5G 設備的耗電真的比 4G 多嗎?節能減排永遠在路上

5G 設備的耗電真的比 4G 多嗎？節能減排永遠在路上

通信ROCK老師 發表於 2021-01-08 10:35:44

2020 年，庚子年，「中國戰疫」舉世矚目。這一年，5G 元年，中國通信同樣表現搶眼。

根據最新的統計數據，中國完成 5G 基站建設超過 70 萬座，5G 終端連接數突破 2 億。毫無疑問，中國通信人交出了一份令人滿意的答卷，國內 5G 市場正在全面爆發。

但另一方面，關於 5G 基站高耗電的議論，時有出現。人們擔心，5G 的基站用電成本，會讓運營商不堪重負。

今天這篇文章，筆者將詳細分析 5G 的能耗，以及產品設計中的節能環節。

▉ 5G 其實更省電

5G 設備的耗電真的比 4G 多嗎？

非常遺憾，這個答案是肯定的。5G 的耗電高，主要有兩點原因：

5G 使用 Massive MIMO 技術

4G 基站 RRU 使用 8 天線，天線矩陣實現 2D MIMO，滿功率輸出 160W 射頻信號；5G 基站 AAU 使用 64 天線，天線矩陣實現 3D MIMO，滿功率輸出 320W 射頻信號。如果效率相同，5G AAU 的耗能是 4G RRU 的 2 倍。

實際上，得益於更高效的 PA（Power Amplifier，功率放大器）晶片和更好的 DPD（Digital Pre-Distortion，數字預失真）算法，5G 設備的效率是比 4G 高的。也就是說，AAU 的耗能不到 RRU 的 2 倍。

5G 使用了更高的頻段

由於高帶寬和 Massive MIMO 的要求，5G 使用較高頻率頻段。在 SUB-6GHz 的頻譜中，中國移動使用 2.6GHz 頻段（和 4G 相同）；中國電信和中國聯通使用 3.5GHz 頻段（兩家運營商 4G TDD LTE 頻段是 2.6GHz 頻段）。

根據無線信號自由空間傳輸損耗公式：

Los （dB）= 32.44 +20lg（ d（km）） +20lg（ f（MHz））

中國移動 5G 覆蓋和 4G 相當，而中國電信和中國聯通的 5G 覆蓋距離大概是 4G 時的 0.75 倍，站點數理論上增加 1.8 倍。達到與 4G 相同的覆蓋效果，5G 站點數理論上是 4G 的 1.2~1.4 倍。

以上兩點因素疊加，5G 全網的耗能將是 4G 全網耗能的 2.4~2.8 倍。

看來 5G 的能耗確實不可小覷。那麼，又是什麼原因讓 5G 選擇 Massive MIMO 和高頻段呢？

Massive MIMO 的優勢顯而易見：

利用垂直緯度和水平緯度的天線自由度，時頻資源利用率提升；

用戶間的幹擾降低；

提升小區吞吐率；

提升小區邊緣用戶體驗。

而高頻段頻譜助力 5G Massive MIMO 的實現。

天線的尺寸和頻率有關。頻率越高，射頻信號波長越短，相應的天線尺寸越小。

5G 的 AAU 現在使用 64 天線陣，往後發展還會有 128 天線陣和 256 天線陣。大規模的天線陣，促使 5G 選擇高頻段頻譜資源。

5G 確實比 4G 耗能更多，但不能片面看待這個問題。5G 這匹 「千裡馬」吃得雖然多，但是，它拉了輛更大的車——5G 系統容量是 4G 的 20 倍以上。

實際上，就傳輸單位比特信息量的功耗而言，5G 是更省電的。5G 每比特數據消耗的能量約是 4G 的 1/10。

▉ 節能減排永遠在路上

我們再來看一組數據——2018 年三大運營商的電費：中國移動 245 億元，中國電信 140 億元，中國聯通 120 億元。

按之前的估算，5G 能耗是 4G 的 2.2~2.4 倍。預計 5G 全網建成後，全網年電費將達到 1200~1400 億元。雖然 5G 會給運營商帶來利潤回報，但基站設備的節能減排，是運營商必須重視的問題。

毛主席在《矛盾論》中提出——要抓住問題的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是 AAU（RRU），AAU 能耗的主要矛盾是發射機的射頻功率放大器。

談到 AAU 中射頻功率放大器效率的提升，這裡必須要提到一套 「黃金提效方案」：Doherty+CFR+DPD。

我們首先來看這套高效率方案生成的背景。

實際上，這套高效率方案在 4G 時代就開始使用了，它是針對 OFDM 系統提出的。

由於 OFDM 符號是由多個獨立的調製的信號相加而成的，這樣合成的信號就有可能產生比較大的峰值功率。並且載波數越多，峰值信號功率越大。

在分析這種類型信號時，提出了峰均比（PAR，Peak-to-Average Ratio）的概念。PAR 是符號的峰值功率與平均功率的比值：

PAR（dB）=Ppeak（dbm）-Pmean（dbm）

OFDM 時頻信號

OFDM 系統信號的特點是時域為非恆包絡狀態，峰值功率隨機出現。大峰均比信號的出現，會降低射頻前端功放的效率。

伴隨高峰均比信號的出現，削峰技術（CFR）就誕生了。

CFR 即降低信號峰均比的技術。信號的削峰會帶來一定的失真，過多的削峰會影響接收機的誤碼率。

在 4G、5G 移動通信中，信號的原始峰均比有十幾 dB，經過削峰後，送給發射單元的信號的峰均比一般為 6~7dB。

為了滿足發射機的線性指標，工程師在設計放大器時，可能會選擇功率回退方案。功率回退是指，讓功率放大器輸出比自己飽和功率低得多的功率信號，以保證輸出信號的線性指標。

該方案實現難度小，結構簡單。

比如，輸出 10W 的信號，工程師會選擇飽和功率大於 10W 的功率放大器做方案。

但高峰均比信號的出現，使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如輸出平均功率為 10W，峰均比為 6dB 的信號，工程師需選擇飽和功率大於 40W 的功放管來做方案。

但是功放的輸出功率和效率是正比關係，為了滿足瞬時大信號的線性指標，高峰均比系統使用回退方案會導致效率低下。如果 AAU 發射機放大器使用純回退方案，末級功放效率將不足 15%，整機效率不足 10%。

Doherty 放大器解決了高峰均比系統效率低的問題。

其結構如圖，Doherty 放大器通常情況下使用兩個完全相同的放大管來對信號進行放大。限於篇幅，其工作原理無法展開細說。它最大的特點是，放大器在輸出功率低於飽和功率 6db 時的效率，與輸出飽和功率時的效率相當。

▲Doherty 結構

即在 5G 系統中，Doherty 放大器輸出平均功率時具有飽和功率效率。比如 Doherty 功放的飽和功率是 100W，輸入信號的峰均比是 6db，當輸出 25W 功率時，其效率與放大器輸出 100W 功率相同。

▲Doherty 效率曲線

目前國內幾個大廠的 AAU 末級 Doherty 功放的效率已經做到 50% 以上，AAU 整機效率超過 40%。相對於純回退方案，Doherty 方案的整機能耗是其 1/4。

但有得必有失，Doherty 放大器並不是全能的，其在功率回退 6db 處得到了輸出飽和功率時的效率，這是以線性指標劣化為代價的。為了保證系統的線性指標，DPD 出場了。

先了解預失真技術（PD），它是人為地加入一個特性與系統非線性失真恰好相反的系統，兩種非線性互相補償，最終消除非線性分量，如圖。DPD 是數字預失真技術，預失真信號在數字域產生。

▲預失真的線性補償

DPD 技術通過採集分析 Doherty 放大器輸出信號的非線性特性，在數字域內對原始基帶信號進行補償，使發射機輸出的信號符合協議要求的線性指標（ACPR）。

現在各大廠商 AAU 的效率，很大一部分取決於其 DPD 算法對非線性功放的校正能力。其校正能力越強，發射機的效率就能做得越高。

梳理一下這套高效率發射機方案的工作流程：

CFR 技術將高峰均比的信號削峰致 6~7dB；

Doherty 放大器放大削峰後的信號，其輸出平均功率時具有輸出飽和功率時相同的效率，但其線性指標 （ACPR）較差；

DPD 技術校正放大器的非線性，使發射機達到協議要求線性指標。

▉ 結語

除了使用 Doherty+CFR+DPD 外，5G 還在其他方面實施了提高效率的舉措：

選擇效率更高 GaN 功放，取代 LDMOS 功率放大器；

將太陽能、風能等清潔能源應用於 5G 基站的能源補給；

「AI + 大數據」智能監測、控制 AAU 通道開關，使 5G 基站的負荷更高效；

CU 與 DU 分離，CU 的集中管理一定程度上也提高了效率，降低 5G 能耗。

中國通信人正在不斷創新和努力，優化 AAU 射頻方案和能源方案，以獲得更高的 5G 效率。雖然 5G 耗能較 4G 有所提高，但其帶來的直接影響和間接影響都是非凡的。

中國信通院在《5G 經濟社會影響白皮書》中預測：「2030 年，在直接貢獻方面，5G 將帶動的總產出、經濟增加值、就業機會分別為 6.3 萬億元、2.9 萬億元和 800 萬個；在間接貢獻方面，5G 將帶動的總產出、經濟增加值、就業機會分別為 10.6 萬億元、3.6 萬億元和 1150 萬個。」

4G 改變生活，5G 將改變社會。讓我們拭目以待吧！

責任編輯：PSY

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴