芯耀
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2020 年，庚子年，“中國戰(zhàn)疫”舉世矚目。這一年，5G 元年，中國通信同樣表現(xiàn)搶眼。
根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國完成 5G 基站建設(shè)超過 70 萬座，5G 終端連接數(shù)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(nèi) 5G 市場正在全面爆發(fā)。
但另一方面，關(guān)于 5G 基站高耗電的議論，時有出現(xiàn)。人們擔(dān)心，5G 的基站用電成本，會讓運營商不堪重負(fù)。
今天這篇文章，筆者將詳細(xì)分析 5G 的能耗，以及產(chǎn)品設(shè)計中的節(jié)能環(huán)節(jié)。
5G 其實更省電
5G 設(shè)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(shù)
4G 基站 RRU 使用 8 天線，天線矩陣實現(xiàn) 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(xiàn) 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(shù)字預(yù)失真）算法，5G 設(shè)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(lián)通使用 3.5GHz 頻段（兩家運營商 4G TDD LTE 頻段是 2.6GHz 頻段）。
根據(jù)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(dāng)，而中國電信和中國聯(lián)通的 5G 覆蓋距離大概是 4G 時的 0.75 倍，站點數(shù)理論上增加 1.8 倍。達(dá)到與 4G 相同的覆蓋效果，5G 站點數(shù)理論上是 4G 的 1.2~1.4 倍。
以上兩點因素疊加，5G 全網(wǎng)的耗能將是 4G 全網(wǎng)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(yōu)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(qū)吞吐率；
提升小區(qū)邊緣用戶體驗。
而高頻段頻譜助力 5G Massive MIMO 的實現(xiàn)。
天線的尺寸和頻率有關(guān)。頻率越高，射頻信號波長越短，相應(yīng)的天線尺寸越小。
5G 的 AAU 現(xiàn)在使用 64 天線陣，往后發(fā)展還會有 128 天線陣和 256 天線陣。大規(guī)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(tǒng)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(shù)據(jù)消耗的能量約是 4G 的 1/10。
節(jié)能減排永遠(yuǎn)在路上
我們再來看一組數(shù)據(jù)——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(lián)通 120 億元。
按之前的估算，5G 能耗是 4G 的 2.2~2.4 倍。預(yù)計 5G 全網(wǎng)建成后，全網(wǎng)年電費將達(dá)到 1200~1400 億元。雖然 5G 會給運營商帶來利潤回報，但基站設(shè)備的節(jié)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?；灸芎牡闹饕苁?AAU（RRU），AAU 能耗的主要矛盾是發(fā)射機(jī)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(tǒng)提出的。
由于 OFDM 符號是由多個獨立的調(diào)制的信號相加而成的，這樣合成的信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率。并且載波數(shù)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(tǒng)信號的特點是時域為非恒包絡(luò)狀態(tài)，峰值功率隨機(jī)出現(xiàn)。大峰均比信號的出現(xiàn)，會降低射頻前端功放的效率。
伴隨高峰均比信號的出現(xiàn)，削峰技術(shù)（CFR）就誕生了。
CFR 即降低信號峰均比的技術(shù)。信號的削峰會帶來一定的失真，過多的削峰會影響接收機(jī)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(jīng)過削峰后，送給發(fā)射單元的信號的峰均比一般為 6~7dB。
為了滿足發(fā)射機(jī)的線性指標(biāo)，工程師在設(shè)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(biāo)。
該方案實現(xiàn)難度小，結(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(guān)系，為了滿足瞬時大信號的線性指標(biāo)，高峰均比系統(tǒng)使用回退方案會導(dǎo)致效率低下。如果 AAU 發(fā)射機(jī)放大器使用純回退方案，末級功放效率將不足 15%，整機(jī)效率不足 10%。
Doherty 放大器解決了高峰均比系統(tǒng)效率低的問題。
其結(jié)構(gòu)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(jìn)行放大。限于篇幅，其工作原理無法展開細(xì)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(dāng)。
Doherty 結(jié)構(gòu)
即在 5G 系統(tǒng)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(dāng)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(nèi)幾個大廠的 AAU 末級 Doherty 功放的效率已經(jīng)做到 50%以上，AAU 整機(jī)效率超過 40%。相對于純回退方案，Doherty 方案的整機(jī)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(biāo)劣化為代價的。為了保證系統(tǒng)的線性指標(biāo)，DPD 出場了。
先了解預(yù)失真技術(shù)（PD），它是人為地加入一個特性與系統(tǒng)非線性失真恰好相反的系統(tǒng)，兩種非線性互相補(bǔ)償，最終消除非線性分量，如圖。DPD 是數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，預(yù)失真信號在數(shù)字域產(chǎn)生。
預(yù)失真的線性補(bǔ)償
DPD 技術(shù)通過采集分析 Doherty 放大器輸出信號的非線性特性，在數(shù)字域內(nèi)對原始基帶信號進(jìn)行補(bǔ)償，使發(fā)射機(jī)輸出的信號符合協(xié)議要求的線性指標(biāo)（ACPR）。
現(xiàn)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(qiáng)，發(fā)射機(jī)的效率就能做得越高。
梳理一下這套高效率發(fā)射機(jī)方案的工作流程：
結(jié)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：
CFR 技術(shù)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(biāo)(ACPR)較差；
DPD 技術(shù)校正放大器的非線性，使發(fā)射機(jī)達(dá)到協(xié)議要求線性指標(biāo)。
中國通信人正在不斷創(chuàng)新和努力，優(yōu)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(jīng)濟(jì)社會影響白皮書》中預(yù)測：“2030 年，在直接貢獻(xiàn)方面，5G 將帶動的總產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)增加值、就業(yè)機(jī)會分別為 6.3 萬億元、2.9 萬億元和 800 萬個；在間接貢獻(xiàn)方面，5G 將帶動的總產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)增加值、就業(yè)機(jī)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！
