侯煥鵬，陸繼釗，李永杰，趙景隆
（國網(wǎng)河南省電力公司信息通信分公司，河南 鄭州 450052）
0 引 言
相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2021 年底，我國建成并開通的5G 通信基站數(shù)量達(dá)到142.5 萬個(gè)[1]。隨著我國5G 通信基站部署規(guī)模的日益擴(kuò)大，其帶來的驚人能耗也逐漸引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。目前，5G 通信基站的能耗遠(yuǎn)高于4G 通信基站。該情況下，對5G通信基站能效優(yōu)化的策略進(jìn)行分析研究，具有重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
1 5G 通信基站概述
5G 提供了比4G 更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延遲和更大的連接數(shù)量。5G 通信基站是一種無線通信設(shè)備，作為5G 網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，它用于接收和發(fā)送高速數(shù)據(jù)信號。高速率、低時(shí)延、大連接是5G 最突出的功能特征。首先，5G 具有高速數(shù)據(jù)傳輸功能，5G 基站可以提供高達(dá)10 ～20 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度，5G 頻譜效率高出4G 頻譜效率3 倍，在連續(xù)廣域覆蓋和高移動(dòng)性下，5G 用戶體驗(yàn)速率達(dá)到100 Mb/s，流量密度為10 Mb/m2以上，信號移動(dòng)性支持500 km/h 的高速移動(dòng)。5G 信號的傳輸速度遠(yuǎn)超過4G 信號，能夠滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸任務(wù)要求。其次，5G 具有低時(shí)延的功能，5G 基站提供的延遲時(shí)間低至1 ms，這非常適用于需要實(shí)時(shí)反饋的應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程手術(shù)。最后，5G 具有大連接數(shù)的功能，5G基站能夠同時(shí)服務(wù)大量的設(shè)備，具備每平方千米百萬設(shè)備連接的能力，這對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常重要。
2 5G 通信基站能效情況分析
5G 通信技術(shù)雖然帶來了許多優(yōu)勢，但是也帶來了更大的電力消耗問題。相關(guān)資料顯示，5G 基站能耗占整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)能耗的70%，從而影響運(yùn)營成本[2]。同時(shí)，高功耗的基站可能需要更復(fù)雜的散熱設(shè)備，這也會(huì)增加設(shè)備和維護(hù)成本。因此，降低5G基站的能耗，提高5G 基站的能效，可以降低電力消耗和運(yùn)營成本。另外，5G 基站的高能耗會(huì)對環(huán)境造成影響，并增加碳排放。大量的5G 基站會(huì)消耗大量的電力資源，導(dǎo)致碳排放的增加，從而加劇全球氣候變化。因此，提高5G 基站的能效，可以降低其對環(huán)境的影響。
2.1 5G 基站能耗與能效分析
相關(guān)機(jī)構(gòu)在A 地地所測試的基站基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）、遠(yuǎn)端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）、有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）設(shè)備功耗結(jié)果如表1 所示；在B 地所測試的基站單站功耗結(jié)果如表2 所示，滿載情況下5G 基站單站功耗約為4G 單站的2.5 ～3.5 倍，5G 基站單站滿載功率接近3 700 W。
表1 A 地不同供應(yīng)商5G 通信基站功耗情況對比
表2 B 地某供應(yīng)商4G 與5G 通信基站單站功耗對比
雖然相較于4G 通信，5G 通信基站的能耗大幅度增加，但能效與能耗并不等同。在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，能效指網(wǎng)絡(luò)對電能的利用效率，能效越高，每度電可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多。5G 的Sub6G 頻段載波帶寬最大為100 MHz，而4G 的單載波帶寬最大僅為20 MHz，5G 的載波帶寬是4G 的5 倍。主流的5G 通信基站AAU 采用大規(guī)模天線陣列，擁有64 路數(shù)據(jù)收發(fā)通道，而4G 設(shè)備最多為4 個(gè)發(fā)射天線與4 個(gè)接收天線，僅有4 路數(shù)據(jù)收發(fā)通道。因此，5G 的小區(qū)下行峰值速度能夠達(dá)到10 ～20 Gb/s，而4G 設(shè)備峰值速率僅為0.4 Gb/s，5G 小區(qū)單位時(shí)間可發(fā)送的數(shù)據(jù)量是4G 的25 ～50 倍。根據(jù)表1 和表2 中4G 與5G 通信基站能耗數(shù)據(jù)以及4G與5G設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)，以4G 與5G 在每度電下能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量作為標(biāo)準(zhǔn)，對比4G 通信與5G 通信的能效，即可計(jì)算出理論狀態(tài)下，5G 通信的能效相比4G 通信能效提高了10 ～12.5 倍。
2.2 5G 基站耗能因素分析
信號傳輸時(shí)，運(yùn)營商首先需要從電網(wǎng)處取得交流電，通過整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。在轉(zhuǎn)換過程中，電能的損失約有2%～5%。在完成交流電到直流電轉(zhuǎn)變后，直流電會(huì)通過電源分配模塊，將輸入電源分配到機(jī)房內(nèi)的多個(gè)設(shè)備。一般情況下，機(jī)房內(nèi)的BBU 為一路電源，每一個(gè)RRU 單獨(dú)一路電源，一般每一個(gè)站點(diǎn)會(huì)存在一個(gè)BBU 以及3 ～9 個(gè)RRU。在電能分配過程中，會(huì)有1%～12%的能量損失。剩余的電能將會(huì)被傳送至基站的BBU和RRU或AAU中，用于傳輸設(shè)備來驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理和傳輸。在此之后，將會(huì)有一部分電能轉(zhuǎn)化為天線信號進(jìn)行發(fā)射以實(shí)現(xiàn)手機(jī)通信，但大部分電能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋τ?G 通信而言，基站設(shè)備是機(jī)房的核心，也是最關(guān)鍵的耗能設(shè)備，其包括了BBU 以及5G 信號的AAU。AAU 的耗能約占整個(gè)基站耗能的70%，而BBU 的功耗占比則僅為30%且功耗穩(wěn)定，與基站的通信量負(fù)荷關(guān)系較小[3]。
3 5G 通信基站能效優(yōu)化的技術(shù)策略
3.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用
網(wǎng)絡(luò)切片是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，它可以將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)都可被獨(dú)立配置和管理以滿足特定應(yīng)用或業(yè)務(wù)的需求。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片都可以被定制，以滿足不同的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求，如延遲、帶寬、可靠性以及安全性等。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)靈活性和效率，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以更好地利用其網(wǎng)絡(luò)資源。
在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)營商需要根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求分配與調(diào)度網(wǎng)絡(luò)信號的動(dòng)態(tài)資源。例如，基站不僅要分析自動(dòng)駕駛的高頻帶寬和低延遲需求，還要分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗和大覆蓋區(qū)域需求，進(jìn)行資源配置和調(diào)度，提高能效。當(dāng)一個(gè)切片不再需要時(shí)，基站會(huì)將其資源釋放，節(jié)省能源[4]。當(dāng)新的業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)時(shí)，基站會(huì)快速創(chuàng)建新的切片以滿足需求。同時(shí)，在非高峰期，基站應(yīng)關(guān)閉一些不必要的設(shè)備或服務(wù)，或者將一些設(shè)備設(shè)置為低功耗模式，從而節(jié)省能源，提高能效[5]。
3.2 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)應(yīng)用
動(dòng)態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）是一種無線通信技術(shù)，它允許4G 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)在同一頻率帶上共享和動(dòng)態(tài)分配頻譜資源。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠靈活、高效地使用頻譜資源，從而加速5G 網(wǎng)絡(luò)的部署和覆蓋。在DSS 中，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整4G 與5G 的頻譜分配，當(dāng)5G 設(shè)備需要更多的頻譜資源時(shí)，系統(tǒng)可以將一部分4G 頻譜切換到5G 使用，反之亦然[6]。這種機(jī)制可以確保4G 和5G 設(shè)備的順暢連接，同時(shí)優(yōu)化頻譜的使用效率。
在實(shí)際應(yīng)用中，基站需通過DSS 實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)頻段的使用情況。一旦系統(tǒng)檢測到某個(gè)頻段處于空閑狀態(tài)，就立即將其開放給其他用戶或服務(wù)，無須額外消耗能源去激活新的頻段。當(dāng)系統(tǒng)檢測到某一頻段負(fù)載過高時(shí)，DSS 啟動(dòng)，將部分?jǐn)?shù)據(jù)流向其他較低負(fù)載的頻段轉(zhuǎn)移，避免過載頻段的能源消耗過大。而在非高峰期，DSS 通過將部分設(shè)備設(shè)置為低功耗模式，從而實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化[7]。
3.3 大規(guī)模多進(jìn)多出技術(shù)
大規(guī)模多進(jìn)多出（Massive Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，它使用了大量的天線在發(fā)送端和接收端進(jìn)行同時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)。MIMO 技術(shù)可以提高能源效率，也可以增加數(shù)據(jù)容量[8]。該技術(shù)可以在發(fā)送更多數(shù)據(jù)的同時(shí)降低功率，從而可以在提供高質(zhì)量服務(wù)的同時(shí)降低能源消耗。
在實(shí)際應(yīng)用中，基站首先要利用波束形成技術(shù)，形成窄波束直接對準(zhǔn)每個(gè)用戶，從而減少信號的損失和干擾，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低發(fā)射功率，進(jìn)一步提升能效。其次，基站應(yīng)優(yōu)化天線設(shè)計(jì)與配置以及天線間的距離和角度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通道，在保證信號傳輸質(zhì)量與效率的情況下減少通道數(shù)量，通道數(shù)量的減少可降低基帶處理計(jì)算量所產(chǎn)生的功耗[9]。同時(shí)，基站要根據(jù)每一個(gè)天線所產(chǎn)生的獨(dú)立數(shù)據(jù)量，將用戶信號與獨(dú)立流在同一時(shí)間和頻率下進(jìn)行共享，以更低的能耗完成數(shù)據(jù)傳輸，提升基站能效。最后，基站應(yīng)采用先進(jìn)的信號處理算法，利用人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)場景識(shí)別，根據(jù)不同場景原則信號處理算法，并將算法應(yīng)用于MIMO 技術(shù)中，在確保高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)降低處理過程中的能耗，顯著提升5G 通信基站能效[10]。
4 結(jié) 論
在5G 通信已經(jīng)大規(guī)模普及的情況下，分析5G通信基站能耗并優(yōu)化其能效，具有重要價(jià)值和意義。文章分析了5G 通信基站的功耗消耗情況，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化5G 通信基站能效的技術(shù)及其應(yīng)用方法，希望能夠?yàn)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">5G 通信提效降耗提供參考。
