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5G基礎(chǔ)設(shè)施:提升密度降低功耗

本文作者：徐俊毅點(diǎn)擊： 2021-12-31 17:17

前言：

5G 愿景正在逐步實現(xiàn)

早在2015年，國際電聯(lián)（ITU）WP5D第22次會議中，IMT-2020，也就是第五代移動通信內(nèi)容得到明確，這就是現(xiàn)在大家熟知的5G通信規(guī)范。從命名上可以看出，工作組制定的5G相關(guān)規(guī)范，所期望的成熟時間就是2020年。

ITU同時提出了未來的5G三大主要應(yīng)用場景：

? 增強(qiáng)型移動寬帶（enhanced mobile broad band，eMBB）：在不同場景提供Gbps為基礎(chǔ)，用戶在高速移動（高速公路、高速鐵路500km/h）時保障100Mbps的連接速率。

? 大規(guī)模機(jī)器類型通信（massive machine type communications，mMTC）：每平方公里設(shè)備接入量從4G時代的1萬個提升到100萬個，同時還要保證數(shù)據(jù)連接質(zhì)量和功耗控制。

? 超可靠和低延遲通信（ultra-reliable and low latency communications，URLLC）：自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程施工等關(guān)鍵應(yīng)用中，保證穩(wěn)定高可靠性連接和低時延

三大主要應(yīng)用場景內(nèi)容涵蓋：Gbps速率級別的移動寬帶數(shù)據(jù)接入、智能化的生活(城市、家庭、辦公)、超高清視頻（8K分辨率）云游戲、在線AR/VR、工業(yè)自動化、關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用、自動駕駛汽車等等。

2020年初發(fā)生的COVID-19疫情，一度讓很多行業(yè)陷入困境，影響了5G市場成長的速度，但是隨之而來的數(shù)字化浪潮，反而使得很多5G相關(guān)的應(yīng)用場景具備了快速落地的條件：

被疫情拉長的社交距離，正在被AR/VR拉回。居家隔離的人們透過AR/VR增強(qiáng)的視頻進(jìn)行交互，還可以參觀博物館、“前往”旅游景點(diǎn)，“親臨”大型商場進(jìn)行購物，在一些醫(yī)療實踐中，醫(yī)生透過使用AR/VR設(shè)備與病人溝通病情，甚至進(jìn)行手術(shù)嘗試。越來越多應(yīng)用正在獲得市場認(rèn)可。

AR/VR再度升溫

在Facebook更名為Meta之后，AR/VR再度升溫，據(jù)ABI Research預(yù)測，到2025年，VR和AR的市場總額將達(dá)到2920億美元。提供極致用戶體驗的游戲、建模、實時渲染、沉浸式教學(xué)等高階VR/AR應(yīng)用，需要高速可靠的移動通信網(wǎng)路，為5G運(yùn)營商提供更多機(jī)會。

與此同時，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在接入5G網(wǎng)絡(luò)， Machina Research預(yù)測，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入量將在2025年達(dá)到251億個，年復(fù)合增長率超過20%。中國移動的報告指出，到2022年，中國的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量就將達(dá)到45億，其中過半來自5G市場的成長，到2025年，中國大陸物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將超過53億，超7成與5G相關(guān)。

大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在接入5G網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)很難勝任自動駕駛對數(shù)據(jù)交互和時延（毫秒級別的數(shù)據(jù)處理和判斷）的需求，5G通信成為不二選擇，依托5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的智能交通、自動駕駛項目在全球各地進(jìn)行著實驗。根據(jù)Navigant Research預(yù)測，到2030年，全球自動駕駛相關(guān)的車輛將達(dá)到2300萬輛。

隨著越來越多的5G應(yīng)用場景得到使用，5G基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題變得更加突出，2021年，5G基站的建設(shè)速度加快了起來。

5G基站建設(shè)加速

根據(jù)GSA 今年8月份公布的書，全球已經(jīng)有70多個國家和地區(qū)175家電信運(yùn)營商推出了5G商用服務(wù)，另有近300家運(yùn)營商正在加快投資部署5G相關(guān)業(yè)務(wù)。

根據(jù)中國工業(yè)和信息化部11月份公布的最新資料，目前中國擁有的移動電話基站總數(shù)接近1000萬個，其中4G基站總數(shù)為585萬個，而已建成的5G基站數(shù)量超過115萬個，其中相當(dāng)一部分5G基站是采用室外大型基站外掛5G天線AAU來實現(xiàn)。盡管面臨關(guān)鍵芯片短缺的問題，但是中國大陸的5G基站數(shù)量仍占全球總量70%以上，已經(jīng)成為全球規(guī)模最大、技術(shù)更為先進(jìn)的5G獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，大陸所有地級城市、97%的縣城城區(qū)、40%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G終端使用者達(dá)到4.5億，占比全球80%，5G應(yīng)用案例過萬個，內(nèi)容涵蓋工業(yè)、醫(yī)療、教育、交通等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。

愛立信 mini-AAU天線圖片來源: 愛立信網(wǎng)站

同時，中國大陸工信部還提出了繼續(xù)增建5G基站的計劃，將5G基站覆蓋到行政村落，預(yù)計到2025年，中國大陸部署的5G基站數(shù)量將超過360萬個，達(dá)到每萬人擁有26個5G基站的覆蓋水平。作為5G大型基站（接入用戶數(shù)量1000人以上）的補(bǔ)充，各種小基站（接入數(shù)量500人）以下，將在2023年之后開始發(fā)力，其未來規(guī)模將至少是大型基站的2倍以上，方能滿足未來5G信號覆蓋的基本要求。

隨著越來越多的5G應(yīng)用場景得到使用，5G基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題變得更加突出，2021年，5G基站的建設(shè)速度加快了起來。

5G基站功耗2倍于4G基站

2，3年以前，5G基站剛剛開始部署時，能耗問題就變得十分突出。與4G基站相比，5G基站能耗要高出很多。

從射頻系統(tǒng)來看，4G基站采用8天線RRU天線矩陣， 2D MIMO（多輸入輸出），而5G基站是用64甚至更多天線AAU天線矩陣，實現(xiàn)3D MIMO。4G基站AAU單扇區(qū)輸出功率在40W到80W之間，經(jīng)過優(yōu)化的5G AAU單扇區(qū)輸出功率仍然高于200W。綜合評估結(jié)果是，在效率相同的情況下，5G射頻系統(tǒng)的功耗是4G的2倍以上，中國移動的測試數(shù)據(jù)是2.5倍到3.5倍。

5G天線系統(tǒng) 圖片來源:adi.com

從基站部署來看，由于5G使用了較高的頻段——以適應(yīng)高帶寬和Massive MIMO的要求——單基站的覆蓋面積與4G相比會更小，也就意味著覆蓋同樣的范圍，理論上需要5G基站的數(shù)量是4G的1.2~1.4倍。

此外，每一個基站都需要空調(diào)對整個系統(tǒng)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，綜合來開，空調(diào)與基站系統(tǒng)的能耗比約為1：1，也就是說，還有除了用于通信的能耗，用于散熱的能耗同樣驚人，如果是溫度較高的地區(qū)，散熱能耗占比還要增加。

射頻系統(tǒng)、基站宏觀數(shù)量以及散熱幾大因素，讓5G基站的功耗問題變得十分突出，這還是中國目前沒有開放5G商用毫米波頻段的情況，有業(yè)者表示如果一個5G基站的多個AAU全開啟，那么運(yùn)營商就純屬為電力公司打工了。

來自中國鐵塔數(shù)據(jù)顯示，一個5G室外基站單租戶平均功耗在3.8KW左右，是4G基站的3倍以上，單個5G基站單租戶年綜合電費(fèi)約2.5萬元人民幣/年。按照中國目前已經(jīng)建成115萬個5G基站來計算，三大運(yùn)營商每年需要為基站支付的電費(fèi)就達(dá)到300億元人民幣左右。中國的三大移動通信運(yùn)營商，在開啟5G商用網(wǎng)絡(luò)之后，年度電費(fèi)支出從500億元人民幣左右，上升至超過1200億元人民幣，電費(fèi)支出漲了2.4倍多，讓財大氣粗的運(yùn)營商肉疼不已。這些還只是5G基站部署初期的情況，未來5G基站的建設(shè)規(guī)模還將繼續(xù)擴(kuò)大。因此，用戶享受高速網(wǎng)絡(luò)的同時，相關(guān)業(yè)者需加快節(jié)能減排的步伐，才能讓5G基礎(chǔ)建設(shè)的道路更加平坦。

常見縮寫注解：

BBU（Baseband Unit），基站系統(tǒng)中負(fù)責(zé)處理基帶信號的單元

RRU（Remote Radio Unit）遠(yuǎn)程射頻單元，是現(xiàn)代基站的兩大核心（BBU 和 RRU）之一。

AAU（Active Antenna Unit）有源天線單元，將RRU與無源天線整合在一起

AAS（Active Antenna System），有源天線系統(tǒng)，可看成多組AAU組合

3D-MIMO（3D Multiple Input MultipleOutput）天線技術(shù)，也稱為Maasive-MIMO或mMIMO天線技術(shù)，大規(guī)模多輸入多輸出天線技術(shù)。這項技術(shù)不僅實現(xiàn)了水平面的波束賦型，同時也利用更多的振子和通道實現(xiàn)了垂直面的波束賦型，在更大空間范圍實現(xiàn)通信，如跨樓層應(yīng)用。

5G射頻關(guān)鍵技術(shù)與功耗

基站的通信系統(tǒng)中，功耗分為RRU和BBU兩部分，通常RRU也就是遠(yuǎn)程射頻單元的功耗占比最大，高達(dá)80%。

早期的RRU和BBU相距不遠(yuǎn)，RRU與天線Antenna通過饋線連接，后來隨著通信技術(shù)的演進(jìn)，RRU開始安裝到通信塔上，與BBU之間采用光纖通信。在4G時代后期，由于引入了Massive MIMO技術(shù)（也稱為3D MIMO技術(shù)）采用傳統(tǒng)方法，將多個RRU與無源天線之間連接，需要用到大量連接線，設(shè)備復(fù)雜度增加，可靠性下降，于是設(shè)計人員使用了AAU，將原先RRU和無源天線組合到一起，解決了可靠性問題，同時還提升了射頻系統(tǒng)的效率。

Massive-MIMO示意圖圖片來源：ADI.com

Maasive-MIMO 射頻前端圖片來源：ADI.com

由多個AAU組成的AAS系統(tǒng)便于運(yùn)營商大幅度提升其容量（5G 最高可增加五倍）及其網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。功率放大器 (PA) 集群與天線組件是 AAS（目前最多可包含 1,024 個 PA）的基本組成部分，可提供完整的網(wǎng)絡(luò)接入功能，以連接至基帶節(jié)點(diǎn)。通過 mMIMO可實現(xiàn)頻率復(fù)用，并且頻率復(fù)用已成為提高 BTS 容量的主要促成因素，用于實施空間多任務(wù)。

“在4G LTE蜂窩基站后期部署中，普遍采用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(Massive MIMO)無線電技術(shù)，特別是在密集的城市地區(qū)，小型蜂窩有效地填補(bǔ)了蜂窩覆蓋的空白，同時提高了數(shù)據(jù)服務(wù)速度。此架構(gòu)的成功清楚印證了其價值。因為這種架構(gòu)本身具備所需的頻譜效率和傳輸可靠性，它成為新興的5G網(wǎng)絡(luò)無線電的優(yōu)選架構(gòu)。” ADI射頻和微波控制產(chǎn)品部門的營銷與產(chǎn)品經(jīng)理 Bilge Bayrakci說

Massive MIMO架構(gòu)為接收器架構(gòu)允許5G運(yùn)營商精確地將信號從蜂窩網(wǎng)站指向目標(biāo)接收器（而不是在所有方向上的高功率傳輸）, 這樣每個接收器消耗的能量較少，并且蜂窩網(wǎng)站可以以相同的頻率傳輸信號到其它接收器，從而具有前所未有的靈活性。

“由于基站射頻系統(tǒng)的功耗增加，電源管理總線(PMBus) 的作用越來越明顯。與此同時，高壓降壓型變換器正在不斷改進(jìn)以適應(yīng) PA 數(shù)量的增加，需要 3D熱耗散和具有可變電流限制的 100V 操作轉(zhuǎn)換器。為了在增加密度的同時，在無線電中提供精密的時鐘和收發(fā)器電路，還可以通過多通道專用轉(zhuǎn)換器來降低尺寸和噪音，將轉(zhuǎn)換器作為低壓差穩(wěn)壓器的替代品，開關(guān)速度高于 1MHz，以便在保持效率的同時降低尺寸。”TI Sector General Manager Pietro Scalia指出。

GaN是5G的超級動力

以4G 基站采用 4T4R 方案為例，三個扇區(qū)，對應(yīng)功率放大器( PA: Power Amplifier) 需求量為12顆，同等情況下的5G 基站，采用64T64R主流方案是，對應(yīng)的 PA 需求量高達(dá) 192 顆。前面提到，基站通信系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程射頻單元RRU功耗占比高達(dá)80%，而在這80%的功耗中，又有70%的能源被PA（Power Amplifier）消耗。因此，在5G應(yīng)用中，PA成為了非常關(guān)鍵的組件。

PA有硅基LDMOS或射頻氮化鎵（GaN）兩種材料，最早的PA器件來自motorola分出來的freescale，采用了LDMOS材料，后來陸續(xù)有NXP和英飛凌加入這一市場。進(jìn)入4G時代之后，GaN材料主要優(yōu)點(diǎn)是可以實現(xiàn)更高的功率密度，優(yōu)秀表現(xiàn)獲得了市場認(rèn)可，在高功率5G時代更是拉開了與LDMOS材料的距離。由于5G有兩個不同的頻域，sub-6GHz和mmWave，在高頻率下，GaN在超過2GHz以上的頻段中優(yōu)勢十分明顯。隨著5G市場的發(fā)展，預(yù)計整個GaN RF市場規(guī)模將在2025年達(dá)到20億美元。中國目前尚未開放mmWave頻段商用，這意味著在5G毫米波市場，GaN RF具有非常可觀的潛力。

“GaN 是一種 III-V 直接帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。由于其具備更高的效率、出色的高壓可持續(xù)性、更低的功耗、更高的溫度屬性和功率處理特性，GaN 在功率電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。這些屬性使 GaN 成為 5G 射頻的焦點(diǎn)，尤其是在毫米波 5G 網(wǎng)絡(luò)中。雖然我們都“聽說過”5G 的各種前景，隨著主要的無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商向其客戶推出 5G 服務(wù)，如今大城市中的許多人，更確切地說大約有 500 萬人，開始了解這些前景。但其實我們尚未到那一步。完全不是那么回事。我們的目標(biāo)是到 2025 年連接 28 億用戶。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就意味著要改造整個移動基礎(chǔ)設(shè)施，雖然這是一項復(fù)雜的任務(wù)，但卻是能夠完成的。借助 GaN 技術(shù)，5G 將在不知不覺中達(dá)到數(shù)十億用戶。“Qorvo 高性能解決方案部門總經(jīng)理Roger。

GaN PA的高功率密度還支持更小的外形尺寸，需要更少的PCB空間。在給定區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計人員可以產(chǎn)生比其他技術(shù)更多的功率。或者，對于給定的功率級，系統(tǒng)設(shè)計人員可以縮小RFFE的尺寸并降低成本。

GaN PA對5G基礎(chǔ)設(shè)施市場的吸引力是顯而易見的——更便宜、更高效、帶寬更寬的基站。隨著GaN在這市場中激增，規(guī)模經(jīng)濟(jì)增加，價格將繼續(xù)下降到大規(guī)模普及的程度。

盡管LDMOS技術(shù)在基站RF系統(tǒng)中仍然占據(jù)著最大的市場份額，但GaN預(yù)計將在5G大規(guī)模MIMO部署中取代它。

降低5G基礎(chǔ)設(shè)施功耗問題需要多個環(huán)節(jié)的合作

面對5G基礎(chǔ)設(shè)施的功耗問題，除了電信運(yùn)營商，相關(guān)系統(tǒng)業(yè)者也在努力幫助運(yùn)營商降低電費(fèi)。除了采用新材料提升射頻系統(tǒng)的效率，包括愛立信、華為、中興、諾基亞等公司均給出了精準(zhǔn)控制基站休眠的方案。透過對運(yùn)營商業(yè)務(wù)的分析整理，優(yōu)化射頻的系統(tǒng)的工作時間，在閑時進(jìn)行降低頻率、載波關(guān)斷、基站休眠等操作。在浙江，華為與鐵塔公司的實驗表明，可以為每個5G基站降耗17%，節(jié)約電費(fèi)超5000元以上。

愛立信則更進(jìn)一步提出潮汐功放技術(shù)，讓基帶系統(tǒng)不休眠，不徹底關(guān)斷，借助AI技術(shù)優(yōu)化業(yè)務(wù)模型，動態(tài)調(diào)節(jié)功耗，在非典型業(yè)務(wù)負(fù)荷下，基站的射頻單元功耗可以降低20%，整體功耗下降15%。

蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施對性能的要求更為嚴(yán)苛，這些針對信號鏈系統(tǒng)的功耗控制，需要半導(dǎo)體公司提供更加完整的解決方案，解決成本、功耗及靈活性的問題。

“聽起來很簡單，這些都是非常困難的問題，解決這些問題需要模擬電路、混合信號電路和數(shù)字電路設(shè)計人員、信號處理博士、嵌入式實時軟件設(shè)計人員以及其他人員通力合作。很多人認(rèn)為ADI是組件供貨商，但其實需要大規(guī)模的系統(tǒng)級工作。我們提供的最終產(chǎn)品可能是大型系統(tǒng)中的一個組件，但它非常復(fù)雜，需要基于我們對整個系統(tǒng)的理解來定義這個產(chǎn)品。” ADI公司汽車，通信和航空航天技術(shù)副總裁 Tony Montalvo博士說。

JMA與其技術(shù)合作伙伴ADI公司合作，就開發(fā)出了新的5G零延遲寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，每個基站可以為多達(dá)100,000個設(shè)備和節(jié)點(diǎn)提供大規(guī)模連接，確保身處全球各地場館的粉絲能夠在線與家人和朋友分享自己的喜悅。

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