通信人必须了解的5G基站功耗真相

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过去人们只关心手机耗不耗电，而基站耗电对于公众一直是个秘密。现在5G火了，基站君也跟着火，基站耗电的事也被摆上了台面，成为大家热议的话题。不管别人怎么说，但作为通信人，关于5G基站功耗，有些真相你一定要明白。
过去人们只关心手机耗不耗电，而基站耗电对于公众一直是个秘密。现在5G火了，基站君也跟着火，基站耗电的事也被摆上了台面，成为大家热议的话题。

不管别人怎么说，但作为通信人，关于5G基站功耗，有些真相你一定要明白。

基站功耗的组成
为了方便理解，我们先来画一张简图。

基站主设备由BBU和AAU组成。

BBU主要负责基带数字信号处理，比如FFT / IFFT，调制/解调、信道编码/解码等。

AAU主要由DAC（数模转换）、RF（射频单元）、PA（功放）和天线等部分组成，主要负责将基带数字信号转为模拟信号，再调制成高频射频信号，然后通过PA放大至足够功率后，由天线发射出去。

简单的说，基站功耗的计算公式如下：

基站功耗由PA功耗、RF功耗和BBU功耗组成，并随着TRX链路增加，基站总功耗成倍增加。

比如，Massive MIMO的天线单元越多，每个天线单元都有PA和RF单元，TRX链路增加，同时BBU的计算功耗也随着TRX链路增加而上升，因此基站总功耗随之上升。

影响基站功耗的主要因素
影响基站功耗的主要因素有：PA功耗、漏电功耗和芯片功耗。

PA功耗

PA是基站发射系统的关键器件。射频信号功率本来是很小的，只有经过PA放大获得足够的射频功率后，才能馈送到天线并辐射出去，因此PA的重要性不言而喻。

但PA也是最耗电、效率最低的器件，有统计指出约一半的基站功耗来自PA。

PA功耗为什么这么大呢？

PA的职责就是忠实地线性放大信号，但现实与理性总是有很大差距的，如下图所示，随着PA输出功率越来越接近最大输出功率（饱和输出功率），非线性失真越来越大，这会严重影响信号传输质量。

为了减少非线性失真，PA会采用回退（Backoff）的方式，将放大器的工作点调低，以确保输出功率操作在线性区域范围，维持线性度。

但问题就来了，回退操作会降低PA功耗效率，使得PA功耗更高。

如下图，PA的功耗等于输出功率与PA功耗效率之比。

假设PA功耗效率为50%，至天线的射频输出功率为200W，那么，PA功耗高达400W，这意味着有近一半的功率作为废热而损失。此时，若PA工作点回退10dB以补偿线性度，则PA功耗效率将降至20%以下，则PA功耗高达1000W，这意味着有80%的功率作为废热而损失。

由于PA功耗效率和线性度是相互矛盾的，为了兼顾两者，业界采用了数字预纠偏算法（DPD）等技术，即通过在PA的输入侧添加功放非线性失真的逆特性来进行预先失真处理。因此，DPD算法的优劣将会直接影响5G基站功耗效率。

芯片功耗

芯片性能直接影响BBU和AAU的数字信号处理功耗开销，这是众所周知的。尤其是面向5G未来，基站要实时处理越来越高的数据流量，对芯片性能要求更加苛刻。

目前业内成熟的5G基站产品都会考虑采用专用集成电路（ASIC）芯片替代现场可编程门阵列（FPGA）芯片，用以降低功耗并提升运算效率。

漏电功耗

芯片功耗通常由两部分组成：运算时产生的动态功耗和来自漏电流产生的静态功耗。动态功耗可随着晶体管尺寸不断缩小来改善，但随着晶体管越小，漏电流反而会增大。芯片的漏电流会随温度变化，当芯片发热时，静态功耗呈指数上升。

因此，引入先进的散热技术，确保基站工作在合理的温度范围内，可大幅减少基站的功耗。

如何评估基站功耗？
基站由复杂的元器件组成，处理的是包络波动的无线信号，面对的是不同场景下复杂的无线环境，影响基站功耗的因素动态多样，因此评估基站功耗千万不能停留在静止的水平上，应该全面、具体和动态的评估。

比如，以基站功耗的罪魁祸首PA功耗为例，宏站和微站之间就有非常明显的区别。相比宏站，微站的覆盖范围小，发射功率低，PA非线性失真较小，PA功耗占比也较小，甚至可能不需要DPD等技术来进行预失真处理。

显然，任一因素的改变都会导致结果出现较大的变化，评估基站功耗至少应该综合考虑以下因素。

发射功率

如前所述，PA功耗效率与基站发射功率（即射频最大输出功率）密切相关，发射功率越低，基站功耗越低。以20%的PA功耗效率为例，减少40W的发射功率将降低200W的功耗。

业务负载

不考虑业务负载评估基站功耗就是耍流氓。基站的业务流量越大，调用的物理资源块（PRB）越多，基站的功耗越大。

首先，随着业务负载增大，PA功耗会增大。同时，为了满足高流量需求，更多数量的天线会参与工作，而每一根天线单元都连接了PA，这意味着基站总传输功耗会随之上升。

环境温度

工作温度升高会导致器件的漏电流增大，进而导致基站功耗增加。值得一提的是，基站功耗随着业务负载增加，而随着业务负载增加，基站设备的温度越来越高，又进一步增加了器件的漏电功耗，这极其考验基站设备在高负载情况下的散热能力。

规格及扩展能力

比如，如果厂商考虑了基站后续的扩展能力，对电源、散热以及计算能力等方面做了预留，那么相对于无扩展能力的基站，功耗也一定会有所提升。

根据ITU定义的5G KPI，5G网络能效相比4G要提升100倍。坦白而言，要完成这个KPI任重而道远，这需要全行业共同努力来实现。然而，我们也经常会在网上看到一些有关厂家的功耗排名，可以说，在没有经过运营商严格拉齐测试的情况下，准确度是存疑的。在通往目标的路上，是需要多样本、多场景、全面动态地评估基站功耗真实水平的，这不仅有助于运营商做出正确的判断，同时也将激励厂家不断创新，推动5G产业正向发展。