5G即將實現(xiàn)全面商用，可以預(yù)見的是，5G將作為核心底層基礎(chǔ)設(shè)施滲透到各行業(yè)中。5G時代，通信行業(yè)產(chǎn)生的電力消耗也可想而知，有相關(guān)預(yù)測指出，到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力。其中，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。
5G基站是耗電大戶，但不能撇開“能力”看“能耗”。5G網(wǎng)絡(luò)“能者多勞”勢必會增加基站的絕對能耗，而5G基站單位比特流量功耗僅為4G的1/5左右。盡管5G基站的能量效率更高，但運營商仍在為絕對能耗過高而發(fā)愁，5G單點基站的功耗為4G單站的2.5倍～3.5倍。那么，高耗能是否會成為5G規(guī)模商用的攔路虎？5G基站絕對能耗高究竟怎么破？
高耗電伴隨高能效比
自從啟動5G商用以來，加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)便成為我國發(fā)展的重要任務(wù)。而5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的根本在于基站的建設(shè)。5G不光是一張面向公眾的消費級網(wǎng)絡(luò)，更是能深入行業(yè)細分領(lǐng)域的、具有確定性的、靈活可定制化的網(wǎng)絡(luò)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進程提速，4K/8K、VR/AR、自動駕駛、機器人、視頻監(jiān)控等應(yīng)用蓬勃生長。
這樣一張賦能各行各業(yè)的網(wǎng)絡(luò)，其耗電量也非?？捎^。相關(guān)預(yù)測指出，到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力，其中基站是耗電大戶，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，目前主要運營商的5G基站主設(shè)備空載功耗約2.2～2.3千瓦，滿載功耗約3.7～3.9千瓦，是4G單站的三倍左右。
中國通信服務(wù)EPTC電力信通專家委員會成員、中國電機工程學(xué)會能源互聯(lián)網(wǎng)分會專業(yè)委員楊軍對《中國電子報》記者表示，5G基站本身的能耗主要來源于基站的CU/DU（基帶處理單元）設(shè)備和AAU（大規(guī)模天線陣列）。CU/DU消耗的電量主要用于計算，包括數(shù)字部分處理、管理和控制、核心網(wǎng)和其他基站間通信等。由于CU/DU的功率比較穩(wěn)定，不受太大的業(yè)務(wù)負荷影響。而AAU則不同，隨著負荷的增加，功耗也大幅增加。據(jù)楊軍介紹，AAU設(shè)備內(nèi)部集成了天線陣列、最高64個射頻通道和部分基帶功能，其能耗占基站設(shè)備總能耗的80%以上。除了基站設(shè)備本身產(chǎn)生的能耗之外，為保持基站機房恒溫的空調(diào)制冷電力消耗，以及市電轉(zhuǎn)換無功損耗等帶來的電力消耗,也值得關(guān)注。
“能耗要從兩方面來看，一個是絕對能耗，另一個就是跟它的帶寬除下來的能效。如果是從它能夠傳輸?shù)摹忍芈省嵌葋碚f，實際上5G比4G強?！睏钴娭赋?，5G的理論峰值速率為1G，約為4G（峰值速率）100M的10倍。5G基站的覆蓋半徑為100～300米，比4G基站的（覆蓋半徑）1～3公里密集很多倍。5G基站天線的系統(tǒng)容量和發(fā)射功率也是4G的好幾倍?？梢哉f，雖然5G基站能耗的絕對值在增加，但能效比（單位比特承載效率）相比4G大幅提升。5G（64通道160MHz）相比4G（8通道60MHz）設(shè)備吞吐量提升10倍，單位比特流量功耗僅為4G的1/2左右，從傳輸效率看其實5G比4G更節(jié)能。
降低絕對能耗迫在眉睫
盡管如此，絕對耗電量成倍增長引發(fā)電費直線上升，這讓運營商寢食難安。經(jīng)測算，以當(dāng)前平均1.3元/度的轉(zhuǎn)供電價計算，單個4G基站每年的電費是20280元，單個5G基站每年的電費將高達54600元。據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2022年，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模至少達到250萬站，屆時三大運營商5G網(wǎng)絡(luò)能耗成本將至少達到每年575億元～750億元。因此，預(yù)估5G的網(wǎng)絡(luò)運營成本將是4G的10倍以上。中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院無線研究部副主任李福昌在接受《中國電子報》記者采訪時表示，基站能耗的升高，會大幅提升5G網(wǎng)絡(luò)的運營成本，為運營商實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來壓力。因此獲得的電費減免和補貼，可以在短期內(nèi)解決運營商5G網(wǎng)絡(luò)運營成本居高不下的燃眉之急。
目前，各地紛紛出臺相關(guān)政策，以降低電信企業(yè)用電成本。比如，山西提出，從2020到2022年對參與市場交易后的5G基站，其實繳電費超出目標(biāo)電價0.35元/千瓦時的部分，由省、市、縣三級按照5∶2∶3的比例給予相應(yīng)支持，每年用于5G基站電價補貼的省級財政資金總額不超過5000萬元。據(jù)山西鐵塔初步預(yù)測，上述補貼可以使5G基站用電單價下降約三成。廣東則提出加快轉(zhuǎn)供電改造，改造投資的分攤以用戶紅線邊低壓計量裝置為分界點，分界點電源側(cè)由供電部門投資，分界點負荷側(cè)由用戶投資。
據(jù)了解，通信基站電費目前由中國鐵塔代運營商統(tǒng)一向電力部門繳納。中國鐵塔正協(xié)同三大運營商，一方面積極爭取國家對5G網(wǎng)絡(luò)用電電費優(yōu)惠政策，另一方面大力推進轉(zhuǎn)供電站址“轉(zhuǎn)改直”工作，以節(jié)省電費開支。中國鐵塔相關(guān)負責(zé)人表示，目前建成的5G站址，80%的用電約為直供電（指由電網(wǎng)企業(yè)直接供電），約20%是轉(zhuǎn)供電（指由物業(yè)公司等電網(wǎng)企業(yè)之外的主體供電），轉(zhuǎn)供電站址平均電價大幅高于直供電平均電價。預(yù)計到2020年底，轉(zhuǎn)供電站址中不低于50%的比例可改成直供電，有望每年節(jié)省電費約15億元。
基站節(jié)能還要“軟硬兼施”
長期來看，5G基站節(jié)能還要從“源頭”入手，即從基站的硬件側(cè)和軟件側(cè)來實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。
李福昌向記者指出，硬件節(jié)能方案主要通過優(yōu)化設(shè)備硬件設(shè)計、改進生成工藝、設(shè)備集成度等手段，達到降低基站設(shè)備基礎(chǔ)能耗、不斷提高基站設(shè)備能源利用率的目的。比如，在基帶板方面推進高集成度和低功耗ASIC芯片解決方案、數(shù)字中頻推進下一代7nm/5nm ASIC芯片、不斷提高芯片的集成度、減少芯片使用數(shù)量等。
而軟件節(jié)能則是基于業(yè)務(wù)負荷狀態(tài)對基站資源進行合理調(diào)度，在運行基站時更好地降本增效?！皬能浖?cè)入手實施有效的節(jié)能方案，是根據(jù)業(yè)務(wù)在時間、空間等分布特征，以及網(wǎng)絡(luò)負荷的變化。在保證預(yù)定指標(biāo)的前提下，通過調(diào)整基站軟件功能配置對硬件資源進行合理調(diào)配，從而達到節(jié)約基站能耗的目的?！崩罡２硎?。
AI、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)將輔助軟件節(jié)能優(yōu)化方案更上一個臺階。楊軍表示，基站的符號關(guān)斷、載波關(guān)斷、頻道關(guān)斷、深度休眠是網(wǎng)絡(luò)管理精細化的重要趨勢。在執(zhí)行基站深度休眠時，基于AI的5G基站能耗分析和控制平臺可針對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶分布、場景特征等數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)算法對歷史數(shù)據(jù)進行人工智能判斷，采用下發(fā)不同的關(guān)斷指令策略，在不妨礙用戶正常使用網(wǎng)絡(luò)的前提下達到最優(yōu)節(jié)能效果。
最近，中國聯(lián)通洛陽分公司分別對不同基站射頻單元設(shè)備（AAU）分不同時段開啟空載狀態(tài)下的深度休眠功能。比如，對于未進行單站驗證或單站驗證完畢的站點，全時段開啟AAU深度休眠功能；對于正在進行單站驗證的站點，分時段開啟AAU深度休眠功能（21：00-次日9：00）。分時段實施深度休眠能使5G單基站AAU功耗從空載時候的三、四百瓦降低到一百瓦左右。
