5G基站耗电量分析

5G通讯基站耗电量分析到2025年，通信行业将消耗全球20%的电力。随着4K/8K、VR/AR、自动驾驶、机器人、视频监控等应用蓬勃生长，一场伴随着5G万物智联而来的数据海啸正滚滚袭来，而海量数据引发的电力消耗也必将成倍增长。这种情况令人担忧！全球多家领先运营商已公开表态：要以最低的成本建设最好的5G网络。可电费已被一些运营商确定为最高的OPEX支出，至少占运营商总运营成本的15%，可如何降低电费开支以减少OPEX支出？有统计指出，每GB流量约消耗2千瓦时的电量，也就是说下载一部1GB的电影相当于你家里的2000瓦吹风机连续工作1小时。若按每度电1元计算，你下载一部1GB的电影，运营商需支付2元电费，如今无限流量套餐流量上限动辄40GB，而可预见的5G资费只会降不会升，可想而知，随着5G流量需求暴增，运营商的电费成本压力越来越大。而在移动通信网络中，基站是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站。越加密集的基站意味着更高的能耗，这是5G网络面临的一大成本挑战。可是，5G基站是省油的灯吗？相对于2G3G4G，5G基站会更耗电吗？答案是yes，至少现阶段的情况如此。我们从基站原理说起。通常，基站的供电系统由市电引入，通过交流配电箱、开关电源转换为-48V直流后连接到基站设备，基站设备再通过馈线/光纤连接到铁塔上的天线。基站设备的内部结构主要包含：BBU、射频（RF）单元、功率放大器（PA）、主电源、天线接口、扇热系统等，其中BBU包含控制单元、传输单元和基带处理单元等，主要负责信号滤波、OFDM、调制解调、频域处理（符号映射/解映射和MIMO均衡等）、CPRI、DPD（数字预失真处理）等功能。根据以上结构，我们将基站功耗分为三大类型：传输功耗、计算功耗和额外功耗。传输功耗：指功率放大器（PA）和射频（RF）部分所消耗的电量，其主要执行基带信号与无线信号之间的信号转换，馈电线的功耗包括在传输功耗之内。计算功耗：指BBU消耗的电量，包括数字部分处理、管理和控制、与核心网和其他基站间通信等相关功耗。额外功耗：指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的额外损失的电量，也包括机房空调、制冷设备所消耗的电量。对于传统2G3G4G基站，由于基站的计算能力较小，通常传输功耗大于计算功耗，也就是说BBU功耗小于PA和RF部分功耗，因此传统基站提升能效的办法主要集中在减少传输功耗，比如我们在闲时关闭部分载频和射频部分来实现节能减排。但5G时代情况不一样了。密集分布的小/微基站和MassiveMIMO天线，是5G基站的两大主要特征。一方面，MassiveMIMO本身是以更高的计算成本为代价降低传输功耗；而小基站覆盖范围小，PA更低，也意味着传输功耗更低。另一方面，由于5G传输速率将成倍提升，5G基站将处理海量数据，且随着5G业务的不断发展，5GBBU的计算功耗将逐渐上升。因此，在5G时代，基站的计算功耗将大幅提升超过传输功耗。可以预计，5G基站的计算功耗将随着带宽（或者说传输速率）的增加而不断上升，还将随着MassiveMIMO天线数量增加而不断上升。5G基站计算功耗上升，带来的不仅是耗电问题，还有扇热问题；同时，随着5G边缘计算和高速本地缓存的发展，未来那些挂在城市灯杆上的小基站将执行越来越多的数据存储和计算，这为5G部署提出了新的挑战。据预计，即使是在5G部署早期，并不考虑毫米波频段，采用小于6GHz频段与234G基站共站部署，5G单站功耗也将倍增，全年电费将增长2倍。前几天，IEEESpectrum发表了一篇名为《The5GDilemma:MoreBaseStations,MoreAntennas—LessEnergy?》的文章，引起了业界广泛讨论。文中指出，5G的潜在威胁是：提供高达1000倍于现网的数据，也意味着高达1000倍的能耗。MassiveMIMO将增加5G基站总能耗，尽管5G小/微基站的能耗远低于传统宏站，但分布更加密集，会导致网络的总能耗上升。不过，该文认为，尽管5G能耗面临挑战，但对未来依然保持乐观，随着5G基站硬件的不断改进，以及通过软件化和智能优化，随着时间推移，5G能效将逐渐提升。面向未来，相信一些新的节能技术将广泛应用于5G基站，比如数据中心式的散热/冷却技术引入基站，智能化能耗调节，动态休眠、载频/时隙关断技术等。5G已在路上，5G基站耗电问题应及早重视，这需包括设备商、运营商和铁塔公司等在内的全行业共同探索推进创新。