5G|入场贵+成本高？专家来出招：全行业多措并举走出“5G能耗”的新路
随着5G时代的到来 ， 摆在通信行业面前的 ， 除了以往的“进场难、入场贵”难题 ， 还有一座5G能耗/用电“大山” 。 工信部新闻发言人闻库表示 ， 近期 ， 我国每一周平均新开通的基站都超过1.5万个 ， 截至2020年6月 ， 中国移动、中国电信、中国联通等3家运营商在全国已建设开通的5G基站超过了40万个 。 而这么多的5G基站 ， 背后的用电消耗和费用 ， 到底是一个怎样的量级？
一边 ， 是我国5G建设的加速之势 ， 一边 ， 是高额的基站用电 。 在这样的背景下 ， 如何跨越5G天价用电这座大山 ， 确实就成了一个压在行业身上“喘不过气来”的话题 。
为什么5G用电会更多？
首先 ， 需要我们搞清楚的是 ， 为什么5G用电会更多？这个问题 ， 可以从三个层面来解释 ， 一是5G基站的功耗问题 ， 二是5G基站的覆盖问题 ， 三是5G基站的配套设施问题 。
5G基站功耗
相较于4G ， 5G的基站功耗明显上升 。 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2.2~2.3kW ， 满载功耗约3.7~3.9kW ， 是4G单站的3倍左右 。
据此 ， 假如以平均1.3元/度的转供电价测算 ， 以前一个4G基站每年的电费是20280元 ， 而一个5G基站每年的电费将高达54600元 ， 那么 ， 50万（运营商2020年5G建设目标）个5G基站的年度电费将达到273亿！
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图15G基站组成示意图
5G基站主要由基带单元(BBU)、射频单元(AAU)、馈线、散热系统等组成 。 BBU和AAU是5G基站的主要部分 ， AAU就是RRU+天线的组合 。 BBU主要负责基带数字信号处理 ， 如FFT/IFFT ， 调制/解调、信道编码/解码等 。 AAU主要由DAC（数模转换）、RF（射频单元）、PA（功放）和天线等部分组成 ， 主要负责将基带数字信号转为模拟信号 ， 再调制成高频射频信号 ， 然后通过PA放大至足够功率后 ， 由天线发射出去 。 在整个基站系统中 ， 负责处理信号编解码的基带单元（BBU）的功耗相对较小 ， 而射频单元（RRU/AAU）和散热系统是功耗的主要来源 。 也就是说 ， 天线、功放等射频器件都是“耗电大户” 。
由于5G比4G传输速率大 ， 天线数量多 ， 功耗也随之增大 ， 耗能当然也会增多 。 其中 ， 射频单元能耗高 ， 主要原因是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32/64通道Massive MIMO设备 。
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带宽为60MHz ， 5G带宽是4G带宽的2.67倍 ， 发射功率是4G的2倍 ， 导致总功耗增加 ， 并且 ， 5G Massive MIMO典型的32/64TR设备通道数是4G网络8TR设备通道数的数倍 ， 射频单元功耗增加显著 ， 同时 ， 通道数多也带来基带计算量的增加 ， 功耗也会上升 。
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图25G基站能耗测试
5G基站覆盖
相比于4G ， 由于5G采用的是更高的频率 ， 单站覆盖的范围更小 ， 要实现更好更全的覆盖 ， 就需要更密更多的基站 。 同时 ， 5G的带宽增长了10倍 ， 虽然能源效率提高了 ， 但要推动这么大的数据流量 ， 基站耗能还是会成倍增长 。
预计到2024年 ， 5G小基站的数量将超过4G小基站；到2025年 ， 得到商用部署的5G小基站将达到1310万个 ， 占全球所有现网小基站的1/3以上 。 虽然一个小基站的能耗远低于一个传统的宏基站 ， 但是 ， 要完成对一片区域的连续覆盖 ， 就需要较大数量的5G小基站 。
据中国产业信息网预测 ， 5G基站数量最终将是4G基站的1~2倍 ， 达500~600万个 。 据此粗略估计 ， 届时运营商支出将在1150亿至1800亿 ， 而2019年三大运营商利润之和仅为1384亿人民币 。 如果条件未曾改变 ， 那么5G铺开之后 ， 电费成本一项或将透支运营商所有利润 。 因此 ， 对于运营商而言 ， 5G的高能耗甚至成为了制约5G基站建设的首要原因 。
5G基站机房制冷
当前 ， 移动通信基站机房均为全封闭机房 ， 机房内的电源设备、发射设备、传输设备等都是较大的发热体 。 要保持机房一定的工作环境温度主要靠空调来实现 ， 为保障设备在恒温下运行 ， 不因为温度过高而宕机 ， 制冷系统就要不间断地为基站降温 ， 也是导致运营成本居高不下的重要原因之一 。 基站自从诞生以来 ， 基本上便一直采用传统的空调制冷方式 ， 且占据了基站总能耗的30%~40%左右 。
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图3基站耗能大致分布
综上所述 ， 在5G通信系统中 ， 基站可谓是能耗大户 ， 大约80%的能耗来自于基站 。 相较于4G网络 ， 5G不仅功耗提升了3倍以上 ， 并且由于覆盖范围的减少 ， 5G基站的数量又成倍增加 ， 以及配套机房设施制冷方面的不可避免的耗能 ， 总体上导致了5G高耗能的局面 。
“5G高耗能”下的多方尝试方案
一直以来 ， 整个行业产业链各个环节都在为降低电费开支做努力 。 比如 ， 降低基站发热就是降低功耗的一个办法 ， 目前主要的应对举措包括：采用更高工艺制程的芯片、更节能的器件材料 ， 引进更科学的散热方法 ， 以及通过AI技术对设备功率进行动态控制 。 例如华为、中兴等设备商不断开发新的技术以及芯片 ， 从设备层面降低能耗 。 从运营商角度来看 ， 如洛阳联通通过深度休眠降低5G基站能耗 ， 以及中国铁塔协同行业积极争取各种优惠政策等 ， 各方都在积极推进技术创新 ， 想方设法降低电费等运营成本 ， 助力5G低成本规模部署 。
某厂商：刀片式基站
某厂商刀片式基站解决方案采用统一的模块化设计 ， 实现基站主要元素如射频、基带、电源、电池、微波、传输的刀片化 ， 不同模块间的任意快速拼装组合无缝拼装 ， 能灵活安装在抱杆、贴塔、墙面或者屋顶 ， “0”站址无需机房机柜 ， 使基站的安装像拼装乐高积木一样简单便捷 。 同时刀片式基站采用自然散热 ， 满足室外55℃高温环境 ， IP65防护等级 ， 无需机房、机柜和空调 ， 降低了运营成本 。
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图4某厂商刀片式基站
中国铁塔：一体化机柜散热优化改造方案
户外一体化机柜使用通风热交换设备或机柜自带空调设备来降温 。 新增5G设备后 ， 如存量机柜制冷设备制冷量不能满足散热需求 ， 容易造成机柜内设备损坏、高温报警、设备退服等问题 ， 严重影响设备使用寿命和系统稳定性 。
当一体化机柜内配置的空调满足现有设备散热量时 ， 对于后期新增5G设备可采用新增模块化温控机柜的方式来解决散热问题 ， 模块化温控机柜制冷量为3000W ， 可满足5G设备的散热需求 。 如原有一体化基站站址空间不足 ， 无法新增模块化温控机柜 ， 可采用替换原有机柜的方式来解决散热问题 ， 改造示意图如图5所示 。
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图5一体化机柜改造示意图
中国移动：5G基站一体化能源柜
5G基站一体化能源柜是中国移动基于“柔性、智能、高效”的设计理念 ， 自主发明的数字智能供电产品 ， 实现了电源功能的软件可定义 ， 基于系统化思维 ， 聚焦整站性能 ， 面向整站系统的一体化设计 ， 运用更多智能技术加速绿色能源规模应用 。
电源柜灵活的模块化多输入多输出电源能够满足各类场景的供电需求 。 同时 ， 智能硬件可有效支撑高水平信息化平台建设 ， 实现基于AI﹢大数据的多维度报表分析、业务建议及趋势预测 ， 实现能量的智能调度及运营 ， 彻底改变当前基站低水平人工运维的现状 ， 实现5G网络对站点能源的精细化管理 。
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【5G|入场贵+成本高？专家来出招：全行业多措并举走出“5G能耗”的新路】
图65G基站一体化能源柜示意图
基站智能锂电错峰 ， 节省用电支出
我国多数省份具有谷峰电价 ， 如广东省峰、平、谷电价时段分别为6、10、8小时 ， 电价比例为1.65:1:0.5 ， 其中高峰时段电价是低谷时段的3倍以上 。 如果是直供电站点 ， 便可以采用智能电源 ， 让站点错峰运行 。 根据预设的市电容量 ， 限制电源系统的输出功率 ， 使电源的输入功率不超过市电容量的限制 ， 由锂电池自动为电源输出功率缺口补充供电 。 由于锂电池成本的下降 ， 5G时代站点可能将普遍使用锂电池 ， 而直供电已经是站点供电主流 ， 将来站点剩余空间将由锂电池填充 ， 不但电费降了下来 ， 而且因为超长的备电时长 ， 可使当前高昂的应急发电成本大幅下降 。
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图7锂电池智能削峰
5G电费新政策
毋庸置疑 ， 高能耗的同时也带来对电力系统的全新考验 ， 因此 ， 各级政府也纷纷出台了相关政策来降低5G用电成本 。
总得来看 ， “转供电改直供电”是降低用电成本的关键环节 ， 在没有补贴的情况下 ， 直供电价成本比转供电大约低20%左右 。 例如贵州印发《降低我省5G基站用电成本政策措施》以降低5G基站用电成本 ， 确保5G基站2020—2022年运行电价降至每千瓦时0.35元 。 贵州省对5G基站试行峰谷分时段电价政策 ， 按对应电压等级目录电价及上下浮动40%确定 。
除直接改供电方式降低建网运维成本外 ， 在政策层面 ， 不少地方政府在5G战略规划中提出了调降电费等定向支持 ， 各地出台政策开放各类市政公共资源加快5G网络建设 ， 针对5G的高投入 ， 资金支持也成为地方政策支撑的重点 。
此外 ， 政府还在基站电费优惠、税收减免及数据中心的用地用水用电保障、建设审批、能耗指标要求等方面加大政策支持力度 。
未来 ， 5G的用电/耗能问题还将长期存在 ， 仍需包括运营商、铁塔公司、设备商、供应商在内的全行业产业链各方共同探索 ， 通过不断的技术创新和综合节能方案应用 ， 一起走出“5G能耗”的新路！（作者均来自中国移动通信集团设计院有限公司）
来源：《通信世界》杂志2020年9月15日刊
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