侯焕鹏，陆继钊，李永杰，赵景隆

（国网河南省电力公司信息通信分公司，河南 郑州 450052）

0 引 言

相关统计资料显示，截至2021 年底，我国建成并开通的5G 通信基站数量达到142.5 万个[1]。随着我国5G 通信基站部署规模的日益扩大，其带来的惊人能耗也逐渐引起了社会的广泛关注。目前，5G 通信基站的能耗远高于4G 通信基站。该情况下，对5G通信基站能效优化的策略进行分析研究，具有重要价值和现实意义。

1 5G 通信基站概述

5G 提供了比4G 更高的数据传输速度、更低的延迟和更大的连接数量。5G 通信基站是一种无线通信设备，作为5G 网络的核心组成部分，它用于接收和发送高速数据信号。高速率、低时延、大连接是5G 最突出的功能特征。首先，5G 具有高速数据传输功能，5G 基站可以提供高达10 ～20 Gb/s 的数据传输速度，5G 频谱效率高出4G 频谱效率3 倍，在连续广域覆盖和高移动性下，5G 用户体验速率达到100 Mb/s，流量密度为10 Mb/m2以上，信号移动性支持500 km/h 的高速移动。5G 信号的传输速度远超过4G 信号，能够满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输任务要求。其次，5G 具有低时延的功能，5G 基站提供的延迟时间低至1 ms，这非常适用于需要实时反馈的应用，如自动驾驶和远程手术。最后，5G 具有大连接数的功能，5G基站能够同时服务大量的设备，具备每平方千米百万设备连接的能力，这对于物联网应用非常重要。

2 5G 通信基站能效情况分析

5G 通信技术虽然带来了许多优势，但是也带来了更大的电力消耗问题。相关资料显示，5G 基站能耗占整个通信网络能耗的70%，从而影响运营成本[2]。同时，高功耗的基站可能需要更复杂的散热设备，这也会增加设备和维护成本。因此，降低5G基站的能耗，提高5G 基站的能效，可以降低电力消耗和运营成本。另外，5G 基站的高能耗会对环境造成影响，并增加碳排放。大量的5G 基站会消耗大量的电力资源，导致碳排放的增加，从而加剧全球气候变化。因此，提高5G 基站的能效，可以降低其对环境的影响。

2.1 5G 基站能耗与能效分析

相关机构在A 地地所测试的基站基带处理单元（Base Band Unit，BBU）、远端射频单元（Remote Radio Unit，RRU）、有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）设备功耗结果如表1 所示；在B 地所测试的基站单站功耗结果如表2 所示，满载情况下5G 基站单站功耗约为4G 单站的2.5 ～3.5 倍，5G 基站单站满载功率接近3 700 W。

表1 A 地不同供应商5G 通信基站功耗情况对比

表2 B 地某供应商4G 与5G 通信基站单站功耗对比

虽然相较于4G 通信，5G 通信基站的能耗大幅度增加，但能效与能耗并不等同。在移动通信领域中，能效指网络对电能的利用效率，能效越高，每度电可以传输的数据越多。5G 的Sub6G 频段载波带宽最大为100 MHz，而4G 的单载波带宽最大仅为20 MHz，5G 的载波带宽是4G 的5 倍。主流的5G 通信基站AAU 采用大规模天线阵列，拥有64 路数据收发通道，而4G 设备最多为4 个发射天线与4 个接收天线，仅有4 路数据收发通道。因此，5G 的小区下行峰值速度能够达到10 ～20 Gb/s，而4G 设备峰值速率仅为0.4 Gb/s，5G 小区单位时间可发送的数据量是4G 的25 ～50 倍。根据表1 和表2 中4G 与5G 通信基站能耗数据以及4G与5G设备数据传输速率数据，以4G 与5G 在每度电下能够传输的最大数据量作为标准，对比4G 通信与5G 通信的能效，即可计算出理论状态下，5G 通信的能效相比4G 通信能效提高了10 ～12.5 倍。

2.2 5G 基站耗能因素分析

信号传输时，运营商首先需要从电网处取得交流电，通过整流器将交流电转换为直流电。在转换过程中，电能的损失约有2%～5%。在完成交流电到直流电转变后，直流电会通过电源分配模块，将输入电源分配到机房内的多个设备。一般情况下，机房内的BBU 为一路电源，每一个RRU 单独一路电源，一般每一个站点会存在一个BBU 以及3 ～9 个RRU。在电能分配过程中，会有1%～12%的能量损失。剩余的电能将会被传送至基站的BBU和RRU或AAU中，用于传输设备来驱动数据处理和传输。在此之后，将会有一部分电能转化为天线信号进行发射以实现手机通信，但大部分电能会转变为热能。对于5G 通信而言，基站设备是机房的核心，也是最关键的耗能设备，其包括了BBU 以及5G 信号的AAU。AAU 的耗能约占整个基站耗能的70%，而BBU 的功耗占比则仅为30%且功耗稳定，与基站的通信量负荷关系较小[3]。

3 5G 通信基站能效优化的技术策略

3.1 网络切片技术应用

网络切片是一种网络架构技术，它可以将一个物理网络划分为多个虚拟网络，每个虚拟网络都可被独立配置和管理以满足特定应用或业务的需求。网络切片技术通过软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）等技术实现。每个网络切片都可以被定制，以满足不同的服务质量（Quality of Service，QoS）需求，如延迟、带宽、可靠性以及安全性等。该技术的优点是可以提供更高的网络灵活性和效率，使网络运营商可以更好地利用其网络资源。

在实际应用中，运营商需要根据自身业务需求分配与调度网络信号的动态资源。例如，基站不仅要分析自动驾驶的高频带宽和低延迟需求，还要分析物联网设备的低功耗和大覆盖区域需求，进行资源配置和调度，提高能效。当一个切片不再需要时，基站会将其资源释放，节省能源[4]。当新的业务需求出现时，基站会快速创建新的切片以满足需求。同时，在非高峰期，基站应关闭一些不必要的设备或服务，或者将一些设备设置为低功耗模式，从而节省能源，提高能效[5]。

3.2 动态频谱共享技术应用

动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）是一种无线通信技术，它允许4G 网络和5G 网络在同一频率带上共享和动态分配频谱资源。该技术的主要优点是能够灵活、高效地使用频谱资源，从而加速5G 网络的部署和覆盖。在DSS 中，网络可以根据需求动态调整4G 与5G 的频谱分配，当5G 设备需要更多的频谱资源时，系统可以将一部分4G 频谱切换到5G 使用，反之亦然[6]。这种机制可以确保4G 和5G 设备的顺畅连接，同时优化频谱的使用效率。

在实际应用中，基站需通过DSS 实时监测每个频段的使用情况。一旦系统检测到某个频段处于空闲状态，就立即将其开放给其他用户或服务，无须额外消耗能源去激活新的频段。当系统检测到某一频段负载过高时，DSS 启动，将部分数据流向其他较低负载的频段转移，避免过载频段的能源消耗过大。而在非高峰期，DSS 通过将部分设备设置为低功耗模式，从而实现能效优化[7]。

3.3 大规模多进多出技术

大规模多进多出（Massive Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术是一种无线通信技术，它使用了大量的天线在发送端和接收端进行同时传输和接收数据。MIMO 技术可以提高能源效率，也可以增加数据容量[8]。该技术可以在发送更多数据的同时降低功率，从而可以在提供高质量服务的同时降低能源消耗。

在实际应用中，基站首先要利用波束形成技术，形成窄波束直接对准每个用户，从而减少信号的损失和干扰，在保证服务质量的同时降低发射功率，进一步提升能效。其次，基站应优化天线设计与配置以及天线间的距离和角度，优化网络通道，在保证信号传输质量与效率的情况下减少通道数量，通道数量的减少可降低基带处理计算量所产生的功耗[9]。同时，基站要根据每一个天线所产生的独立数据量，将用户信号与独立流在同一时间和频率下进行共享，以更低的能耗完成数据传输，提升基站能效。最后，基站应采用先进的信号处理算法，利用人工智能技术和大数据分析，实现场景识别，根据不同场景原则信号处理算法，并将算法应用于MIMO 技术中，在确保高质量数据传输的同时降低处理过程中的能耗，显著提升5G 通信基站能效[10]。

4 结 论

在5G 通信已经大规模普及的情况下，分析5G通信基站能耗并优化其能效，具有重要价值和意义。文章分析了5G 通信基站的功耗消耗情况，并在此基础上提出了优化5G 通信基站能效的技术及其应用方法，希望能够为5G 通信提效降耗提供参考。