5G 真的更耗电吗

2021/1/7 20:40:38 来源:鲜枣课堂 作者:通信ROCK老师 责编:孤城

2020 年,庚子年,“中国战疫”举世瞩目。这一年,5G 元年,中国通信同样表现抢眼。

根据最新的统计数据,中国完成 5G 基站建设超过 70 万座,5G 终端连接数突破 2 亿。毫无疑问,中国通信人交出了一份令人满意的答卷,国内 5G 市场正在全面爆发。

但另一方面,关于 5G 基站高耗电的议论,时有出现。人们担心,5G 的基站用电成本,会让运营商不堪重负。

今天这篇文章,笔者将详细分析 5G 的能耗,以及产品设计中的节能环节。

▉ 5G 其实更省电

5G 设备的耗电真的比 4G 多吗?

非常遗憾,这个答案是肯定的。5G 的耗电高,主要有两点原因:

5G 使用 Massive MIMO 技术

4G 基站 RRU 使用 8 天线,天线矩阵实现 2D MIMO,满功率输出 160W 射频信号;5G 基站 AAU 使用 64 天线,天线矩阵实现 3D MIMO,满功率输出 320W 射频信号。如果效率相同,5G AAU 的耗能是 4G RRU 的 2 倍。

实际上,得益于更高效的 PA(Power Amplifier,功率放大器)芯片和更好的 DPD(Digital Pre-Distortion,数字预失真)算法,5G 设备的效率是比 4G 高的。也就是说,AAU 的耗能不到 RRU 的 2 倍。

5G 使用了更高的频段

由于高带宽和 Massive MIMO 的要求,5G 使用较高频率频段。在 SUB-6GHz 的频谱中,中国移动使用 2.6GHz 频段(和 4G 相同);中国电信和中国联通使用 3.5GHz 频段(两家运营商 4G TDD LTE 频段是 2.6GHz 频段)。

根据无线信号自由空间传输损耗公式:

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

中国移动 5G 覆盖和 4G 相当,而中国电信和中国联通的 5G 覆盖距离大概是 4G 时的 0.75 倍,站点数理论上增加 1.8 倍。达到与 4G 相同的覆盖效果,5G 站点数理论上是 4G 的 1.2~1.4 倍。

以上两点因素叠加,5G 全网的耗能将是 4G 全网耗能的 2.4~2.8 倍。

看来 5G 的能耗确实不可小觑。那么,又是什么原因让 5G 选择 Massive MIMO 和高频段呢?

Massive MIMO 的优势显而易见:

  1. 利用垂直纬度和水平纬度的天线自由度,时频资源利用率提升;

  2. 用户间的干扰降低;

  3. 提升小区吞吐率;

  4. 提升小区边缘用户体验。

而高频段频谱助力 5G Massive MIMO 的实现。

天线的尺寸和频率有关。频率越高,射频信号波长越短,相应的天线尺寸越小。

5G 的 AAU 现在使用 64 天线阵,往后发展还会有 128 天线阵和 256 天线阵。大规模的天线阵,促使 5G 选择高频段频谱资源。

5G 确实比 4G 耗能更多,但不能片面看待这个问题。5G 这匹 “千里马”吃得虽然多,但是,它拉了辆更大的车——5G 系统容量是 4G 的 20 倍以上。

实际上,就传输单位比特信息量的功耗而言,5G 是更省电的。5G 每比特数据消耗的能量约是 4G 的 1/10。

▉ 节能减排永远在路上

我们再来看一组数据——2018 年三大运营商的电费:中国移动 245 亿元,中国电信 140 亿元,中国联通 120 亿元。

按之前的估算,5G 能耗是 4G 的 2.2~2.4 倍。预计 5G 全网建成后,全网年电费将达到 1200~1400 亿元。虽然 5G 会给运营商带来利润回报,但基站设备的节能减排,是运营商必须重视的问题。

毛主席在《矛盾论》中提出——要抓住问题的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是 AAU(RRU),AAU 能耗的主要矛盾是发射机的射频功率放大器。

谈到 AAU 中射频功率放大器效率的提升,这里必须要提到一套 “黄金提效方案”:Doherty+CFR+DPD。

我们首先来看这套高效率方案生成的背景。

实际上,这套高效率方案在 4G 时代就开始使用了,它是针对 OFDM 系统提出的。

由于 OFDM 符号是由多个独立的调制的信号相加而成的,这样合成的信号就有可能产生比较大的峰值功率。并且载波数越多,峰值信号功率越大。

在分析这种类型信号时,提出了峰均比(PAR,Peak-to-Average Ratio)的概念。PAR 是符号的峰值功率与平均功率的比值:

PAR(dB)=Ppeak(dbm)-Pmean(dbm)

OFDM 时频信号

OFDM 系统信号的特点是时域为非恒包络状态,峰值功率随机出现。大峰均比信号的出现,会降低射频前端功放的效率。

伴随高峰均比信号的出现,削峰技术(CFR)就诞生了。

CFR 即降低信号峰均比的技术。信号的削峰会带来一定的失真,过多的削峰会影响接收机的误码率。

在 4G、5G 移动通信中,信号的原始峰均比有十几 dB,经过削峰后,送给发射单元的信号的峰均比一般为 6~7dB。

为了满足发射机的线性指标,工程师在设计放大器时,可能会选择功率回退方案。功率回退是指,让功率放大器输出比自己饱和功率低得多的功率信号,以保证输出信号的线性指标。

该方案实现难度小,结构简单。

比如,输出 10W 的信号,工程师会选择饱和功率大于 10W 的功率放大器做方案。

但高峰均比信号的出现,使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如输出平均功率为 10W,峰均比为 6dB 的信号,工程师需选择饱和功率大于 40W 的功放管来做方案。

但是功放的输出功率和效率是正比关系,为了满足瞬时大信号的线性指标,高峰均比系统使用回退方案会导致效率低下。如果 AAU 发射机放大器使用纯回退方案,末级功放效率将不足 15%,整机效率不足 10%。

Doherty 放大器解决了高峰均比系统效率低的问题。

其结构如图,Doherty 放大器通常情况下使用两个完全相同的放大管来对信号进行放大。限于篇幅,其工作原理无法展开细说。它最大的特点是,放大器在输出功率低于饱和功率 6db 时的效率,与输出饱和功率时的效率相当。

▲Doherty 结构

即在 5G 系统中,Doherty 放大器输出平均功率时具有饱和功率效率。比如 Doherty 功放的饱和功率是 100W,输入信号的峰均比是 6db,当输出 25W 功率时,其效率与放大器输出 100W 功率相同。

▲Doherty 效率曲线

目前国内几个大厂的 AAU 末级 Doherty 功放的效率已经做到 50% 以上,AAU 整机效率超过 40%。相对于纯回退方案,Doherty 方案的整机能耗是其 1/4。

但有得必有失,Doherty 放大器并不是全能的,其在功率回退 6db 处得到了输出饱和功率时的效率,这是以线性指标劣化为代价的。为了保证系统的线性指标,DPD 出场了。

先了解预失真技术(PD),它是人为地加入一个特性与系统非线性失真恰好相反的系统,两种非线性互相补偿,最终消除非线性分量,如图。DPD 是数字预失真技术,预失真信号在数字域产生。

▲预失真的线性补偿

DPD 技术通过采集分析 Doherty 放大器输出信号的非线性特性,在数字域内对原始基带信号进行补偿,使发射机输出的信号符合协议要求的线性指标(ACPR)。

现在各大厂商 AAU 的效率,很大一部分取决于其 DPD 算法对非线性功放的校正能力。其校正能力越强,发射机的效率就能做得越高。

梳理一下这套高效率发射机方案的工作流程:

  1. CFR 技术将高峰均比的信号削峰致 6~7dB;

  2. Doherty 放大器放大削峰后的信号,其输出平均功率时具有输出饱和功率时相同的效率,但其线性指标 (ACPR)较差;

  3. DPD 技术校正放大器的非线性,使发射机达到协议要求线性指标。

▉ 结语

除了使用 Doherty+CFR+DPD 外,5G 还在其他方面实施了提高效率的举措:

  1. 选择效率更高 GaN 功放,取代 LDMOS 功率放大器;

  2. 将太阳能、风能等清洁能源应用于 5G 基站的能源补给;

  3. “AI + 大数据”智能监测、控制 AAU 通道开关,使 5G 基站的负荷更高效;

  4. CU 与 DU 分离,CU 的集中管理一定程度上也提高了效率,降低 5G 能耗。

中国通信人正在不断创新和努力,优化 AAU 射频方案和能源方案,以获得更高的 5G 效率。虽然 5G 耗能较 4G 有所提高,但其带来的直接影响和间接影响都是非凡的。

中国信通院在《5G 经济社会影响白皮书》中预测:“2030 年,在直接贡献方面,5G 将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为 6.3 万亿元、2.9 万亿元和 800 万个;在间接贡献方面,5G 将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为 10.6 万亿元、3.6 万亿元和 1150 万个。”

4G 改变生活,5G 将改变社会。让我们拭目以待吧!

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关键词:4G5G

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