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 Massive MIMO 技术

　　4G 基站 RRU 使用 8 天线，天线矩阵实现 2D MIMO，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 3D MIMO，满功率输出 320W 射频信号。如果效率相同，5G AAU 的耗能是 4G RRU 的 2 倍。

　　实际上，得益于更高效的 PA(Power Amplifier，功率放大器)芯片和更好的 DPD(Digital Pre-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 Massive MIMO 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 4G TDD LTE 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 Massive MIMO 和高频段呢?

　　Massive MIMO 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 5G Massive MIMO 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-Average Ratio)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!