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5G“能者多劳” 基站绝对能耗太高怎么破?

作者:齐旭 来源:中国电子报 发布时间:2020-08-14 浏览:
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中国储能网讯:5G即将实现全面商用,可以预见的是,5G将作为核心底层基础设施渗透到各行业中。5G时代,通信行业产生的电力消耗也可想而知,有相关预测指出,到2025年,通信行业将消耗全球20%的电力。其中,大约80%的能耗来自广泛分布的基站。

5G基站是耗电大户,但不能撇开“能力”看“能耗”。5G网络“能者多劳”势必会增加基站的绝对能耗,而5G基站单位比特流量功耗仅为4G的1/5左右。尽管5G基站的能量效率更高,但运营商仍在为绝对能耗过高而发愁,5G单点基站的功耗为4G单站的2.5倍~3.5倍。那么,高耗能是否会成为5G规模商用的拦路虎?5G基站绝对能耗高究竟怎么破?

高耗电伴随高能效比

自从启动5G商用以来,加快5G网络建设便成为我国发展的重要任务。而5G网络建设的根本在于基站的建设。5G不光是一张面向公众的消费级网络,更是能深入行业细分领域的、具有确定性的、灵活可定制化的网络。随着5G网络建设进程提速,4K/8K、VR/AR、自动驾驶、机器人、视频监控等应用蓬勃生长。

这样一张赋能各行各业的网络,其耗电量也非常可观。相关预测指出,到2025年,通信行业将消耗全球20%的电力,其中基站是耗电大户,大约80%的能耗来自广泛分布的基站。中国通信标准化协会的数据显示,目前主要运营商的5G基站主设备空载功耗约2.2~2.3千瓦,满载功耗约3.7~3.9千瓦,是4G单站的三倍左右。

中国通信服务EPTC电力信通专家委员会成员、中国电机工程学会能源互联网分会专业委员杨军对《中国电子报》记者表示,5G基站本身的能耗主要来源于基站的CU/DU(基带处理单元)设备和AAU(大规模天线阵列)。CU/DU消耗的电量主要用于计算,包括数字部分处理、管理和控制、核心网和其他基站间通信等。由于CU/DU的功率比较稳定,不受太大的业务负荷影响。而AAU则不同,随着负荷的增加,功耗也大幅增加。据杨军介绍,AAU设备内部集成了天线阵列、最高64个射频通道和部分基带功能,其能耗占基站设备总能耗的80%以上。除了基站设备本身产生的能耗之外,为保持基站机房恒温的空调制冷电力消耗,以及市电转换无功损耗等带来的电力消耗,也值得关注。

“能耗要从两方面来看,一个是绝对能耗,另一个就是跟它的带宽除下来的能效。如果是从它能够传输的‘比特率’角度来说,实际上5G比4G强。”杨军指出,5G的理论峰值速率为1G,约为4G(峰值速率)100M的10倍。5G基站的覆盖半径为100~300米,比4G基站的(覆盖半径)1~3公里密集很多倍。5G基站天线的系统容量和发射功率也是4G的好几倍。可以说,虽然5G基站能耗的绝对值在增加,但能效比(单位比特承载效率)相比4G大幅提升。5G(64通道160MHz)相比4G(8通道60MHz)设备吞吐量提升10倍,单位比特流量功耗仅为4G的1/2左右,从传输效率看其实5G比4G更节能。

降低绝对能耗迫在眉睫

尽管如此,绝对耗电量成倍增长引发电费直线上升,这让运营商寝食难安。经测算,以当前平均1.3元/度的转供电价计算,单个4G基站每年的电费是20280元,单个5G基站每年的电费将高达54600元。据相关机构预测,到2022年,我国5G网络建设规模至少达到250万站,届时三大运营商5G网络能耗成本将至少达到每年575亿元~750亿元。因此,预估5G的网络运营成本将是4G的10倍以上。 中国联通网络技术研究院无线研究部副主任李福昌在接受《中国电子报》记者采访时表示,基站能耗的升高,会大幅提升5G网络的运营成本,为运营商实现数字化转型带来压力。因此获得的电费减免和补贴,可以在短期内解决运营商5G网络运营成本居高不下的燃眉之急。

目前,各地纷纷出台相关政策,以降低电信企业用电成本。比如,山西提出,从2020到2022年对参与市场交易后的5G基站,其实缴电费超出目标电价0.35元/千瓦时的部分,由省、市、县三级按照5∶2∶3的比例给予相应支持,每年用于5G基站电价补贴的省级财政资金总额不超过5000万元。据山西铁塔初步预测,上述补贴可以使5G基站用电单价下降约三成。广东则提出加快转供电改造,改造投资的分摊以用户红线边低压计量装置为分界点,分界点电源侧由供电部门投资,分界点负荷侧由用户投资。

据了解,通信基站电费目前由中国铁塔代运营商统一向电力部门缴纳。中国铁塔正协同三大运营商,一方面积极争取国家对5G网络用电电费优惠政策,另一方面大力推进转供电站址“转改直”工作,以节省电费开支。中国铁塔相关负责人表示,目前建成的5G站址,80%的用电约为直供电(指由电网企业直接供电),约20%是转供电(指由物业公司等电网企业之外的主体供电),转供电站址平均电价大幅高于直供电平均电价。预计到2020年底,转供电站址中不低于50%的比例可改成直供电,有望每年节省电费约15亿元。

基站节能还要“软硬兼施”

长期来看,5G基站节能还要从“源头”入手,即从基站的硬件侧和软件侧来实现节能优化。

李福昌向记者指出,硬件节能方案主要通过优化设备硬件设计、改进生成工艺、设备集成度等手段,达到降低基站设备基础能耗、不断提高基站设备能源利用率的目的。比如,在基带板方面推进高集成度和低功耗ASIC芯片解决方案、数字中频推进下一代7nm/5nm ASIC芯片、不断提高芯片的集成度、减少芯片使用数量等。

而软件节能则是基于业务负荷状态对基站资源进行合理调度,在运行基站时更好地降本增效。“从软件侧入手实施有效的节能方案,是根据业务在时间、空间等分布特征,以及网络负荷的变化。在保证预定指标的前提下,通过调整基站软件功能配置对硬件资源进行合理调配,从而达到节约基站能耗的目的。”李福昌表示。

AI、大数据等新一代信息技术将辅助软件节能优化方案更上一个台阶。杨军表示,基站的符号关断、载波关断、频道关断、深度休眠是网络管理精细化的重要趋势。在执行基站深度休眠时,基于AI的5G基站能耗分析和控制平台可针对网络覆盖、用户分布、场景特征等数据,利用机器学习算法对历史数据进行人工智能判断,采用下发不同的关断指令策略,在不妨碍用户正常使用网络的前提下达到最优节能效果。

最近,中国联通洛阳分公司分别对不同基站射频单元设备(AAU)分不同时段开启空载状态下的深度休眠功能。比如,对于未进行单站验证或单站验证完毕的站点,全时段开启AAU深度休眠功能;对于正在进行单站验证的站点,分时段开启AAU深度休眠功能(21:00-次日9:00)。分时段实施深度休眠能使5G单基站AAU功耗从空载时候的三、四百瓦降低到一百瓦左右。

关键字:5G基站

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