5G 真的更耗电吗

2020年，庚子年，“中国战疫”举世瞩目。这一年，5G元年，中国通信同样表现抢眼。根据最新的统计数据，中国完成5G基站建设超过70万座，5G终端连接数突破2亿。毫无疑问，中国通信人交出了一份令人满意的答卷，国内5G市场正在全面爆发。但另一方面，关于5G基站高耗电的议论，时有出现。人们担心，5G的基站用电成本，会让运营商不堪重负。今天这篇文章，笔者将详细分析5G的能耗，以及产品设计中的节能环节。▉5G其实更省电5G设备的耗电真的比4G多吗？非常遗憾，这个答案是肯定的。5G的耗电高，主要有两点原因：5G使用MassiveMIMO技术4G基站RRU使用8天线，天线矩阵实现2DMIMO，满功率输出160W射频信号；5G基站AAU使用64天线，天线矩阵实现3DMIMO，满功率输出320W射频信号。如果效率相同，5GAAU的耗能是4GRRU的2倍。实际上，得益于更高效的PA（PowerAmplifier，功率放大器）芯片和更好的DPD（DigitalPre-Distortion，数字预失真）算法，5G设备的效率是比4G高的。也就是说，AAU的耗能不到RRU的2倍。5G使用了更高的频段由于高带宽和MassiveMIMO的要求，5G使用较高频率频段。在SUB-6GHz的频谱中，中国移动使用2.6GHz频段（和4G相同）；中国电信和中国联通使用3.5GHz频段（两家运营商4GTDDLTE频段是2.6GHz频段）。根据无线信号自由空间传输损耗公式：Los(dB)=32.44+20lg(d(km))+20lg(f(MHz))中国移动5G覆盖和4G相当，而中国电信和中国联通的5G覆盖距离大概是4G时的0.75倍，站点数理论上增加1.8倍。达到与4G相同的覆盖效果，5G站点数理论上是4G的1.2~1.4倍。以上两点因素叠加，5G全网的耗能将是4G全网耗能的2.4~2.8倍。看来5G的能耗确实不可小觑。那么，又是什么原因让5G选择MassiveMIMO和高频段呢？MassiveMIMO的优势显而易见：利用垂直纬度和水平纬度的天线自由度，时频资源利用率提升；用户间的干扰降低；提升小区吞吐率；提升小区边缘用户体验。而高频段频谱助力5GMassiveMIMO的实现。天线的尺寸和频率有关。频率越高，射频信号波长越短，相应的天线尺寸越小。5G的AAU现在使用64天线阵，往后发展还会有128天线阵和256天线阵。大规模的天线阵，促使5G选择高频段频谱资源。5G确实比4G耗能更多，但不能片面看待这个问题。5G这匹“千里马”吃得虽然多，但是，它拉了辆更大的车——5G系统容量是4G的20倍以上。实际上，就传输单位比特信息量的功耗而言，5G是更省电的。5G每比特数据消耗的能量约是4G的1/10。▉节能减排永远在路上我们再来看一组数据——2018年三大运营商的电费：中国移动245亿元，中国电信140亿元，中国联通120亿元。按之前的估算，5G能耗是4G的2.2~2.4倍。预计5G全网建成后，全网年电费将达到1200~1400亿元。虽然5G会给运营商带来利润回报，但基站设备的节能减排，是运营商必须重视的问题。毛主席在《矛盾论》中提出——要抓住问题的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是AAU（RRU），AAU能耗的主要矛盾是发射机的射频功率放大器。谈到AAU中射频功率放大器效率的提升，这里必须要提到一套“黄金提效方案”：Doherty+CFR+DPD。我们首先来看这套高效率方案生成的背景。实际上，这套高效率方案在4G时代就开始使用了，它是针对OFDM系统提出的。由于OFDM符号是由多个独立的调制的信号相加而成的，这样合成的信号就有可能产生比较大的峰值功率。并且载波数越多，峰值信号功率越大。在分析这种类型信号时，提出了峰均比（PAR，Peak-to-AverageRatio）的概念。PAR是符号的峰值功率与平均功率的比值：PAR（dB）=Ppeak(dbm)-Pmean(dbm)OFDM时频信号OFDM系统信号的特点是时域为非恒包络状态，峰值功率随机出现。大峰均比信号的出现，会降低射频前端功放的效率。伴随高峰均比信号的出现，削峰技术（CFR）就诞生了。CFR即降低信号峰均比的技术。信号的削峰会带来一定的失真，过多的削峰会影响接收机的误码率。在4G、5G移动通信中，信号的原始峰均比有十几dB，经过削峰后，送给发射单元的信号的峰均比一般为6~7dB。为了满足发射机的线性指标，工程师在设计放大器时，可能会选择功率回退方案。功率回退是指，让功率放大器输出比自己饱和功率低得多的功率信号，以保证输出信号的线性指标。该方案实现难度小，结构简单。比如，输出10W的信号，工程师会选择饱和功率大于10W的功率放大器做方案。但高峰均比信号的出现，使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如输出平均功率为10W，峰均比为6dB的信号，工程师需选择饱和功率大于40W的功放管来做方案。但是功放的输出功率和效率是正比关系，为了满足瞬时大信号的线性指标，高峰均比系统使用回退方案会导致效率低下。如果AAU发射机放大器使用纯回退方案，末级功放效率将不足15%，整机效率不足10%。Doherty放大器解决了高峰均比系统效率低的问题。其结构如图，Doherty放大器通常情况下使用两个完全相同的放大管来对信号进行放大。限于篇幅，其工作原理无法展开细说。它最大的特点是，放大器在输出功率低于饱和功率6db时的效率，与输出饱和功率时的效率相当。▲Doherty结构即在5G系统中，Doherty放大器输出平均功率时具有饱和功率效率。比如Doherty功放的饱和功率是100W，输入信号的峰均比是6db，当输出25W功率时，其效率与放大器输出100W功率相同。▲Doherty效率曲线目前国内几个大厂的AAU末级Doherty功放的效率已经做到50%以上，AAU整机效率超过40%。相对于纯回退方案，Doherty方案的整机能耗是其1/4。但有得必有失，Doherty放大器并不是全能的，其在功率回退6db处得到了输出饱和功率时的效率，这是以线性指标劣化为代价的。为了保证系统的线性指标，DPD出场了。先了解预失真技术（PD），它是人为地加入一个特性与系统非线性失真恰好相反的系统，两种非线性互相补偿，最终消除非线性分量，如图。DPD是数字预失真技术，预失真信号在数字域产生。▲预失真的线性补偿DPD技术通过采集分析Doherty放大器输出信号的非线性特性，在数字域内对原始基带信号进行补偿，使发射机输出的信号符合协议要求的线性指标（ACPR）。现在各大厂商AAU的效率，很大一部分取决于其DPD算法对非线性功放的校正能力。其校正能力越强，发射机的效率就能做得越高。梳理一下这套高效率发射机方案的工作流程：CFR技术将高峰均比的信号削峰致6~7dB；Doherty放大器放大削峰后的信号，其输出平均功率时具有输出饱和功率时相同的效率，但其线性指标(ACPR)较差；DPD技术校正放大器的非线性，使发射机达到协议要求线性指标。▉结语除了使用Doherty+CFR+DPD外，5G还在其他方面实施了提高效率的举措：选择效率更高GaN功放，取代LDMOS功率放大器；将太阳能、风能等清洁能源应用于5G基站的能源补给；“AI+大数据”智能监测、控制AAU通道开关，使5G基站的负荷更高效；CU与DU分离，CU的集中管理一定程度上也提高了效率，降低5G能耗。中国通信人正在不断创新和努力，优化AAU射频方案和能源方案，以获得更高的5G效率。虽然5G耗能较4G有所提高，但其带来的直接影响和间接影响都是非凡的。中国信通院在《5G经济社会影响白皮书》中预测：“2030年，在直接贡献方面，5G将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为6.3万亿元、2.9万亿元和800万个；在间接贡献方面，5G将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为10.6万亿元、3.6万亿元和1150万个。”4G改变生活，5G将改变社会。让我们拭目以待吧！