5G基站设备功耗对网络建设的影响研究

2019年6月6日，工信部分别向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G商用网牌照，标志着我国移动通信正式进入5G时代。相对于4G网络，5G网络在网络性能和业务承载方面有较大的提升。4G时代被认为是移动互联网时代，主要解决人与人之间的通信，而5G时代被认为是万物互联时代，在完善人与人之间通信的基础上，人与物、物与物的通信，将得到极大的发展。借助5G网络提供的高带宽、大连接、低时延的网络能力，高清视频、VR/AR、无人机、智慧城市、智能制造、远程医疗等业务能够得到快速发展，这些业务将会极大影响我们的工作，生活，生产以及社会的各个方面，因此可以说“4G改变生活、5G改变社会”。

5G网络规划建设流程与4G网络类似，但由于5G基站设备的工作带宽为100MHz，发射功率典型值为200W，因此设备功耗方面与4G相比，有明显的增加，这一方面会增加网络的供电需求，给网络建设带来困难；另一方面也增加运营商的运营成本。因此需要研究5G基站设备功耗对网络建设的影响，同时提出相应的解决方案，以保障5G网络快速部署和正常运营。

5G网络架构

5G网络架构和4G网络架构类似，总体上由无线接入网（NG-RAN）和核心网（5GC）构成，图1为3GPP给出的5G网络结构。

图1  5G网络架构

在图1中，5GC主要包含AMF/UPF网元，其中AMF为接入和移动管理功能，UPF为用户平面功能。NG-RAN为5G无线接入网，其中gNB为5G基站，ng-eNB为4G基站（考虑到未来4G和5G长期共存，因此升级后的4G基站具有接入5G核心网的能力）。

对于5G网络，设备功耗主要包括无线接入网设备和核心网设备，对于核心网设备，其功耗与4G相当，而对于5G无线接入网设备，尤其是gNB工作带宽典型值为100MHz，发射功率为200W，其功耗相对于4G网络有明显的增加，是影响网络能耗的主要因素。

5G设备功耗分析

5G基站设备，其架构主要采用BBU+AAU方式，其中，BBU为基带部分，可以进一步拆分为CU和DU两个逻辑网元，其中CU处理无线网PDCP层以上的协议栈功能，DU处理PDCP层以下的无线协议功能。目前国内5G网络建设，原则上采用了CU/DU合设部署方式。AAU为射频部分，是由射频单元与天线整合的有源天线单元。

对于基站BBU和AAU设备的功耗，目前不同厂商设备的差异性较大，表1为目前4个主设备厂商的5G基站功耗情况。

表1  5G基站设备功耗

注：后期随着技术的进步，设备型号的变化，基站功耗也将发生变化，因此上表中的数据仅作为功耗分析时的参考。

根据表1，以现有64T64R S111宏站设备为例，单基站的功耗约为3~4kW，5G设备较4G设备功耗提升约2~3倍，这将使5G网络供电系统建设和运营面临两个难点。

供电系统建设难度加大

5G电源系统建设，可以采用现有电源系统方式，这时要求现有电源系统具有4kW以上的空余容量；5G电源系统建设也可以采用新建电源系统方式，需要外电引入不小于15kVA，以便满足5G、4G网络共建的需求。

对于目前国内5G网络建设，基站一般由铁塔公司负责建设，多家运营商共建共享。如三家运营商，利用现有机房，采用共建共享建设5G网络，供电系统的用电需求接近12kW，这将造成目前部分基站空余容量不满足上述需求，需要进行电源系统改造，尤其是需要对外市电的引入进行扩容改造。目前关于外市电引入扩容改造，一般采用更换大容量变压器、更改线路线缆、更改前级空开容量等方案。这些方案经常存在难度大、周期长、成本高等问题，这必将会严重影响5G网络的建设进度。

运营成本增加

基站设备日常运行电费开支，是运营商运营成本的重要部分。整体上一个5G基站无线设备的功耗为3~4kW，以目前的0.7元/kWh的费用计算，一个5G基站无线设备全年运行的电费接近1.8~2.5万元。以目前国内某一运营商地级市城区现有48万4G基站的规模为建设目标，则每年的5G基站设备的电费开支将达到88~110亿元左右，如果考虑频段的差异，以及3.5GHz的实际覆盖能力，则要达到与4G网相同的覆盖效果，目前来看，5G的基站数量将要达到4G基站的1.5倍左右，这时电费开支将达到130~160亿元左右。这一庞大的电费开支，必然增加运营商的运营成本，影响5G建设和运行，因此需要研究降低5G网络能耗和电费开支的方案，以保证5G网络健康运营。

5G网络节能方案及措施

技术创新

在5G试验网阶段，原型机基站在S111配置下，功耗超过6kW（BBU功耗约为400W，AAU功耗约为1900W）。在目前阶段符合R15标准的5G基站设备在S111配置下，功耗约为3~4kW，因此可以看出，随着技术的进步，设备功耗能够实现进一步的下降，这需要主设备厂商不断加大技术研究和创新。另外对于5G基站，可以考虑在业务负荷较低的时候，引入通道关断、载波关断、时隙关断等技术手段，进一步降低5G基站设备功耗，以降低运营商的运营成本。

设备选型

在5G网络中使用的Massive MIMO主要有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R等多种通道数天线，各种类型的天线，覆盖、容量、成本、功耗方面有一定的差异，具体来看，在覆盖方面：64T64R设备，覆盖能力强；8T8R设备，覆盖能力弱。在容量方面：64T64R设备，小区容量高；8T8R设备，小区容量低。在成本方面，64T64R设备成本高，8T8R设备成本低。在功耗方面，64T64R设备功耗高，8T8R设备功耗低。

由于产业链发展问题，目前5G网络建设主要以64T64R天线为主，而对于32T32R、16T16R、8T8R等天线，目前部分设备厂商还没有相关设备，预计在2020年，各厂商才会有完备的Massive MIMO系列产品。因此在后期的5G网络建设过程中，在满足覆盖、容量需求情况下，应合理进行Massive MIMO天线选型，如在业务量大，无线环境复杂的密集市区，建议采用64T64R设备；在中高建筑的较多的一般城区/县城，建议采用32T32R设备；在用户稀疏的农村区域，建议采用16T16R设备；在高速铁路和高速公路沿线，建议采用8T8R设备。通过合理的设备选型，达到降低运营商CAPEX、OPEX的目的。

政策保障

在网络建设初期，由于业务发展不明确，用户规模相对较小，因此5G网络建设需要各级政府出台保障措施，尤其需要各级地方政府强化运营商用电保障，与电网公司沟通，使得在流程上进行简化，在费用上进行适当减免，进而为5G网络建设提供最大便利。

结束语

国内5G商用网牌照已经发放，各运营商即将开始5G大规模商用网建设，因此在目前阶段，研究基站设备功耗对5G网络建设的影响和应对措施，对于加速5G网络建设，降低5G建设和运营成本，有重要的意义。