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關于5G基站功耗,有些真相沒人明說,但通信人你一定要明白

發布人:管理員 發布時間:2019-10-10


過去人們只關心手機耗不耗電,而基站耗電對于公眾一直是個秘密?,F在5G火了,基站君也跟著火,基站耗電的事也被擺上了臺面,成為大家熱議的話題。


不管別人怎么說,但作為通信人,關于5G基站功耗,有些真相你一定要明白。



基站功耗的組成



為了方便理解,我們先來畫一張簡圖。



基站主設備由BBU和AAU組成。


BBU主要負責基帶數字信號處理,比如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。


簡單的說,基站功耗的計算公式如下:


基站功耗由PA功耗、RF功耗和BBU功耗組成,并隨著TRX鏈路增加,基站總功耗成倍增加。


比如,Massive MIMO的天線單元越多,每個天線單元都有PA和RF單元,TRX鏈路增加,同時BBU的計算功耗也隨著TRX鏈路增加而上升,因此基站總功耗隨之上升。



影響基站功耗的主要因素



影響基站功耗的主要因素有:PA功耗、漏電功耗和芯片功耗。


PA功耗


PA是基站發射系統的關鍵器件。射頻信號功率本來是很小的,只有經過PA放大獲得足夠的射頻功率后,才能饋送到天線并輻射出去,因此PA的重要性不言而喻。


但PA也是最耗電、效率最低的器件,有統計指出約一半的基站功耗來自PA。


PA功耗為什么這么大呢?


PA的職責就是忠實地線性放大信號,但現實與理性總是有很大差距的,如下圖所示,隨著PA輸出功率越來越接近最大輸出功率(飽和輸出功率),非線性失真越來越大,這會嚴重影響信號傳輸質量。



為了減少非線性失真,PA會采用回退(Backoff)的方式,將放大器的工作點調低,以確保輸出功率操作在線性區域范圍,維持線性度。


但問題就來了,回退操作會降低PA功耗效率,使得PA功耗更高。


如下圖,PA的功耗等于輸出功率與PA功耗效率之比。



假設PA功耗效率為50%,至天線的射頻輸出功率為200W,那么,PA功耗高達400W,這意味著有近一半的功率作為廢熱而損失。此時,若PA工作點回退10dB以補償線性度,則PA功耗效率將降至20%以下,則PA功耗高達1000W,這意味著有80%的功率作為廢熱而損失。


由于PA功耗效率和線性度是相互矛盾的,為了兼顧兩者,業界采用了數字預糾偏算法(DPD)等技術,即通過在PA的輸入側添加功放非線性失真的逆特性來進行預先失真處理。因此,DPD算法的優劣將會直接影響5G基站功耗效率。


芯片功耗


芯片性能直接影響BBU和AAU的數字信號處理功耗開銷,這是眾所周知的。尤其是面向5G未來,基站要實時處理越來越高的數據流量,對芯片性能要求更加苛刻。


目前業內成熟的5G基站產品都會考慮采用專用集成電路(ASIC)芯片替代現場可編程門陣列(FPGA)芯片,用以降低功耗并提升運算效率。


漏電功耗


芯片功耗通常由兩部分組成:運算時產生的動態功耗和來自漏電流產生的靜態功耗。動態功耗可隨著晶體管尺寸不斷縮小來改善,但隨著晶體管越小,漏電流反而會增大。芯片的漏電流會隨溫度變化,當芯片發熱時,靜態功耗呈指數上升。


因此,引入先進的散熱技術,確?;竟ぷ髟诤侠淼臏囟确秶鷥?,可大幅減少基站的功耗。



如何評估基站功耗?



基站由復雜的元器件組成,處理的是包絡波動的無線信號,面對的是不同場景下復雜的無線環境,影響基站功耗的因素動態多樣,因此評估基站功耗千萬不能停留在靜止的水平上,應該全面、具體和動態的評估。


比如,以基站功耗的罪魁禍首PA功耗為例,宏站和微站之間就有非常明顯的區別。相比宏站,微站的覆蓋范圍小,發射功率低,PA非線性失真較小,PA功耗占比也較小,甚至可能不需要DPD等技術來進行預失真處理。


顯然,任一因素的改變都會導致結果出現較大的變化,評估基站功耗至少應該綜合考慮以下因素。


發射功率


如前所述,PA功耗效率與基站發射功率(即射頻最大輸出功率)密切相關,發射功率越低,基站功耗越低。以20%的PA功耗效率為例,減少40W的發射功率將降低200W的功耗。


業務負載


不考慮業務負載評估基站功耗就是耍流氓?;镜臉I務流量越大,調用的物理資源塊(PRB)越多,基站的功耗越大。


首先,隨著業務負載增大,PA功耗會增大。同時,為了滿足高流量需求,更多數量的天線會參與工作,而每一根天線單元都連接了PA,這意味著基站總傳輸功耗會隨之上升。


環境溫度


工作溫度升高會導致器件的漏電流增大,進而導致基站功耗增加。值得一提的是,基站功耗隨著業務負載增加,而隨著業務負載增加,基站設備的溫度越來越高,又進一步增加了器件的漏電功耗,這極其考驗基站設備在高負載情況下的散熱能力。


規格及擴展能力


比如,如果廠商考慮了基站后續的擴展能力,對電源、散熱以及計算能力等方面做了預留,那么相對于無擴展能力的基站,功耗也一定會有所提升。


根據ITU定義的5G KPI,5G網絡能效相比4G要提升100倍。坦白而言,要完成這個KPI任重而道遠,這需要全行業共同努力來實現。然而,我們也經常會在網上看到一些有關廠家的功耗排名,可以說,在沒有經過運營商嚴格拉齊測試的情況下,準確度是存疑的。在通往目標的路上,是需要多樣本、多場景、全面動態地評估基站功耗真實水平的,這不僅有助于運營商做出正確的判斷,同時也將激勵廠家不斷創新,推動5G產業正向發展。

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