备来对基站内的各种环境参数加以适当的调节与控制[5]。比如，对大多数的5G 基站而言，其在运行的过程中都会配备空调通风系统或者智能通风系统，由该系统对基站内的相关环境参数进行控制。环境温度控制系统运行的过程中，也会伴随着一定的电能消耗，如某5G 基站空调系统运行时，在夏季平均每天的耗电量达到了50kWh，该耗电量达到了基站总耗电量的45%。

4 5G时代基站耗电量大的应对策略

4.1 符号控制关断策略

结合5G 基站中的耗电量情况，在电能消耗控制方面，符合控制关断策略非常有效。在整个基站的运行过程中，数据接收和传送频率相对较高，正是因为如此，AAU 射频器件的工作频率偏高，电能消耗大，即使在不进行信号发送的前提下，功率放大器也伴随着一定的静态电能消耗，这部分能耗的产生与信号传输不存在直接的关系，可以在日常的工作中通过相应的策略来减少这部分能耗。在能耗控制上，在维持基站内相关设备设施正常运行的前提下，符号控制关断策略完全可以减少射频器件不必要的电能损耗，具体的控制中，通过终端管理系统对当前时段的数据量开展全过程监测，随后根据监测结果选择特定符号标记业务数据量，一旦发现该时段处于无有效信息传输状态时，就会由相应的智能控制系统来进行功率放大器栅极电压的调节，或者立即关闭功率放大器，减少不必要的电能消耗[6]。

4.2 通道控制策略

5G 基站的耗电量控制方面，通道控制策略也较为常用，但在5G 基站的运行过程中出现了某一区域不存在数据传输或者数据传输量较小时，可以结合颗粒度的差异情况，及时将对应的通道关闭，进而来减少能耗。对5G基站的运行来看，在白天的传输任务量偏大，基本上不会出现无数据传输的现象，夜间的业务量偏低，通道控制策略最为有效。在利用通道控制策略开展耗电能控制的过程中，应选定最佳的时间段，且在该时间段内通电关断开关处于打开条件下，此时，控制系统可以自动对上行或者下行资源块的具体利用情况加以全面检测，一旦发现达到了通道关断的条件，就可以直接启动这一策略，在其中选择与TRX通道条件相一致的通道实施关断处理[7]。但因为通道控制策略的特殊性，在利用该策略实施能耗控制时，为达到最佳的控制效果，相关人员应分析通道关断状态下对于各个网络性能参数所造成的直接影响。

4.3 4/5G协同工作策略

近年来，随着5G 技术的发展速率非常快，但5G 网络并未得到完全的普及与推广，网络市场上存在4G 和5G 并存的现象。根据5G 技术的发展，高速度、大容量需求下的数据业务中多采用的是5G 技术，而在夜间等特殊的时间段内，因为需求相对较小或者基本没有业务需求，为了有效降低基站的耗电总量，可以通过4G和5G 的协同工作方式来实现控制，就是关闭5G 射频工作器件，利用4G 网络来满足用户的需求。5G 载波方式为3.5G 单载波，这就使得在载波关断的过程中，主要是在系统间完成的，也就使得要保持4G 和5G 的协同操作与控制。根据当前4G 基站和5G 基站的相关数据调查和分析，专业人员为了有效对耗电总量加以控制，应结合系统需求来选择最佳的关断时间，并保障门限阈值设置的合理性，一旦5G 网络的业务负荷小于阈值时，就可以立即关闭5G 载波。

4.4 休眠机制

对于一些特殊的场所而言，其网络业务需求有着明显的时段特征，如商场、景区或者地铁等公共场所而言，虽然人员密集，但这种密集性特征呈现出明显的时段特征，早上七点到晚上十点的人员更为集中，在商场、景区等过了营业点以后，这些场所内的人员数量急剧降低，此时的网络需求同步减少。因此，针对这类特殊的场所，在5G 基站耗电量的控制方面，可以通过休眠机制的引入来减少不必要的电能消耗，当停止营业时间段中的业务需求相对较少的情况下，可以采用分布式皮站设备来辅助休眠模式的启动，使得大部分设备元件处于关闭或者断电的情况下，当超过了设定时间段，休眠状态会立即解锁，重新进入正常的网络业务服务条件下。