聊一聊5G真的更耗電嗎？
本文轉載自微信公眾號「鮮棗課堂」，作者通信ROCK老師 。轉載本文請聯系鮮棗課堂公眾號。
2020年，庚子年，“中國戰疫”舉世矚目。這一年，5G元年，中國通信同樣表現搶眼。
根據最新的統計數據，中國完成5G基站建設超過70萬座，5G終端連接數突破2億。毫無疑問，中國通信人交出了一份令人滿意的答卷，國內5G市場正在全面爆發。
但另一方面，關于5G基站高耗電的議論，時有出現。人們擔心，5G的基站用電成本，會讓運營商不堪重負。
今天這篇文章，筆者將詳細分析5G的能耗，以及產品設計中的節能環節。
5G其實更省電
5G設備的耗電真的比4G多嗎?
非常遺憾，這個答案是肯定的。5G的耗電高，主要有兩點原因：
5G使用Massive MIMO技術
4G基站RRU使用8天線，天線矩陣實現2D MIMO，滿功率輸出160W射頻信號;5G基站AAU使用64天線，天線矩陣實現3D MIMO，滿功率輸出320W射頻信號。如果效率相同，5G AAU的耗能是4G RRU的2倍。
實際上，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，數字預失真)算法，5G設備的效率是比4G高的。也就是說，AAU的耗能不到RRU的2倍。
- 5G使用了更高的頻段
由于高帶寬和Massive MIMO的要求，5G使用較高頻率頻段。在SUB-6GHz的頻譜中，中國移動使用2.6GHz頻段(和4G相同);中國電信和中國聯通使用3.5GHz頻段(兩家運營商4G TDD LTE頻段是2.6GHz頻段)。
根據無線信號自由空間傳輸損耗公式：
Los (dB)= 32.44 +20lg( d(km)) +20lg( f(MHz))
中國移動5G覆蓋和4G相當，而中國電信和中國聯通的5G覆蓋距離大概是4G時的0.75倍，站點數理論上增加1.8倍。達到與4G相同的覆蓋效果，5G站點數理論上是4G的1.2~1.4倍。
以上兩點因素疊加，5G全網的耗能將是4G全網耗能的2.4~2.8倍。
看來5G的能耗確實不可小覷。那么，又是什么原因讓5G選擇Massive MIMO和高頻段呢?
Massive MIMO的優勢顯而易見：
- 利用垂直緯度和水平緯度的天線自由度，時頻資源利用率提升;
- 用戶間的干擾降低;
- 提升小區吞吐率;
- 提升小區邊緣用戶體驗。
而高頻段頻譜助力5G Massive MIMO的實現。
天線的尺寸和頻率有關。頻率越高，射頻信號波長越短，相應的天線尺寸越小。
5G的AAU現在使用64天線陣，往后發展還會有128天線陣和256天線陣。大規模的天線陣，促使5G選擇高頻段頻譜資源。
5G確實比4G耗能更多，但不能片面看待這個問題。5G這匹“千里馬”吃得雖然多，但是，它拉了輛更大的車——5G系統容量是4G的20倍以上。
實際上，就傳輸單位比特信息量的功耗而言，5G 是更省電的。5G每比特數據消耗的能量約是4G的1/10。
節能減排永遠在路上
我們再來看一組數據——2018年三大運營商的電費：中國移動245億元，中國電信140億元，中國聯通120億元。
按之前的估算，5G能耗是4G的2.2~2.4倍。預計5G全網建成后，全網年電費將達到1200~1400億元。雖然5G會給運營商帶來利潤回報，但基站設備的節能減排，是運營商必須重視的問題。
毛主席在《矛盾論》中提出——要抓住問題的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是AAU(RRU)，AAU能耗的主要矛盾是發射機的射頻功率放大器。
談到AAU中射頻功率放大器效率的提升，這里必須要提到一套“黃金提效方案”：Doherty+CFR+DPD。
我們首先來看這套高效率方案生成的背景。
實際上，這套高效率方案在4G時代就開始使用了，它是針對OFDM系統提出的。
由于OFDM符號是由多個獨立的調制的信號相加而成的，這樣合成的信號就有可能產生比較大的峰值功率。并且載波數越多，峰值信號功率越大。
在分析這種類型信號時，提出了峰均比(PAR，Peak-to-Average Ratio)的概念。PAR是符號的峰值功率與平均功率的比值：
PAR(dB)=Ppeak(dbm)-Pmean(dbm)
OFDM時頻信號
OFDM系統信號的特點是時域為非恒包絡狀態，峰值功率隨機出現。大峰均比信號的出現，會降低射頻前端功放的效率。
伴隨高峰均比信號的出現，削峰技術(CFR)就誕生了。
CFR即降低信號峰均比的技術。信號的削峰會帶來一定的失真，過多的削峰會影響接收機的誤碼率。
在4G、5G移動通信中，信號的原始峰均比有十幾dB，經過削峰后，送給發射單元的信號的峰均比一般為6~7dB。
為了滿足發射機的線性指標，工程師在設計放大器時，可能會選擇功率回退方案。功率回退是指，讓功率放大器輸出比自己飽和功率低得多的功率信號，以保證輸出信號的線性指標。
該方案實現難度小，結構簡單。
比如，輸出10W的信號，工程師會選擇飽和功率大于10W的功率放大器做方案。
但高峰均比信號的出現，使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如輸出平均功率為10W，峰均比為6dB的信號，工程師需選擇飽和功率大于40W的功放管來做方案。
但是功放的輸出功率和效率是正比關系，為了滿足瞬時大信號的線性指標，高峰均比系統使用回退方案會導致效率低下。如果AAU發射機放大器使用純回退方案，末級功放效率將不足15%，整機效率不足10%。
Doherty放大器解決了高峰均比系統效率低的問題。
其結構如圖，Doherty放大器通常情況下使用兩個完全相同的放大管來對信號進行放大。限于篇幅，其工作原理無法展開細說。它最大的特點是，放大器在輸出功率低于飽和功率6db時的效率，與輸出飽和功率時的效率相當。
Doherty結構
即在5G系統中，Doherty放大器輸出平均功率時具有飽和功率效率。比如Doherty功放的飽和功率是100W，輸入信號的峰均比是6db，當輸出25W功率時，其效率與放大器輸出100W功率相同。
Doherty效率曲線
目前國內幾個大廠的AAU末級Doherty功放的效率已經做到50%以上，AAU整機效率超過40%。相對于純回退方案，Doherty方案的整機能耗是其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處得到了輸出飽和功率時的效率，這是以線性指標劣化為代價的。為了保證系統的線性指標，DPD出場了。
先了解預失真技術(PD)，它是人為地加入一個特性與系統非線性失真恰好相反的系統，兩種非線性互相補償，最終消除非線性分量，如圖。DPD是數字預失真技術，預失真信號在數字域產生。
預失真的線性補償
DPD技術通過采集分析Doherty放大器輸出信號的非線性特性，在數字域內對原始基帶信號進行補償，使發射機輸出的信號符合協議要求的線性指標(ACPR)。
現在各大廠商AAU的效率，很大一部分取決于其DPD算法對非線性功放的校正能力。其校正能力越強，發射機的效率就能做得越高。
梳理一下這套高效率發射機方案的工作流程：
- CFR技術將高峰均比的信號削峰致6~7dB;
- Doherty放大器放大削峰后的信號，其輸出平均功率時具有輸出飽和功率時相同的效率，但其線性指標(ACPR)較差;
- DPD技術校正放大器的非線性，使發射機達到協議要求線性指標。
結語
除了使用Doherty+CFR+DPD外，5G還在其他方面實施了提高效率的舉措：
- 選擇效率更高GaN功放，取代LDMOS功率放大器;
- 將太陽能、風能等清潔能源應用于5G基站的能源補給;
- “AI+大數據”智能監測、控制AAU通道開關，使5G基站的負荷更高效;
- CU與DU分離，CU的集中管理一定程度上也提高了效率，降低5G能耗。
中國通信人正在不斷創新和努力，優化AAU射頻方案和能源方案，以獲得更高的5G效率。雖然5G耗能較4G有所提高，但其帶來的直接影響和間接影響都是非凡的。
中國信通院在《5G經濟社會影響白皮書》中預測：“2030 年，在直接貢獻方面，5G 將帶動的總產出、經濟增加值、就業機會分別為 6.3 萬億元、2.9 萬億元和 800 萬個;在間接貢獻方面，5G 將帶動的總產出、經濟增加值、就業機會分別為 10.6 萬億元、3.6 萬億元和 1150 萬個。”
4G改變生活，5G將改變社會。讓我們拭目以待吧!
