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【深度】5G基站“关闭”引质疑 业界如何破解“功耗焦虑”?

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:199

洛阳联通在其微信公众号上发布消息称,近期通过对AAU(有源天线处理单元)定时深度休眠,以降低5G基站能耗。消息一出,人们对于如此大费周章地建设5G产生了不少质疑。有人认为这是不成熟技术急于上马的原因;有人怀疑运营商投巨资推动5G却变成鸡肋,背后是否有隐情;也有人担心以后再也不能通宵打游戏了。那么到底我们的5G基站问题出在哪?


基站功耗问题严峻,  

矛盾源于供需不平衡   


据工信部消息,截至7月底,我国累计5G终端连接数在6月底6600万的基础上迅速增长到了7月底的8800万,与此同时,5G终端的加速普及也在推动5G用户数迅速增长。

在三大运营商的半年业绩中,除中国联通未有公布5G用户数量外,中国电信以及中国移动的数据显示,目前中国5G用户数量已超过1亿户。当然这中间存在着很多正在使用5G套餐,但仍未更换5G设备的用户(比如编者就是其中之一),但从超过8000万的5G终端连接数上我们也能看出,国内5G普及进程正在不断加速。


5G发展,基站先行。基站密度是5G信号覆盖的基础,背靠国家政策,运营商在去年以来便在5G基站建设上不断加大投入。根据工信部数据统计,截至2019年底,我国共建成5G基站超过13万个;到了2020年2月底,全国已开通5G基站则达到了16.4万个。

在2020年6月6日,工信部新闻宣传中心举行的“5G发牌一周年”线上峰会上,工业和信息化部信息通信管理局副局长鲁春丛表示,在网络建设方面,基础电信企业建成5G基站超过25万个;中国工程院院士邬贺铨预计,到2020年年底,我国5G基站数可能达到65万个,5G套餐用户可能达到2个亿,实现全国所有地级市室外的5G连续覆盖、县城及乡镇重点覆盖、重点场景室内覆盖。

中国移动通信研究院无线与终端技术研究所副所长李男也向《华强电子》记者透露:”在产业界共同的努力下,中国移动全年的5G基站建设目标预计有望在8月底完成。目前我们已经建设完成了30万个5G基站,部署了5G的城市超过300个,这个也是全球排名第一的,显示了我们中国移动在5G发展中的决心和信心。”



无线与终端技术研究所副所长李男 中国移动通信研究院



“功耗是目前5G基站最大的难题,也是三大运营商身上最重的一个负担。除了5G的CAPEX(5G网络建设投资)基础以外,以能耗为主的OPEX(网络维护成本)其实是决定5G能否顺利发展的重中之重。在2017-2020年期间,在业界的共同攻坚之下,基站功耗已经大幅下降,但即便如此,它的功耗还是4G基站的3倍左右。”



然而就在5G基站建设正在如火如荼进行中时,中国联通洛阳分公司在其微信公众号发布消息称,洛阳联通分别对已经入网的3种不同基站射频单元设备(AAU),分不同时段定时开启空载状态下的深度休眠功能,从而实现智能化基站设备能耗管控的目的。

在个别媒体渲染之下,恐慌的气氛开始在网络上蔓延,各种负面说法蜂拥而至,很多人担心基站休眠后将会无法使用网络,或是认为5G已经“名存实亡”。要破解这些谣言,就要首先了解基站的“休眠”到底是什么意思。

据中国联通网络技术研究院无线研究部副主任李福昌介绍,基站AAU设备空载状态的深度休眠功能,是指在基站长时间处于闲时状态时,因为没有5G用户接入,可以允许基站AAU设备关断大部分有源设备的供电,从而实现节省射频单元设备空载功耗的目的。由于5G基站AAU设备支持64通道或32通道,5G基站AAU比传统4G设备增加大量的有源器件、基带处理单元等器件,从而大幅提高该类型设备的空载功耗。




无线研究部副主任李福昌中国联通网络技术研究院


“基站AAU设备空载状态的深度休眠功能,是指在基站长时间处于闲时状态时,因为没有5G用户接入,可以允许基站AAU设备关断大部分有源设备的供电,从而实现节省射频单元设备空载功耗的目的。由于5G基站AAU设备支持64通道或32通道,5G基站AAU比传统4G设备增加大量的有源器件、基带处理单元等器件,从而大幅提高该类型设备的空载功耗。”



除此之外,记者还了解到,基站AAU休眠的机制其实是很灵活的。比如,深夜5G网络业务量骤减时,运营商可以根据统计数据来判断业务闲时的时间段,开启休眠模式。在休眠功能开启的同时,运营商还会保留4G网络在线,以承载用户正常使用需求。

在休眠开启时,当有特殊情况发生,5G接入用户突然增加,运营商也能在数分钟以内适时唤醒基站AAU设备,重新提供5G服务。这对于用户的影响相对较小。

不过,需要承认的事实是,5G基站的功耗确实是当前一个严峻的问题。为了验证5G基站功耗具体大小,运营商曾对中兴以及华为的5G基站进行了功耗测试,结果显示,BBU方面功耗与所插板件有关,受业务负载的影响不大,整体功耗也在293-330W的水平。而AAU功耗与业务负荷则关系较大,在100%负载下,AAU功耗可以达到1127-1175W;在50%负荷下,AAU的平均功耗在892-956W。


“功耗是目前5G基站最大的难题,也是三大运营商身上最重的一个负担。”李男坦言:“除了5G的CAPEX(5G网络建设投资)基础以外,以能耗为主的OPEX(网络维护成本)其实是决定5G能否顺利发展的重中之重。在2017-2020年期间,在业界的共同攻坚之下,基站功耗已经大幅下降,但即便如此,它的功耗还是4G基站的3倍左右。

目前单个5G基站而言,其满载功率甚至达到了将近3800W,4G基站普遍功率则为1000W左右。李男表示,在正常负载的情况下,射频占据了5G基站中的绝大部分功耗。另一部分则是用于基站处理方面,因为在带宽增大、速率提高后,对基站处理能力要求需要更高。

不过,从能效比的角度上看,虽然5G基站的功耗数值增加不少,但功耗相同的情况下,5G的网络容量是4G的几十倍。客观来说,功耗相比4G大是非常正常的。然而当下5G尚未实现全民普及,5G普及的前提则需要基站密度覆盖达到一定水平,而目前处于4G过渡到5G的时期,因此现时利用率不高的5G基站所要消耗的高额运营成本,让各大运营商寝食难安。

某运营商工作人员曾向记者透露:“5G基站的数量是4G的三倍;单个5G基站的耗电量是4G的三倍;单个5G基站的价格也是4G的三倍。”除此之外,更有一些地区由于用户数量少,甚至基站建成了迟迟未通电的情况也并不少见。基站休眠甚至不通电,并不是一个秘密,而指数级的成本增加,也是运营商迫不得已的选择。因此,无论是从运营上以及技术上,运营商们还需要寻找更多的方法解决“耗电焦虑”的问题。



基站节能解决方案多样,  

但挑战远不止于此 


相比与以往的3G/4G,近年5G上马确实显得较为仓促。从标准冻结到完成商用部署仅仅用了1年时间,相关技术仍具有很大的提升空间。针对当前的技术条件,与目前运营商采用的定时休眠类似,利用AI技术对5G基站进行动态功耗控制,就被各大厂商视为降低能耗的重要突破点,短期内可以获得显著效果。


据中国联通通信工程专业工程师李军锋介绍:“目前主要是根据基站设备类型、覆盖场景、节能目标以及关断时长等因素,通过AI算法自动生成节能策略,包括小区关断、载波关断、射频通道关闭、符号关断等策略。每种策略对应不同的节能效果,并有其特定适配的场景,而且对网络质量造成的影响程度不同。因此,当前的研究内容是如何将自动生成的节能策略与实际场景相适配,这需要与设备厂商进行合作开发,并根据实际情况进行调优和训练。”


李男则认为,还可以从基站本身的结构以及内部元件来改善功耗问题。他表示:“如何进一步提高我们PA的效率,降低我们数字芯片的能耗,其实是我们基站降低功耗的关键,也是希望产业界在这里面投入精力,能够协助我们运营商一起去解决这个问题。我相信只有这个问题解决了,运营商才能放手去部署更多的基站,去开放更多的5G基站。”

同时,提高散热效率也能够实现降低功耗的效果。5G基站AAU由于引入了大规模天线技术,将有源天线部分集成到AAU机箱中,因此其体积是4G的4倍,重量是4G的2倍,这为5G基站天面的部署带来了巨大挑战。


部署的挑战则来源于天线抱杆的空间问题,在AAU本身的发热量巨大的情况下,密集的设备会导致难以处理散热。目前5G基站供应商为解决散热问题也有不少新的解决方案,比如液冷、新的散热结构和新材料等等。李男表示:“通过我们前期的分析,接近20%现有的天面是无法部署和建设5G天面资源的,这个给我们下一阶段5G部署带来非常大的挑战。希望我们产业界能够针对5G设备的轻量化、小型化集体攻坚,早日让我们的天面尺寸和重要降下来,散热效率提升上去。”


不过,也有厂商另辟蹊径,利用高速率点对点无线传输技术为5G提供灵活组网的可能,并帮助运营商减轻运营成本。简单来说,就是传统的微波传输系统超高的升级版本,在过去2G、3G、4G时代,无线传输采用的微波技术只能支持1Gbps,甚至在多端口的时候可以支持到2Gbps、3Gbps,但是单端口的支持速率最多只能到1Gbps。

盛纬伦通信技术有限公司销售副总经理姚魁表示:“在当前的5G时代和未来的6G时代,回传的速率越来越高,带宽要求越来越大。在国内有些地方可以实现光纤传输解决有线传输问题,但是随着5G、6G密集组网,仅仅有线传输并不能解决组网灵活性的问题,所以无线的高宽带的传输要求随之而至。


但过去的单端口速率最多只能支持到1Gbps,难以满足5G需求。因此,盛纬伦在业内率先推出了10Gbps点对点高速无线传输系统,最高支持单端口12G的传输速率,可以满足200米至1英里的传输需求,而功耗则仅为30W不到。


“本身5G用的是高频,信号空间损耗比较大,5G的覆盖范围大概就是300米,所以5G的两个基站之间的距离也就是五六百米。我们传输距离可以达到1英里,即1.7公里,所以在5G这个数据回传方面已经足够使用了。”

而谈到基站功耗时,姚魁表示:“虽然当前5G通信基站虽然建设如火如荼,但运营商每年的电费量是很大的,运营成本负担非常重。因此我们现在在满足传输距离的前提下,尽量把功率做小,功率做小意味着功耗小,能够降低运营商的运营成本。同时将来也不排除像高铁,或者是军工,从这个山头到另外一个山头之间实时数据的临时搭建,需要这样一个点对点的传输,进行灵活布建网络。”


尽管目前解决基站功耗问题的方法多样,但总体而言,5G基站的功耗仍是各大运营商在近几年内的最大挑战。如果无法彻底解决功耗所带来的成本问题,将在很大程度上影响到5G的推进落地。


因此,运营商也在寻求管理手段去降低电费。比如中国铁塔山西公司与政府和三大运营商协商制定“一站一策”改造方案,2020年计划累计完成转改直站址4273个。同时,积极参与电力市场化交易,直供电电费单价平均下降9.5%,节约成本全额让利。预计2020年为三家运营商节省电费近1.4亿元。

不过编者认为,在推动5G建设的同时,运营商着手解决基站功耗问题之外,还需要开拓更多的5G应用场景,如何打造5G应用生态,吸引用户加入,破解“5G无用论”,也是运营商应该去思考的。否则,摆在运营商前的只会是“空有基站无数,偏恨用户难求”的尴尬局面。

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