侯煥鵬，陸繼釗，李永杰，趙景隆
（國網河南省電力公司信息通信分公司，河南 鄭州 450052）
0 引 言
相關統計資料顯示，截至2021 年底，我國建成并開通的5G 通信基站數量達到142.5 萬個[1]。隨著我國5G 通信基站部署規模的日益擴大，其帶來的驚人能耗也逐漸引起了社會的廣泛關注。目前，5G 通信基站的能耗遠高于4G 通信基站。該情況下，對5G通信基站能效優化的策略進行分析研究，具有重要價值和現實意義。
1 5G 通信基站概述
5G 提供了比4G 更高的數據傳輸速度、更低的延遲和更大的連接數量。5G 通信基站是一種無線通信設備，作為5G 網絡的核心組成部分，它用于接收和發送高速數據信號。高速率、低時延、大連接是5G 最突出的功能特征。首先，5G 具有高速數據傳輸功能，5G 基站可以提供高達10 ～20 Gb/s 的數據傳輸速度，5G 頻譜效率高出4G 頻譜效率3 倍，在連續廣域覆蓋和高移動性下，5G 用戶體驗速率達到100 Mb/s，流量密度為10 Mb/m2以上，信號移動性支持500 km/h 的高速移動。5G 信號的傳輸速度遠超過4G 信號，能夠滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量傳輸任務要求。其次，5G 具有低時延的功能，5G 基站提供的延遲時間低至1 ms，這非常適用于需要實時反饋的應用，如自動駕駛和遠程手術。最后，5G 具有大連接數的功能，5G基站能夠同時服務大量的設備，具備每平方千米百萬設備連接的能力，這對于物聯網應用非常重要。
2 5G 通信基站能效情況分析
5G 通信技術雖然帶來了許多優勢，但是也帶來了更大的電力消耗問題。相關資料顯示，5G 基站能耗占整個通信網絡能耗的70%，從而影響運營成本[2]。同時，高功耗的基站可能需要更復雜的散熱設備，這也會增加設備和維護成本。因此，降低5G基站的能耗，提高5G 基站的能效，可以降低電力消耗和運營成本。另外，5G 基站的高能耗會對環境造成影響，并增加碳排放。大量的5G 基站會消耗大量的電力資源，導致碳排放的增加，從而加劇全球氣候變化。因此，提高5G 基站的能效，可以降低其對環境的影響。
2.1 5G 基站能耗與能效分析
相關機構在A 地地所測試的基站基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）、遠端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）、有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）設備功耗結果如表1 所示；在B 地所測試的基站單站功耗結果如表2 所示，滿載情況下5G 基站單站功耗約為4G 單站的2.5 ～3.5 倍，5G 基站單站滿載功率接近3 700 W。
表1 A 地不同供應商5G 通信基站功耗情況對比
表2 B 地某供應商4G 與5G 通信基站單站功耗對比
雖然相較于4G 通信，5G 通信基站的能耗大幅度增加，但能效與能耗并不等同。在移動通信領域中，能效指網絡對電能的利用效率，能效越高，每度電可以傳輸的數據越多。5G 的Sub6G 頻段載波帶寬最大為100 MHz，而4G 的單載波帶寬最大僅為20 MHz，5G 的載波帶寬是4G 的5 倍。主流的5G 通信基站AAU 采用大規模天線陣列，擁有64 路數據收發通道，而4G 設備最多為4 個發射天線與4 個接收天線，僅有4 路數據收發通道。因此，5G 的小區下行峰值速度能夠達到10 ～20 Gb/s，而4G 設備峰值速率僅為0.4 Gb/s，5G 小區單位時間可發送的數據量是4G 的25 ～50 倍。根據表1 和表2 中4G 與5G 通信基站能耗數據以及4G與5G設備數據傳輸速率數據，以4G 與5G 在每度電下能夠傳輸的最大數據量作為標準，對比4G 通信與5G 通信的能效，即可計算出理論狀態下，5G 通信的能效相比4G 通信能效提高了10 ～12.5 倍。
2.2 5G 基站耗能因素分析
信號傳輸時，運營商首先需要從電網處取得交流電，通過整流器將交流電轉換為直流電。在轉換過程中，電能的損失約有2%～5%。在完成交流電到直流電轉變后，直流電會通過電源分配模塊，將輸入電源分配到機房內的多個設備。一般情況下，機房內的BBU 為一路電源，每一個RRU 單獨一路電源，一般每一個站點會存在一個BBU 以及3 ～9 個RRU。在電能分配過程中，會有1%～12%的能量損失。剩余的電能將會被傳送至基站的BBU和RRU或AAU中，用于傳輸設備來驅動數據處理和傳輸。在此之后，將會有一部分電能轉化為天線信號進行發射以實現手機通信，但大部分電能會轉變為熱能。對于5G 通信而言，基站設備是機房的核心，也是最關鍵的耗能設備，其包括了BBU 以及5G 信號的AAU。AAU 的耗能約占整個基站耗能的70%，而BBU 的功耗占比則僅為30%且功耗穩定，與基站的通信量負荷關系較小[3]。
3 5G 通信基站能效優化的技術策略
3.1 網絡切片技術應用
網絡切片是一種網絡架構技術，它可以將一個物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每個虛擬網絡都可被獨立配置和管理以滿足特定應用或業務的需求。網絡切片技術通過軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等技術實現。每個網絡切片都可以被定制，以滿足不同的服務質量（Quality of Service，QoS）需求，如延遲、帶寬、可靠性以及安全性等。該技術的優點是可以提供更高的網絡靈活性和效率，使網絡運營商可以更好地利用其網絡資源。
在實際應用中，運營商需要根據自身業務需求分配與調度網絡信號的動態資源。例如，基站不僅要分析自動駕駛的高頻帶寬和低延遲需求，還要分析物聯網設備的低功耗和大覆蓋區域需求，進行資源配置和調度，提高能效。當一個切片不再需要時，基站會將其資源釋放，節省能源[4]。當新的業務需求出現時，基站會快速創建新的切片以滿足需求。同時，在非高峰期，基站應關閉一些不必要的設備或服務，或者將一些設備設置為低功耗模式，從而節省能源，提高能效[5]。
3.2 動態頻譜共享技術應用
動態頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）是一種無線通信技術，它允許4G 網絡和5G 網絡在同一頻率帶上共享和動態分配頻譜資源。該技術的主要優點是能夠靈活、高效地使用頻譜資源，從而加速5G 網絡的部署和覆蓋。在DSS 中，網絡可以根據需求動態調整4G 與5G 的頻譜分配，當5G 設備需要更多的頻譜資源時，系統可以將一部分4G 頻譜切換到5G 使用，反之亦然[6]。這種機制可以確保4G 和5G 設備的順暢連接，同時優化頻譜的使用效率。
在實際應用中，基站需通過DSS 實時監測每個頻段的使用情況。一旦系統檢測到某個頻段處于空閑狀態，就立即將其開放給其他用戶或服務，無須額外消耗能源去激活新的頻段。當系統檢測到某一頻段負載過高時，DSS 啟動，將部分數據流向其他較低負載的頻段轉移，避免過載頻段的能源消耗過大。而在非高峰期，DSS 通過將部分設備設置為低功耗模式，從而實現能效優化[7]。
3.3 大規模多進多出技術
大規模多進多出（Massive Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術是一種無線通信技術，它使用了大量的天線在發送端和接收端進行同時傳輸和接收數據。MIMO 技術可以提高能源效率，也可以增加數據容量[8]。該技術可以在發送更多數據的同時降低功率，從而可以在提供高質量服務的同時降低能源消耗。
在實際應用中，基站首先要利用波束形成技術，形成窄波束直接對準每個用戶，從而減少信號的損失和干擾，在保證服務質量的同時降低發射功率，進一步提升能效。其次，基站應優化天線設計與配置以及天線間的距離和角度，優化網絡通道，在保證信號傳輸質量與效率的情況下減少通道數量，通道數量的減少可降低基帶處理計算量所產生的功耗[9]。同時，基站要根據每一個天線所產生的獨立數據量，將用戶信號與獨立流在同一時間和頻率下進行共享，以更低的能耗完成數據傳輸，提升基站能效。最后，基站應采用先進的信號處理算法，利用人工智能技術和大數據分析，實現場景識別，根據不同場景原則信號處理算法，并將算法應用于MIMO 技術中，在確保高質量數據傳輸的同時降低處理過程中的能耗，顯著提升5G 通信基站能效[10]。
4 結 論
在5G 通信已經大規模普及的情況下，分析5G通信基站能耗并優化其能效，具有重要價值和意義。文章分析了5G 通信基站的功耗消耗情況，并在此基礎上提出了優化5G 通信基站能效的技術及其應用方法，希望能夠為5G 通信提效降耗提供參考。
