通信人必須了解的5G基站功耗真相

2020-12-13 EDN電子設計技術

過去人們只關心手機耗不耗電，而基站耗電對於公眾一直是個秘密。現在5G火了，基站君也跟著火，基站耗電的事也被擺上了臺面，成為大家熱議的話題。hNkednc

不管別人怎麼說，但作為通信人，關於5G基站功耗，有些真相你一定要明白。hNkednc

基站功耗的組成

為了方便理解，我們先來畫一張簡圖。hNkednc

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基站主設備由BBU和AAU組成。hNkednc

BBU主要負責基帶數位訊號處理，比如FFT / IFFT，調製/解調、信道編碼/解碼等。hNkednc

AAU主要由DAC（數模轉換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成，主要負責將基帶數位訊號轉為模擬信號，再調製成高頻射頻信號，然後通過PA放大至足夠功率後，由天線發射出去。hNkednc

簡單的說，基站功耗的計算公式如下：hNkednc

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基站功耗由PA功耗、RF功耗和BBU功耗組成，並隨著TRX鏈路增加，基站總功耗成倍增加。hNkednc

比如，Massive MIMO的天線單元越多，每個天線單元都有PA和RF單元，TRX鏈路增加，同時BBU的計算功耗也隨著TRX鏈路增加而上升，因此基站總功耗隨之上升。hNkednc

影響基站功耗的主要因素

影響基站功耗的主要因素有：PA功耗、漏電功耗和晶片功耗。hNkednc

PA功耗hNkednc

PA是基站發射系統的關鍵器件。射頻信號功率本來是很小的，只有經過PA放大獲得足夠的射頻功率後，才能饋送到天線並輻射出去，因此PA的重要性不言而喻。hNkednc

但PA也是最耗電、效率最低的器件，有統計指出約一半的基站功耗來自PA。hNkednc

PA功耗為什麼這麼大呢？hNkednc

PA的職責就是忠實地線性放大信號，但現實與理性總是有很大差距的，如下圖所示，隨著PA輸出功率越來越接近最大輸出功率（飽和輸出功率），非線性失真越來越大，這會嚴重影響信號傳輸質量。hNkednc

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為了減少非線性失真，PA會採用回退（Backoff）的方式，將放大器的工作點調低，以確保輸出功率操作在線性區域範圍，維持線性度。hNkednc

但問題就來了，回退操作會降低PA功耗效率，使得PA功耗更高。hNkednc

如下圖，PA的功耗等於輸出功率與PA功耗效率之比。hNkednc

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假設PA功耗效率為50%，至天線的射頻輸出功率為200W，那麼，PA功耗高達400W，這意味著有近一半的功率作為廢熱而損失。此時，若PA工作點回退10dB以補償線性度，則PA功耗效率將降至20%以下，則PA功耗高達1000W，這意味著有80%的功率作為廢熱而損失。hNkednc

由於PA功耗效率和線性度是相互矛盾的，為了兼顧兩者，業界採用了數字預糾偏算法（DPD）等技術，即通過在PA的輸入側添加功放非線性失真的逆特性來進行預先失真處理。因此，DPD算法的優劣將會直接影響5G基站功耗效率。hNkednc

晶片功耗hNkednc

晶片性能直接影響BBU和AAU的數位訊號處理功耗開銷，這是眾所周知的。尤其是面向5G未來，基站要實時處理越來越高的數據流量，對晶片性能要求更加苛刻。hNkednc

目前業內成熟的5G基站產品都會考慮採用專用集成電路（ASIC）晶片替代現場可編程門陣列（FPGA）晶片，用以降低功耗並提升運算效率。hNkednc

漏電功耗hNkednc

晶片功耗通常由兩部分組成：運算時產生的動態功耗和來自漏電流產生的靜態功耗。動態功耗可隨著電晶體尺寸不斷縮小來改善，但隨著電晶體越小，漏電流反而會增大。晶片的漏電流會隨溫度變化，當晶片發熱時，靜態功耗呈指數上升。hNkednc

因此，引入先進的散熱技術，確保基站工作在合理的溫度範圍內，可大幅減少基站的功耗。hNkednc

如何評估基站功耗？

基站由複雜的元器件組成，處理的是包絡波動的無線信號，面對的是不同場景下複雜的無線環境，影響基站功耗的因素動態多樣，因此評估基站功耗千萬不能停留在靜止的水平上，應該全面、具體和動態的評估。hNkednc

比如，以基站功耗的罪魁禍首PA功耗為例，宏站和微站之間就有非常明顯的區別。相比宏站，微站的覆蓋範圍小，發射功率低，PA非線性失真較小，PA功耗佔比也較小，甚至可能不需要DPD等技術來進行預失真處理。hNkednc

顯然，任一因素的改變都會導致結果出現較大的變化，評估基站功耗至少應該綜合考慮以下因素。hNkednc

發射功率hNkednc

如前所述，PA功耗效率與基站發射功率（即射頻最大輸出功率）密切相關，發射功率越低，基站功耗越低。以20%的PA功耗效率為例，減少40W的發射功率將降低200W的功耗。hNkednc

業務負載hNkednc

不考慮業務負載評估基站功耗就是耍流氓。基站的業務流量越大，調用的物理資源塊（PRB）越多，基站的功耗越大。hNkednc

首先，隨著業務負載增大，PA功耗會增大。同時，為了滿足高流量需求，更多數量的天線會參與工作，而每一根天線單元都連接了PA，這意味著基站總傳輸功耗會隨之上升。hNkednc

環境溫度hNkednc

工作溫度升高會導致器件的漏電流增大，進而導致基站功耗增加。值得一提的是，基站功耗隨著業務負載增加，而隨著業務負載增加，基站設備的溫度越來越高，又進一步增加了器件的漏電功耗，這極其考驗基站設備在高負載情況下的散熱能力。hNkednc

規格及擴展能力hNkednc

比如，如果廠商考慮了基站後續的擴展能力，對電源、散熱以及計算能力等方面做了預留，那麼相對於無擴展能力的基站，功耗也一定會有所提升。hNkednc

根據ITU定義的5G KPI，5G網絡能效相比4G要提升100倍。坦白而言，要完成這個KPI任重而道遠，這需要全行業共同努力來實現。然而，我們也經常會在網上看到一些有關廠家的功耗排名，可以說，在沒有經過運營商嚴格拉齊測試的情況下，準確度是存疑的。在通往目標的路上，是需要多樣本、多場景、全面動態地評估基站功耗真實水平的，這不僅有助於運營商做出正確的判斷，同時也將激勵廠家不斷創新，推動5G產業正向發展。hNkednc

（來源：網優僱傭軍）hNkednc

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