5G基站:全产业链系统“减碳”

中国电子报|2021-11-22 15:34:21
作者:齐旭 来源:中国电子报、电子信息产业网

5G基站支撑起一张速度更快、效率更高、安全性更好的公共网络,但从某种意义上而言,还是一只“电老虎”。据测算,5G单站的功耗是4G单站的3倍左右,到2025年,通信行业将消耗全球20%的电力,其中80%来自基站。

截至目前,我国已建成5G基站超过115万个,占全球70%。“十四五”时期将是5G网络的大规模建设期,5G基站作为耗电大户,通过系统性解决方案践行绿色低碳,不仅有助于信息通信基础设施节能减碳,还能够降低运营商节省投资成本,更被上升至国家战略高度,成为了5G行业发展的主旋律。

基站节能减碳迫在眉睫

根据近日工信部发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》,2025年每万人将拥有5G基站26座,2020年我国每万人拥有5G基站5座。按照我国14亿人口测算,2025年将建成5G基站不少于360万座。

5G不光是一张面向公众的消费级网络,更是能深入行业细分领域的、具有确定性的、灵活可定制化的网络,但其耗电量也非常可观。尽管5G基站的系统容量和发射功率远超过4G基站,每比特的功耗显著好于4G,但绝对能耗仍然让电信运营商们“吃不消”。

“中国联通一年耗电不到200亿度,大致分布在三个方面:无线网络、基础网络、数据中心,目前这三者之间的耗电比例是7∶2∶1。”中国联通研究院副院长魏进武说,“目前5G单基站的功耗是4G基站的3~4倍,这是因为5G采用了中高频段,基站的密度比4G大。”

“目前5G基站的功耗比较高,相当于4G基站的3倍左右,但是从每比特耗能这个指标看,5G比4G其实已经下降了很多。”中国移动研究院副院长黄宇红说,“ 2019年5G商用之前,5G基站的功耗是4G现网的4~5倍,通过新的基站设计、高集成度的基站、新材料的应用、新器件和新功能的改进,已经使5G基站功耗降低了1/4,现在5G是4G功耗的3倍左右,后续还会积极采用各种新的技术。”

未来5年是5G网络建设和发展的主周期,实现5G基站等信息通信基础设施的节能减碳,不仅能够帮助运营商节省投资成本,更是信息通信行业产品绿色升级的重要驱动力。

三大运营商发力“减碳”

目前,国内三大运营商均发布了各自“双碳”目标和行动计划。

中国电信计划在“十四五”期间实现单位电信业务总量综合能耗/碳排放下降23%以上;4G/5G共建共享节电量超450亿度,新建5G基站节电比例不低于20%;大型、超大型绿色数据中心占比超过80%。

中国移动提出,2025年在电信业务总量增加1.6倍的情况下,碳排放总量控制在5600万吨以内的目标,到2025年,单位电信业务总量综合能耗/碳排放较2020年降幅均超过20%,5年企业自身节电量超400亿度,同时助力社会减排量超过16亿吨。

目前,中国移动已经与一些高能耗行业紧密结合起来,致力于更好地推动这些行业向低碳化发展。例如中国移动与能源行业和电力行业正在做的一些工作,在输电、发电和用电方面,推动电、网结合,确保发电的生产安全和个人用电的便利性。

中国联通表示力争到2023年能源消费总量增幅达到峰值,到2028年碳排放总量提前达峰。截至2021年6月,中国联通与中国电信共建共享5G基站已经达到46万站、累计共享4G基站46万站,每年可节约用电117亿度以上,为双方累计节省投资超过千亿元。在中国电信和中国联通共建共享过程中,涌现出大量的创新性解决方案。

中讯邮电咨询设计院电源与节能研究部主任朱清峰指出,因为5G基站能耗高,蓄电池的放电保障的时长变短,但5G网络整体的可靠性,特别是在供电可靠性方面,目前还没有达到4G的水平。“通信局站供电系统的设计规范现为国家标准,目前的基站建设供电按照现有标准进行,一旦广泛地与行业应用结合起来,对5G基站可靠性要求就高了,标准还应对应做出动态性变化。”他说。

系统性减碳已取得显著成效

由于基站内涉及集成射频模块、基带模块、天线模块等复杂的软硬件设施,因此5G基站的节能减碳需要运营商、设备商、芯片厂商等全产业链的共同努力。

“5G基站节能三大着力点指向设备级、站点级和网络级节能。”中信科移动运营商网络产品线总裁邓鸿威对记者说。

具体来说,首先通过优化设备硬件设计、改进生成工艺、设备集成度等手段,达到降低基站设备基础能耗、不断提高基站设备能源利用率的目的。

中信科移动采用高功效GaN材料+优化DPD算法与多重手段优化AAU散热和高集成高工艺提升整机功耗,实现5G产品的整体功耗的下降。并在设备级节能的基础上,推出了多频多制式合一产品,实现高集成、大容量的极简站点,可以简化天面,降低部署和维护的成本。中兴自研的7nm芯片使其基站设备缩小到18升,重量也减少了近一半,只有20公斤重,功耗也随着体积同步降低。

其次,对于所有站点来讲,需要根据实际情况调整运营状态,从亚帧、通道关断及深度休眠等方面开展软件节能方案研究,由此达到节能目标。

洛阳联通根据当地目前的5G用户分布和终端使用状况,对已经入网的3种不同基站射频单元设备(AAU),分不同时段定时开启空载状态下的深度休眠功能,从而实现智能化基站设备能耗管控的目的;爱立信研发了潮汐功放技术能动态调整PA电压,根据业务量的高低,自动通过硬件算法实时优化功耗,根据实验结果,在典型业务负荷时,该技术可以让基站射频单元整机功耗降低20%,基站整体功耗降低约15%。

此外,从多网协作角度,AI、大数据等新一代信息技术将辅助开展智能节能方案研究,让基站节能更上一个台阶。

华为在新机柜里配置了全链路智能,给所有设备都连上了智能开关,当没有业务跑的时候,设备可以休眠,而且智能开关代替了传统人力运维,降低了约75%的运维成本;中兴通讯开发了PowerPliot AI节能平台,通过大数据和AI对各种节能措施和节能策略进行应用预测和优化,较大限度降低无线网络功耗。

通过开展“AI无线基站节能系统”等重大项目攻关,目前江西移动已建立5G机房能耗精细化智能管理体系,运用AI和大数据技术自动制定最优机房供电策略,结合远程智能控制技术,全网4G、5G基站全年累计节电约1.04亿度,节电效率提升10%。

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