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通信人必须了解的5G基站功耗真相

时间:2019-08-05 作者:网优雇佣军 阅读:
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。

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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:

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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。

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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。

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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。

(来源:网优雇佣军)

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