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5G-Advanced绿色运营路径:优化算法与创新商业模式_通信世界网
国内市场 时间:2022-06-23
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通信世界网消息(CWW)5G虽然单位流量能耗与4G相比大幅降低,但是总体网络能耗却大幅提升,随着网络规模的持续扩大,5G能耗问题备受业界关注。近期,5G R17标准宣布冻结,标志着5G第二个演进版本标准正式完成。随着标准的推进,业界需要探讨面向5G-Advanced(即5.5G)乃至6G如何进一步开展绿色运营。

5G基站能耗问题引关注

2021年全国5G基站达到142.5万座。《“十四五”信息通信行业发展规划》提出,到2025年我国每万人将拥有26座5G基站,而2021年这一数字为10.17座。按照14亿人口测算,预计2025年我国将建成不少于360万座5G基站。

随着5G网络建设的全面铺开,通信基站耗电量直线上升。某运营商2021年财报显示,2021年该运营商能源使用费为369亿元,其中5G单站耗电量较大,是4G的3~5倍。该运营商的5G基站超过13万个,半年内电费达到27.6亿元,平均每站半年的电费为21230元。按照这一能耗水平,以及到2025年我国建成360万座5G基站测算,届时每年5G基站电费接近800亿元,平均每天的电费为2.19亿元。而目前运营商的日营业收入为4亿元左右,即使按照每年增长10%左右估算,5G电费也将占到运营商营收的一半,除此之外运营商还有4G、数据中心、通信机房、网络维护等方面的成本开支。

值得注意的是,5G在车联网、工业互联网等领域尚未普及,预计5G投资模式相对于4G将发生较大改变。5G将重点覆盖业务量较大的区域,以实现规模经济,而不像4G那样全面铺开,正如我国“八纵八横”的高铁网与重要经济带相关、起到经济带动作用,但并不是覆盖所有区县。

5.5G及6G节能的根本在于无线设备

2022年6月9日,5G R17标准宣布冻结,标志着5G第二个演进版本标准正式完成。随着R17标准的引入,RedCap、无界XR等新技术定位逐渐清晰,将助力物联网应用快速发展。R17冻结后,5G后续标准的制定将聚焦于长期演进,即5.5G标准,因此后续在功率优化方面,5.5G乃至6G被寄予厚望,毕竟当前的高能耗和高电费成本将极大地阻碍5G R16/R17版本的普及和5G的持续演进。

2021年12月,3GPP确定了5G-Advanced第一个版本R18标准的首批立项。业界专家也提出了5G-Advanced九大技术方向:全双工、上行增强、通信感知一体化、XR研究与标准化、AI/ML研究与标准化、低能力终端、无源物联网、网络节能、NTN增强。其中在网络节能方面,R15/R16/R17版本支持邻小区交互开与关两种状态,做到载波级别的开关,后续R18版本将考虑子帧关断、符号关断、通道关断等更多节能策略的支持协议。

可以看出,3GPP虽然已经关注到了能耗问题,但是并没有指出5G能耗高的核心原因,仅采取保守的“休眠、关断”修补措施。也有专家提出,不能为了节省电费而简单粗暴地牺牲用户体验,因此3GPP没有把能耗作为影响5G部署的一个关键问题而提出。笔者认为,5G R18版本不仅要考虑网络节能,更要考虑基站节能,甚至于基站中能源消耗最大组成部分的优化。

5G基站AAU使用64通道天线,天线矩阵实现3D MIMO,高带宽和Massive MIMO导致5G站点覆盖范围减小——以上三方面因素叠加导致基站能耗加大。当前5G采取多发多收、放大发射功率、“以牺牲瓦特换取比特”的思路,未来这种模式将不可持续。5G基站能耗包含市电引入、交直流转换、机房制冷、直流配电、能源消耗5个环节,主设备能源消耗与机房制冷占了93%以上的能耗比例,特别是主设备能耗越高,机房制冷相应也就越高,因此节能的本质还是降低无线设备功耗。无线设备能源消耗环节主要是基带单元(BBU)和射频有源天线单元(AAU),射频单元占了主设备能耗的90%以上,BBU的功耗相对比较稳定,与射频单元的变化不成线性关系,因此只有降低AUU功耗才能真正降低5G基站功耗。

面向信号功率放大优化算法

当前针对5G节能的主流厂家都给出了解决方案。例如某设备厂家开发了潮汐功放技术,提出新技术可以将基站射频单元整机功耗降低20%,基站整体功耗降低约15%;有的厂家创新MetaAAU,通过ELAA超大规模天线阵列技术,将天线阵子从192个翻倍增长至384个,实现性能和节能的突破创新。然而这些技术并没有从根本上解决5G能耗高的问题,降低5G能耗还需要从根本上解决功率转换过程中的能量损耗问题。

有源天线单元是5G基站能耗最大的部分,其能耗占5G基站能耗的90%及以上。有源天线单元包括数模转换、射频单元、功率放大器以及天线共4部分,其中数模转换芯片功耗较小,功率放大器功耗较高。研究表明,在国内运营商的典型无线网络中,无线主设备能耗(射频单元+基带单元)占无线网络总能耗的约50%,另外约50%由空调、电源等消耗。射频单元能耗占无线主设备能耗的约80%,射频模块又占射频单元能耗的约70%;功率放大器是能耗大户,占射频模块能耗的约90%。按照上述占比计算,功率放大器的功耗占比达到25.2%,因此降低5G基站功耗首先需要优化5G功率放大器的能效。

功率放大器的作用是对一定范围内的输入信号进行线性放大,超过这个范围的输入信号会被失真放大。为了提升功放效率,可通过专门优化的数字预纠偏算法(DPD)对功率放大器的非线性放大区进行预纠偏,从而大幅提升功放效率。不难看出,DPD算法的优劣将直接影响5G基站功效。在功放方面,砷化镓(GaAs)一直是功率放大器芯片制造的重要材料,氮化镓(GaN)技术已经取得较大进步,其功率密度相比之前大幅提高了10倍以上。未来随着材料技术的进步,将出现更加新型的节能材料;在信号放大算法方面,预计将出现对信号进行预处理之后再放大的新型算法。

绿色可持续运营需要创新商业模式

业界对5G的投资不仅能够推动5G产业自身发展、产生高效益,而且能够带动就业、赋能传统产业、繁荣数字经济,总体来说5G投入是值得的。除了节能减排,我国在发展5G、5.5G及6G时也要创新资费模式和商业运营模式,不能仅盯着to C、to B,需要看到to G才是运营商5G投资的“蓝海”。

5G不仅大幅提升了移动互联网网速,还带动了视频直播、4K高清、VR游戏、远程医疗等相关业务的兴起。就像额定电压27.5kV、时速250km的高铁,每小时耗电量约4800kW·h,而时速350km的高铁每小时耗电量则在9600 kW·h左右,耗电量的增加伴随着运力的大幅提升。5G也是如此,单位流量的资费大幅降低,使用4G网络每度电可下载620GB数据,而同等条件下,5G则能下载2875GB的数据,5G与4G的能效对比达到5比1左右,但是运营商要为无线网支付3倍以上的电费。因此,“提速降费”的本质是将产业技术提升产生的经济效益溢出让渡给了上下游企业。

得益于5G的普及,抖音直播、快手直播、微信视频号、QQ视频、爱奇艺等视频业务快速发展,而这些互联网企业并不一定会优化视频算法、压缩流量,而是用蓝光、高清等源码直接传送,导致视频沉迷用户的月均流量超过30GB,但是其资费不会大幅提升,这也成为电信运营商持续投资5G的最大阻力。

考虑到to C流量收入是有瓶颈的,因此笔者曾经提出过“流量后向收费、前向免费”的策略。但是在“提速降费”的大背景下,to C资费不可能大幅增长,甚至受经济环境影响,to C流量的ARPU值还会下降。与其被动“提速降费”,还不如一降到底直接免费。当移动流量收入高于固话、宽带、专线等传统业务收入时,国家主管部门、电信运营商应该调整资费策略,改为以双向to B为主(收取流量费)、以to C为辅(只收月租费)的收费策略。这一方式可谓一举多得:可以最大程度提高运营商投资建设5G网络的积极性;互联网企业会进一步优化、压缩信息编码,降低网络拥塞;可以普惠大众,提升老百姓的获得感,形成使用移动互联网的习惯;最终,进一步提升我国数字经济的发展潜力。


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