5G基站太费电，有节能的办法吗？

　　随着中国5G基站部署规模的扩大，近一年多来，5G基站能耗惊人的说法甚嚣尘上。所谓众口铄金，5G基站似乎坐实了＂电老虎＂的尴尬地位。
　　尤其是这张某运营商的内部流出照片，从中可以看出，某供应商的5G AAU满载功耗高达1127瓦，而4G RRU则仅为290瓦，这两个数值相差极为悬殊。
　　数据在此，铁证如山，我们不得不承认，目前5G的能耗确实远高于4G。
　　因此在移动的节能技术白皮书中，也明确地写着：＂2019 年初 5G 基站功耗约为 4G 基站的 3~4 倍，高功耗是运营商大规模部署 5G 的棘手问题。 ＂
　　联通也在其白皮书中写道：＂5G基站设备能耗在单个站点（机房）能耗比例预计将达到 50%。因此降低 5G 基站设备能耗将是未来提升无线网络能效的重要手段之一。 ＂
　　一时之间，5G基站的能耗问题成了众矢之的。然而，这只是部分事实，并非全部真相！
　　看完本文，你将会了解：5G基站为什么能耗高？基站内哪些模块最耗电？目前都有哪些基站节能方案？5G手机有省电功能吗？
　　一、能耗和能效
　　我们看看下面一组5G和4G的数据比较，可能会有不一样的认识：
　　首先，5G的Sub6G频段载波带宽最大是100MHz，而4G的单载波带宽仅为20MHz。也就是说，5G的载波带宽，是4G的5倍。
　　然后，主流的5G AAU采用大规模天线阵列，拥有64路数据收发通道，而4G设备最多也就4T4R，仅有4路数据收发通道。也就是说，5G的收发通道数，是4G的16倍。
　　在上述两点的加持之下，5G的小区下行峰值速率可达7.2Gbps，而4G的峰值速率仅为400Mbps（0.4Gbps）。也就是说，5G小区单位时间可发送的数据是4G的18倍！
　　5G的传输速率如此之高，耗电量比4G多一些，就遭受如此多的非议，真是既要马儿跑，又要马儿不吃草啊。
　　对于数据传输速率和能耗之间的关系，业界早有一个概念，叫做＂能效 ＂。其意思就是网络对电能的利用效率，能效越高，每度电能传输的数据越多。
　　根据前面图片中提到的数据简单算一下，便可知理论上4G每度电可下载 620 GB的数据，而5G则每度电可下载 2875 GB的数据。也就是说，5G的能效是4G的4.6倍！
　　因此，只看能耗，不讲能效，简单地说5G太过耗电是不负责任的 。
　　但在三大运营商目前的4G和5G网络中，5G基站的产生的数据量少，电费占比又高确实不争的事实。
　　据统计，在某地的4/5G网络中，5G基站的数量是4G基站的1/7，5G流量占比仅为2%，而能耗占比却达到了全网的30%。
　　这不科学啊，明明是5G的能效高，咋能是如此不堪的实测结果呢？
　　原因很简单，我们目前尚处于5G初级发展的初级阶段，网络中5G手机少，也缺少对流量异常饥渴的杀手锏应用，导致5G网络实际上干着4G的活儿，根本达不到理想的网络利用率。
　　这就像让一个壮汉静坐着绣花一样，有力使不出憋得慌，纵使比小姑娘绣的好还快，可这位壮汉的饭量是小姑娘的好几倍啊，综合起来看就是食物的利用率不高。
　　从上图可以看出，在5G部署初期，网络的理论容量上了一个台阶，能耗也随之大涨，但话务量还没起来，导致能效处于低谷，只能眼睁睁地看着电能的流逝而创造不了应有的价值。
　　因此，我们确实需要降低5G网络能耗。毕竟运营商数据业务增量不增收的窘境由来已久，成本能省一点是一点，何况这5G的流量也还没增起来。
　　二、网络耗电情况分析
　　话说运营商的成本大体上分为两大块：资产支出和运营费用。资产支出就是运营商用来买设备的钱，运营费用就是维护网络正常运转所支出的费用，电费当然属于运营成本的一部分。
　　运营费用包罗万象，占比多的有营销费用，网间结算，人力成本，站点租金，设备维护等等，其中电费约占15%到30%，不同运营商的数据都不尽相同。
　　这些电费是如何产生的呢？我们且看下面这张图。
　　首先，运营商从电网取得交流电，但机房里绝大多数的设备都无法直接使用交流电，因此需要通过整流器，把交流电转换为直流电。在这个过程中会有2%到5%的能量损失。
　　然后，直流电需要通过电源分配模块，把输入的电源分到机房内的多个设备上去，比如BBU一路电，每个RRU各一路电，一般每个站点都会有一个BBU，以及3到9个RRU。这个过程中会有1%到12%的能量损失。
　　最后，剩余的82%到97%的电能被传送到基站的BBU和RRU（或者AAU），以及传输设备来驱动数据处理和传输，之后一部分化作天线的信号发射出去和手机通信，大部分则成为热耗消散于无形。如果热耗导致机房温度过高，还需空调降温，使机房的能耗更高。
　　基站设备是机房的核心，也是最关键的耗能设备。其内包含基带单元（BBU）和射频单元（5G AAU）， 其中，射频单元（AAU）约占整个基站能耗的90%，是不折不扣的耗电大户。
　　BBU的功耗占比为10%，且其功耗比较稳定，一般与基站的话务量关系不大。而AAU的功耗则和站点的负荷密切相关，流量越大，功耗越高。
　　由上图可以看出，AAU中的耗能大户是功放，小信号处理，及中频这几个模块，功放是其中最关键的耗能器件，且负荷越高，功放的耗能占比越高。
　　想要让基站更省电，首先就要让设备本身的硬件设计省电，然后就是根据在上网流量低的时间段（比如凌晨）关闭基站内的部分模块，让基站休眠来省电。
　　下面将详细讲述这些节能技术。
　　三、网络节能方案
　　要实现基站节能效果，不但需要从硬件上提升，还要从软件上优化，必要时引入大数据和人工智能来辅助。可分为设备级，站点级，网络级这三个节能层次。
　　3.1 设备级节能
　　首先让我们再来回顾一下AAU内部各个模块在不同负荷下的能耗占比。
　　要让基站设备的能耗更低，首先得从＂芯 ＂开始。不断引入高集成度、高性能基带处理、数字中频处理芯片，配合使用高集成度收发信机，来让这些模块把基础能耗降下来。
　　最直接的办法就是，芯片的制程工艺从28nm，14nm 向10nm，7nm升级，再向5nm发起冲击，只为缩小面积，提升集成度，增强性能降低功耗！
　　上述的工作还远不够，更重要的是需不断提升功耗的扛把子器件——功放的工作效率 。
　　功放的全称是功率放大器（英文是 Power Amplifier，简称PA），其作用是把上级模块处理过的信号功率放大，之后才能使用天线往外发射。
　　AAU有一个非常重要的指标，就是发射功率，一般在200到300多瓦，这一切的实现大都是功放的功劳。
　　功放的核心指标则是＂功放效率 ＂。算法很简单，就是用功放的输出功率除以输入功率，再换算成百分比。
　　以下图为例，功放的输入功率为1000W，最终输出了200W的发射信号，可计算得出：功放效率为20%。这个值是非常低的，为了获得200W的信号功率，产生了800W的热耗。
　　业界通过坚持不懈的努力，采用氮化镓等新材料，并不断优化算法，最终让AAU内的功放效率提升到了50%。
　　通过上述这些努力，可大幅降低设备的硬件本身的工作能耗。下来的站点级节能，就是要通过软件算法来在空闲时间优化或者关闭部分模块，更进达到更近一步省电的目的。
　　3.2 站点级节能
　　站点级节能在设备级节能的基础上，通过软件算法，在网络空闲时段关闭站点内的部分器件来实现节能效果，主要包含功放调压，符号关闭，通道关闭，小区关闭，深度休眠等技术。
　　3.2.1 功放调压
　　首先，我们还是从功放这个核心器件下手。
　　功放的工作电压在和它的输出功率相匹配时，效率才能达到最优。一般来说，功放的工作电压是为了满足最大机顶功率而设计的。
　　但在实际应用中，往往射频模块的输出功率并未完全使用，或者在闲时关闭了部分载波，从而不需要功放输出最大功率。这样一来，功放就无法工作在最高效率的状态。
　　因此，我们需要灵活地调整功放的工作电压，让功放尽可能地工作在高效率状态，从而达到节能的目的。这就是＂功放调压 ＂技术。
　　功放调压技术在2G，3G和4G阶段已经被广泛应用，主要用于RRU的节能，在5G时代可以延续发挥作用。
　　3.2.2 符号关闭
　　在网络运行中，不可能总是处于大流量状态，总是有的时候忙一些，有的时候闲一些。这就为我们提供了节能的机会。
　　以Sub6G频段，子载波间隔30KHz的5G小区为例，其一个时隙的时长是0.5毫秒，内含14个符号，每个符号0.357毫秒。如果某个符号没有用户需要发数据，那么就把功放关闭，到下一个符号时再打开。
　　这个功能在实现时还可以更主动一些，那就是网络尽可能地把大部分用户的数据都攒到同一个符号（同一时间）上发送，这样其他时隙关闭的概率就大了很多。
　　虽然符号关闭看起来不起眼，关闭一个符号，才多大点时间，能省多少电？但积少成多，还是可以达到相当的省电效果的。
　　3.2.3 通道关闭
　　5G AAU的核心技术是Massive MIMO，由大量的天线振子组成，内部可支持多达64个功放，实现64通道的信号发射。
　　在早晚高峰期，多个用户都在用手机进行大流量业务，64个通道的AAU可提供多达16路数据独立发射，小区容量非常高。但到了夜深人静的时候，网络基本没什么人用，这64通道却还在孜孜不倦地工作，这样确实太费电了。
　　因此，可以随着话务量的降低，逐步关闭AAU内的部分通道，比如从64通道降低到48通道，再降低到32通道乃至16通道，来达到省电的目的。
　　3.2.4 小区关闭
　　一般来说，一张无线通信网都是由900M，1800M，2100M，2600M，4900M等多个频率层，以及2G，3G，4G和5G等多种制式组成的多频多模网。
　　低频段由于传输损耗小，穿透能力强，一般用作连续覆盖层。而高频段一般带宽较大，但覆盖性能不佳，一般用作容量层。
　　因此，在低话务时段，网络非常空闲，可以干脆关闭高频网络层小区，只使用低频小区来提供基础覆盖。
　　以下图为例，在NSA场景下，4G小区频段低，属于覆盖层，而5G小区频段高，属于容量层，用来进行热点覆盖补充。
　　到了低话务时段，反正没有什么人用，可以把5G小区直接关闭，4G小区提供的覆盖和容量也足以满足全部业务使用。
　　3.2.5 深度休眠
　　5G小区关闭之后，AAU就可以进入深度休眠模式，直接沉睡过去，实现极致省电。
　　下图是AAU的内部结构图，可以看出，在进入深度休眠模式之后，基带处理，数字中频，小信号处理，以及功放模块这些耗电大户都被关闭，只保留电源模块和eCPRI接口单元醒着随时待命。
　　3.3 网络级节能
　　上面的站点级节能技术已经够牛了，但执行起来还是有些不尽人意之处。
　　首先，有下面这些问题需要回答：哪些需要站点可以开通节能？在什么时间段开启效果好？各种节能功能关这关那的，大量的参数该如何配置优化才能不影响下网络性能？
　　要回答上述问题，就需要对整网大量站点的容量，负荷，话务趋势，参数配置进行大量的分析，才能确定可以开哪些节能功能，什么时间开启，以及参数如何设置。
　　即便如此，为了保障网络KPI不恶化，节能功能的开通及参数配置往往都是非常保守的，最终取得的节能效果必然大打折扣。
　　在这个大数据和人工智能起飞的时代，无线通信的大量用户无时无刻都在网络中产生海量的数据，非常适合于大数据的应用和人工智能（Artificial Intelligence，AI）的实施。
　　因此5G的网络节能也需要搭载AI技术，让话务预测，节能策略分析，参数优化，效果评估的循环自动化，智能化，从而脱离脱离低效的人工干预。
　　如上图所示，AI节能系统在初始数据设置完成之后，便开始执行。如果节能生效且网络KPI在可接受范围，则进一步优化节能参数并试图获得更佳的节能效果。
　　如果KPI恶化，则要把节能参数撤回之前的版本。如此循环往复，最终使网络中的所有站点达到最佳的节能状态。
　　这一切操作，都是由机器自动完成，从而把人从纷繁负责的低效工作中解脱出来。
　　更进一步的，AI还可以不断分析用户的行为，判断用户正在进行的业务对网络能力的需求，自动把用户分流到合适的频率和制式。
　　举例来说，夜深人静时，某5G几个用户在5G小区下，但也就是用微信在聊天，这并不需要使用5G网络，4G完全可以满足需求。
　　于是，网络主动把这些用户迁移到4G小区，从而让5G小区完全空闲，然后5G基站就可以关闭并进入深度休眠状态，从而达到省电的目的。
　　为了省电，真是无所不用其极啊！
　　3.4、终端级节能
　　上面说的都是针对基站的节能方案，但对于普通用户来说，对运营商的基站费不费电并没有直观的感受，只需要上网速度快体验好，同时手机的电量能扛就行。
　　这不，苹果就在iPhone 12上新增了一个叫做＂智能数据模式＂的功能，在手机的设置界面叫做＂5G Auto＂。
　　当用户使用需要更高速率的应用程序时，设备将从 4G 切换到 5G；反之，当较低速率完全能满足要求时，连接将自动从 5G 切换到 4G。这样能最大化电池的使用时间。
　　5G基站节能降耗，对运营商来说，不单单是降低成本，更是一个企业降低碳排放，扼制全球变暖的社会责任所在。
　　而普通用户，也是节能降耗中关键的一环。业界的一切努力，都是为了以最低的能效，向每一个用户提供最好的服务。
　　好了，本期的内容就到这里，希望对大家有所帮助。
　　参考文档：
　　GSMA：Green is a new black
　　中国移动：5G基站节能技术白皮书
　　中国联通：5G智能节能技术白皮书
　　中兴通讯：4G/5G网络节能降耗技术白皮书