5G节能体系实现5G基站能耗下降30%,中国移动从三层面开展节能工作

绿色发展，节能先行。5g商用之前，业界认为5g最大的忧虑在于“三个3”：5g基站数量比4g基站数量多出3倍；5g单个基站的耗电量是4g基站的3倍；5g单个基站的价格可能是4g基站的3倍。5g发牌一年后，我国5g建设快马加鞭，目前，基站数量和价格的“3倍”问题已有所缓解，能耗问题也逐步取得进展。
中国移动研究院无线与终端技术研究所高级研究员边森表示，5g并非“天生的电老虎”，其单位比特功耗比4g低80%，但因为数据流量爆发式增长，所以初期5g基站的总能耗是4g基站的3-4倍。
边森介绍，中国移动将5g节能技术体系划分为设备级、站点级和网络级节能金字塔，从硬、软两方面进行降功耗技术研究：一方面推动基站采用新材料新架构，降低基础功耗；另一方面开发自适应业务的关断、休眠等软功能降低运行功耗。目前，已经实现5g基站能耗下降30%。
5g单位比特功耗低，但绝对功耗值不容忽视
5g小区带宽是4g的5倍以上，且室外主要使用复杂度较高的32/64tr massive mimo设备，导致5g基站功耗较高。以中国移动2.6ghz频段为例，5g基站信号带宽为160mhz，可同时提供4g和5g服务，相比4g的60mhz带宽增加2.67倍，峰值速率提升15倍，发射功率提升2倍（由4g的120w提升为240w），导致总功耗增加。
同时，massive mimo技术的应用导致收发通道数增加，5g典型的32/64tr设备相比4g网络8tr设备通道数大幅增加。通道数增加导致数字中频、射频小信号的功耗显著增加；另外每个通道的功放布板面积受限，高集成度的封装带来片内匹配电路设计难度增加，插损加大，导致5g aau整机效率下降；通道数增加也使得基带处理计算量显著增加，导致其功耗上升。
边森指出，5g（64通道160mhz）相比4g（8通道60mhz）设备吞吐量提升15倍，单位bit流量功耗仅为4g的1/5左右，也就是说5g基站功耗承载效率约为4g的5倍。虽然5g单位bit承载效率相比4g大幅提升，但绝对功耗值不容忽视，需要产业界不断通过技术进步和综合节能方案应用降低能耗。
划分技术体系，开展设备、站点、网络三级节能
边森介绍，中国移动将节能技术体系划分为设备级节能、站点级节能和网络级节能，从这三层面开展综合节能工作。
首先是设备级节能，重点从硬件架构和器件设计方面优化功耗，具体包含“新架构、新材料、新指标”等方面。新架构方面：提出天线与射频滤波器一体化设计方案，通过减少内部损耗实现功耗下降；基于“升无源、降有源”的思路，从4g 3d-mimo产品128阵子升为192阵子，同时降低功率谱密度，用天线增益弥补发射功率，从而节省功耗。新材料方面：大力推动具有更高效率的gan（氮化镓）功放的应用，联合产业界技术攻关gan存在的衬底工艺不成熟、散热与封装挑战大等问题，实现功放pa效率提升，进一步降低整机功耗。新指标方面：创新提出邻频共存干扰评估体系和两段式测试方法，制定出合理有效的新射频指标，降低设备的前级滤波器插损要求，等效降低设备功耗。
其次是站点级节能，在延续4g已引入的亚帧关断、通道关断等功能基础上，提出5g深度休眠、智能节能等新理念。深度休眠是5g新节能功能，可在夜间等时段无业务时，aau关闭绝大部分射频以及数字通路，仅保留最基本的接口电路工作，平均功耗可大幅下降；智慧节能是将人工智能与5g节能相结合，通过引入智能业务预测算法，从而精细化制定相应的节能策略，形成“节能智能大脑”，做到“一站一策、一时一策”，在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。
最后是网络级节能，从网络协同角度打造多系统节能方案和平台。一方面，通过c-ran集中部署和基站资源池共享，节省硬件板卡配置，从而实现功耗降低；另一方面，在前期已现网规模应用的多网协作节能系统上，升级开发5g多网协作节能系统（i-green），该系统可实现4g/5g小区协作节能，通过分析网络负荷、业务需求和网络质量，实现不同系统小区实时休眠/唤醒的网络级节能。
边森进一步介绍，在中国移动大力推动和产业界共同努力下，在设备级节能层面，基于“三新”节能方案的aau已在现网规模部署，单站功耗下降超过10%；在站点级节能层面，将在现网全面开启亚帧关断，并根据场景和时段开启通道关断、深度休眠功能，目前已开展现网验证，后续将根据验证情况进行现网规模部署。在网络级节能层面，目前正在加快研发5g i-green多网协作节能平台，充分利用4g/5g协同、5g高中低频协同等进一步挖掘节能潜力。
边森同时指出，5g室分功耗相比4g同样提升明显，需重点关注。针对无源室分，进一步推动大功率功放器件及大功率开关成熟和优化，降低信源功耗；针对有源室分，应用节电功能、优化建设方案等实现功耗降低。
践行“绿色”理念，引导和支持产业共同创新
基站高功耗不仅给运营商建设运维带来挑战，同时也对设备、器件研发过程中的pcb布局、散热、可靠性设计造成巨大挑战，因此基站能耗的降低是需要全产业链共同攻克的难题。
边森介绍，早在2007 年，中国移动就启动了以节能减排为核心的“绿色行动计划”，每年投入专项资金，与合作伙伴共同深化通信设备研发、制造、物流、维护、回收等领域的合作，并在节能标准和技术研发、节能设备应用、节能经验共享等方面进行推动，构建和谐的绿色生态。
下一步，中国移动将继续践行“绿色”理念，制定明确合理的路标规划和设备指标，并将功耗指标进一步分解到关键芯片器件，与ict产业上游整机和芯片器件制造商共同攻关，优化设备架构，提升设备集成度，推动更新工艺和材料的普遍应用，实现产业链上下游联动的功耗降低。例如aau关键器件“数模转换收发芯片”早期仅支持2通道（64通道aau需32个芯片），经过大力推动，目前业界最高已实现单芯片支持8通道，大幅优化设备集成度和功耗。
此外，中国移动还将在ccsa等标准组织中牵头制定行业统一的节能分级和能耗测试标准，通过实施设备能耗分级引导和鼓励设备功耗优化，同时统一功耗测试方案，为行业功耗优化提供标准基础。
5g时代，不断涌现的各类新业务以及海量的设备连接将继续推动移动数据流量迅猛增长，而海量数据引发的能耗也必将成倍增长，移动通信网络的能耗问题将进一步加剧。预计到2025年，通信行业将消耗全球20%的电力，电费将成为运营商最高的opex支出，至少占总运营成本的15%。
在世界范围内绿色低碳发展的大背景下，节能降耗、提升网络能效是未来移动通信行业可持续发展的必经之路。“作为国有大型骨干企业，中国移动在实现经济效益的同时，积极履行社会责任和环保责任，并将充分发挥运营商龙头效应，引导和支持产业共同创新进一步降低5g功耗。”边森说。