入場貴+成本高?專家來出招:全行業多措并舉走出“5G能耗”的新路

作者:劉威 刁兆坤 范才坤 王振章 責任編輯:劉婷宜 2020.09.14 07:13 來源:通信世界全媒體

隨著5G時代的到來,擺在通信行業面前的,除了以往的“進場難、入場貴”難題,還有一座5G能耗/用電“大山”。工信部新聞發言人聞庫表示,近期,我國每一周平均新開通的基站都超過1.5萬個,截至2020年6月,中國移動、中國電信、中國聯通等3家運營商在全國已建設開通的5G基站超過了40萬個。而這么多的5G基站,背后的用電消耗和費用,到底是一個怎樣的量級?

一邊,是我國5G建設的加速之勢,一邊,是高額的基站用電。在這樣的背景下,如何跨越5G天價用電這座大山,確實就成了一個壓在行業身上“喘不過氣來”的話題。

為什么5G用電會更多?

首先,需要我們搞清楚的是,為什么5G用電會更多?這個問題,可以從三個層面來解釋,一是5G基站的功耗問題,二是5G基站的覆蓋問題,三是5G基站的配套設施問題。

5G基站功耗

相較于4G,5G的基站功耗明顯上升。中國通信標準化協會的數據顯示,目前主要運營商的5G基站主設備空載功耗約2.2~2.3kW,滿載功耗約3.7~3.9kW,是4G單站的3倍左右。

據此,假如以平均1.3元/度的轉供電價測算,以前一個4G基站每年的電費是20280元,而一個5G基站每年的電費將高達54600元,那么,50萬(運營商2020年5G建設目標)個5G基站的年度電費將達到273億!

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圖1  5G基站組成示意圖

5G基站主要由基帶單元(BBU)、射頻單元(AAU)、饋線、散熱系統等組成。BBU和AAU是5G基站的主要部分,AAU就是RRU+天線的組合。BBU主要負責基帶數字信號處理,如FFT/IFFT,調制/解調、信道編碼/解碼等。AAU主要由DAC(數模轉換)、RF(射頻單元)、PA(功放)和天線等部分組成,主要負責將基帶數字信號轉為模擬信號,再調制成高頻射頻信號,然后通過PA放大至足夠功率后,由天線發射出去。在整個基站系統中,負責處理信號編解碼的基帶單元(BBU)的功耗相對較小,而射頻單元(RRU/AAU)和散熱系統是功耗的主要來源。也就是說,天線、功放等射頻器件都是“耗電大戶”。

由于5G比4G傳輸速率大,天線數量多,功耗也隨之增大,耗能當然也會增多。其中,射頻單元能耗高,主要原因是5G小區帶寬是4G的5倍以上,且室外主要使用復雜度較高的32/64通道Massive MIMO設備。

以中國移動2.6GHz頻段為例,5G基站信號帶寬為160MHz,可同時提供4G和5G服務,相比4G帶寬為60MHz,5G帶寬是4G帶寬的2.67倍,發射功率是4G的2倍,導致總功耗增加,并且,5G Massive MIMO典型的32/64TR設備通道數是4G網絡8TR設備通道數的數倍,射頻單元功耗增加顯著,同時,通道數多也帶來基帶計算量的增加,功耗也會上升。

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圖2  5G基站能耗測試

5G基站覆蓋

相比于4G,由于5G采用的是更高的頻率,單站覆蓋的范圍更小,要實現更好更全的覆蓋,就需要更密更多的基站。同時,5G的帶寬增長了10倍,雖然能源效率提高了,但要推動這么大的數據流量,基站耗能還是會成倍增長。

預計到2024年,5G小基站的數量將超過4G小基站;到2025年,得到商用部署的5G小基站將達到1310萬個,占全球所有現網小基站的1/3以上。雖然一個小基站的能耗遠低于一個傳統的宏基站,但是,要完成對一片區域的連續覆蓋,就需要較大數量的5G小基站。

據中國產業信息網預測,5G基站數量最終將是4G基站的1~2倍,達500~600萬個。據此粗略估計,屆時運營商支出將在1150億至1800億,而2019年三大運營商利潤之和僅為1384億人民幣。如果條件未曾改變,那么5G鋪開之后,電費成本一項或將透支運營商所有利潤。因此,對于運營商而言,5G的高能耗甚至成為了制約5G基站建設的首要原因。

 5G基站機房制冷

當前,移動通信基站機房均為全封閉機房,機房內的電源設備、發射設備、傳輸設備等都是較大的發熱體。要保持機房一定的工作環境溫度主要靠空調來實現,為保障設備在恒溫下運行,不因為溫度過高而宕機,制冷系統就要不間斷地為基站降溫,也是導致運營成本居高不下的重要原因之一?;咀詮恼Q生以來,基本上便一直采用傳統的空調制冷方式,且占據了基站總能耗的30%~40%左右。

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圖3 基站耗能大致分布

綜上所述,在5G通信系統中,基站可謂是能耗大戶,大約80%的能耗來自于基站。相較于4G網絡,5G不僅功耗提升了3倍以上,并且由于覆蓋范圍的減少,5G基站的數量又成倍增加,以及配套機房設施制冷方面的不可避免的耗能,總體上導致了5G高耗能的局面。

5G高耗能下的多方嘗試方案

一直以來,整個行業產業鏈各個環節都在為降低電費開支做努力。比如,降低基站發熱就是降低功耗的一個辦法,目前主要的應對舉措包括:采用更高工藝制程的芯片、更節能的器件材料,引進更科學的散熱方法,以及通過AI技術對設備功率進行動態控制。例如華為、中興等設備商不斷開發新的技術以及芯片,從設備層面降低能耗。從運營商角度來看,如洛陽聯通通過深度休眠降低5G基站能耗,以及中國鐵塔協同行業積極爭取各種優惠政策等,各方都在積極推進技術創新,想方設法降低電費等運營成本,助力5G低成本規模部署。

某廠商:刀片式基站

某廠商刀片式基站解決方案采用統一的模塊化設計,實現基站主要元素如射頻、基帶、電源、電池、微波、傳輸的刀片化,不同模塊間的任意快速拼裝組合無縫拼裝,能靈活安裝在抱桿、貼塔、墻面或者屋頂,“0”站址無需機房機柜,使基站的安裝像拼裝樂高積木一樣簡單便捷。同時刀片式基站采用自然散熱,滿足室外55℃高溫環境,IP65防護等級,無需機房、機柜和空調,降低了運營成本。

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圖4  某廠商刀片式基站

中國鐵塔:一體化機柜散熱優化改造方案

戶外一體化機柜使用通風熱交換設備或機柜自帶空調設備來降溫。新增5G設備后,如存量機柜制冷設備制冷量不能滿足散熱需求,容易造成機柜內設備損壞、高溫報警、設備退服等問題,嚴重影響設備使用壽命和系統穩定性。

當一體化機柜內配置的空調滿足現有設備散熱量時,對于后期新增5G設備可采用新增模塊化溫控機柜的方式來解決散熱問題,模塊化溫控機柜制冷量為3000W,可滿足5G設備的散熱需求。如原有一體化基站站址空間不足,無法新增模塊化溫控機柜,可采用替換原有機柜的方式來解決散熱問題,改造示意圖如圖5所示。

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圖5 一體化機柜改造示意圖 

中國移動:5G基站一體化能源柜

5G基站一體化能源柜是中國移動基于“柔性、智能、高效”的設計理念,自主發明的數字智能供電產品,實現了電源功能的軟件可定義,基于系統化思維,聚焦整站性能,面向整站系統的一體化設計,運用更多智能技術加速綠色能源規模應用。

電源柜靈活的模塊化多輸入多輸出電源能夠滿足各類場景的供電需求。同時,智能硬件可有效支撐高水平信息化平臺建設,實現基于AI﹢大數據的多維度報表分析、業務建議及趨勢預測,實現能量的智能調度及運營,徹底改變當前基站低水平人工運維的現狀,實現5G網絡對站點能源的精細化管理。

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圖6  5G基站一體化能源柜示意圖

基站智能鋰電錯峰,節省用電支出

我國多數省份具有谷峰電價,如廣東省峰、平、谷電價時段分別為6、10、8小時,電價比例為1.65:1:0.5,其中高峰時段電價是低谷時段的3倍以上。如果是直供電站點,便可以采用智能電源,讓站點錯峰運行。根據預設的市電容量,限制電源系統的輸出功率,使電源的輸入功率不超過市電容量的限制,由鋰電池自動為電源輸出功率缺口補充供電。由于鋰電池成本的下降,5G時代站點可能將普遍使用鋰電池,而直供電已經是站點供電主流,將來站點剩余空間將由鋰電池填充,不但電費降了下來,而且因為超長的備電時長,可使當前高昂的應急發電成本大幅下降。

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圖7 鋰電池智能削峰 

5G電費新政策

毋庸置疑,高能耗的同時也帶來對電力系統的全新考驗,因此,各級政府也紛紛出臺了相關政策來降低5G用電成本。

總得來看,“轉供電改直供電”是降低用電成本的關鍵環節,在沒有補貼的情況下,直供電價成本比轉供電大約低20%左右。例如貴州印發《降低我省5G基站用電成本政策措施》以降低5G基站用電成本,確保5G基站2020—2022年運行電價降至每千瓦時0.35元。貴州省對5G基站試行峰谷分時段電價政策,按對應電壓等級目錄電價及上下浮動40%確定。

除直接改供電方式降低建網運維成本外,在政策層面,不少地方政府在5G戰略規劃中提出了調降電費等定向支持,各地出臺政策開放各類市政公共資源加快5G網絡建設,針對5G的高投入,資金支持也成為地方政策支撐的重點。

此外,政府還在基站電費優惠、稅收減免及數據中心的用地用水用電保障、建設審批、能耗指標要求等方面加大政策支持力度。

未來,5G的用電/耗能問題還將長期存在,仍需包括運營商、鐵塔公司、設備商、供應商在內的全行業產業鏈各方共同探索,通過不斷的技術創新和綜合節能方案應用,一起走出“5G能耗”的新路?。ㄗ髡呔鶃碜灾袊苿油ㄐ偶瘓F設計院有限公司)

來源:《通信世界》雜志2020年9月15日刊


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