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构建绿色5G:中国移动“软硬兼施”,实现设备、站点、网络三级节能

2020-06-18 15:12
C114通信网
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绿色发展,节能先行。5G商用之前,业界认为5G最大的忧虑在于“三个3”:5G基站数量比4G基站数量多出3倍;5G单个基站的耗电量是4G基站的3倍;5G单个基站的价格可能是4G基站的3倍。5G发牌一年后,我国5G建设快马加鞭,目前,基站数量和价格的“3倍”问题已有所缓解,能耗问题也逐步取得进展。

中国移动研究院无线与终端技术研究所高级研究员边森日前在接受C114专访时表示,5G并非“天生的电老虎”,其单位比特功耗比4G低80%,但因为数据流量爆发式增长,所以初期5G基站的总能耗是4G基站的3-4倍。

边森介绍,中国移动将5G节能技术体系划分为设备级、站点级和网络级节能金字塔,从硬、软两方面进行降功耗技术研究:一方面推动基站采用新材料新架构,降低基础功耗;另一方面开发自适应业务的关断、休眠等软功能降低运行功耗。目前,已经实现5G基站能耗下降30%。

5G单位比特功耗低,但绝对功耗值不容忽视

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32/64TR Massive MIMO设备,导致5G基站功耗较高。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的60MHz带宽增加2.67倍,峰值速率提升15倍,发射功率提升2倍(由4G的120W提升为240W),导致总功耗增加。

同时,Massive MIMO技术的应用导致收发通道数增加,5G典型的32/64TR设备相比4G网络8TR设备通道数大幅增加。通道数增加导致数字中频、射频小信号的功耗显著增加;另外每个通道的功放布板面积受限,高集成度的封装带来片内匹配电路设计难度增加,插损加大,导致5G AAU整机效率下降;通道数增加也使得基带处理计算量显著增加,导致其功耗上升。

边森指出,5G(64通道160Mhz)相比4G(8通道60Mhz)设备吞吐量提升15倍,单位bit流量功耗仅为4G的1/5左右,也就是说5G基站功耗承载效率约为4G的5倍。虽然5G单位bit承载效率相比4G大幅提升,但绝对功耗值不容忽视,需要产业界不断通过技术进步和综合节能方案应用降低能耗。

划分技术体系,开展设备、站点、网络三级节能

边森介绍,中国移动将节能技术体系划分为设备级节能、站点级节能和网络级节能,从这三层面开展综合节能工作。

首先是设备级节能,重点从硬件架构和器件设计方面优化功耗,具体包含“新架构、新材料、新指标”等方面。新架构方面:提出天线与射频滤波器一体化设计方案,通过减少内部损耗实现功耗下降;基于“升无源、降有源”的思路,从4G 3D-MIMO产品128阵子升为192阵子,同时降低功率谱密度,用天线增益弥补发射功率,从而节省功耗。新材料方面:大力推动具有更高效率的GaN(氮化镓)功放的应用,联合产业界技术攻关GaN存在的衬底工艺不成熟、散热与封装挑战大等问题,实现功放PA效率提升,进一步降低整机功耗。新指标方面:创新提出邻频共存干扰评估体系和两段式测试方法,制定出合理有效的新射频指标,降低设备的前级滤波器插损要求,等效降低设备功耗。

其次是站点级节能,在延续4G已引入的亚帧关断、通道关断等功能基础上,提出5G深度休眠、智能节能等新理念。深度休眠是5G新节能功能,可在夜间等时段无业务时,AAU关闭绝大部分射频以及数字通路,仅保留最基本的接口电路工作,平均功耗可大幅下降;智慧节能是将人工智能与5G节能相结合,通过引入智能业务预测算法,从而精细化制定相应的节能策略,形成“节能智能大脑”,做到“一站一策、一时一策”,在保证用户体验的前提下充分挖掘节能潜力。

最后是网络级节能,从网络协同角度打造多系统节能方案和平台。一方面,通过C-RAN集中部署和基站资源池共享,节省硬件板卡配置,从而实现功耗降低;另一方面,在前期已现网规模应用的多网协作节能系统上,升级开发5G多网协作节能系统(i-Green),该系统可实现4G/5G小区协作节能,通过分析网络负荷、业务需求和网络质量,实现不同系统小区实时休眠/唤醒的网络级节能。

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