基站设备功耗对5G网络建设的影响及应对

作者:中通服咨询设计研究院有限公司 李新 责任编辑:甄清岚 2019.08.02 08:38 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)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。

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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

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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。


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