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2020 年，庚子年，“中国战疫”举世瞩目。这一年，5G 元年，中国通信同样表现抢眼。
根据最新的统计数据，中国完成 5G 基站建设超过 70 万座，5G 终端连接数突破 2 亿。毫无疑问，中国通信人交出了一份令人满意的答卷，国内 5G 市场正在全面爆发。
但另一方面，关于 5G 基站高耗电的议论，时有出现。人们担心，5G 的基站用电成本，会让运营商不堪重负。
今天这篇文章，笔者将详细分析 5G 的能耗，以及产品设计中的节能环节。
5G 其实更省电
5G 设备的耗电真的比 4G 多吗？
非常遗憾，这个答案是肯定的。5G 的耗电高，主要有两点原因：
- 5G 使用 Massive MIMO 技术
4G 基站 RRU 使用 8 天线，天线矩阵实现 2D MIMO，满功率输出 160W 射频信号；5G 基站 AAU 使用 64 天线，天线矩阵实现 3D MIMO，满功率输出 320W 射频信号。如果效率相同，5G AAU 的耗能是 4G RRU 的 2 倍。
实际上，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，数字预失真）算法，5G 设备的效率是比 4G 高的。也就是说，AAU 的耗能不到 RRU 的 2 倍。
- 5G 使用了更高的频段
由于高带宽和 Massive MIMO 的要求，5G 使用较高频率频段。在 SUB-6GHz 的频谱中，中国移动使用 2.6GHz 频段（和 4G 相同）；中国电信和中国联通使用 3.5GHz 频段（两家运营商 4G TDD LTE 频段是 2.6GHz 频段）。
根据无线信号自由空间传输损耗公式：
Los (dB)= 32.44 +20lg( d(km)) +20lg( f(MHz))
中国移动 5G 覆盖和 4G 相当，而中国电信和中国联通的 5G 覆盖距离大概是 4G 时的 0.75 倍，站点数理论上增加 1.8 倍。达到与 4G 相同的覆盖效果，5G 站点数理论上是 4G 的 1.2~1.4 倍。
以上两点因素叠加，5G 全网的耗能将是 4G 全网耗能的 2.4~2.8 倍。
看来 5G 的能耗确实不可小觑。那么，又是什么原因让 5G 选择 Massive MIMO 和高频段呢？
Massive MIMO 的优势显而易见：
利用垂直纬度和水平纬度的天线自由度，时频资源利用率提升；
用户间的干扰降低；
提升小区吞吐率；
提升小区边缘用户体验。
而高频段频谱助力 5G Massive MIMO 的实现。
天线的尺寸和频率有关。频率越高，射频信号波长越短，相应的天线尺寸越小。
5G 的 AAU 现在使用 64 天线阵，往后发展还会有 128 天线阵和 256 天线阵。大规模的天线阵，促使 5G 选择高频段频谱资源。
5G 确实比 4G 耗能更多，但不能片面看待这个问题。5G 这匹“千里马”吃得虽然多，但是，它拉了辆更大的车——5G 系统容量是 4G 的 20 倍以上。
实际上，就传输单位比特信息量的功耗而言，5G 是更省电的。5G 每比特数据消耗的能量约是 4G 的 1/10。
节能减排永远在路上
我们再来看一组数据——2018 年三大运营商的电费：中国移动 245 亿元，中国电信 140 亿元，中国联通 120 亿元。
按之前的估算，5G 能耗是 4G 的 2.2~2.4 倍。预计 5G 全网建成后，全网年电费将达到 1200~1400 亿元。虽然 5G 会给运营商带来利润回报，但基站设备的节能减排，是运营商必须重视的问题。
毛主席在《矛盾论》中提出——要抓住问题的主要矛盾。基站能耗的主要矛盾是 AAU（RRU），AAU 能耗的主要矛盾是发射机的射频功率放大器。
谈到 AAU 中射频功率放大器效率的提升，这里必须要提到一套“黄金提效方案”：Doherty+CFR+DPD。
我们首先来看这套高效率方案生成的背景。
实际上，这套高效率方案在 4G 时代就开始使用了，它是针对 OFDM 系统提出的。
由于 OFDM 符号是由多个独立的调制的信号相加而成的，这样合成的信号就有可能产生比较大的峰值功率。并且载波数越多，峰值信号功率越大。
在分析这种类型信号时，提出了峰均比（PAR，Peak-to-Average Ratio）的概念。PAR 是符号的峰值功率与平均功率的比值：
PAR（dB）=Ppeak(dbm)-Pmean(dbm)
OFDM 时频信号
OFDM 系统信号的特点是时域为非恒包络状态，峰值功率随机出现。大峰均比信号的出现，会降低射频前端功放的效率。
伴随高峰均比信号的出现，削峰技术（CFR）就诞生了。
CFR 即降低信号峰均比的技术。信号的削峰会带来一定的失真，过多的削峰会影响接收机的误码率。
在 4G、5G 移动通信中，信号的原始峰均比有十几 dB，经过削峰后，送给发射单元的信号的峰均比一般为 6~7dB。
为了满足发射机的线性指标，工程师在设计放大器时，可能会选择功率回退方案。功率回退是指，让功率放大器输出比自己饱和功率低得多的功率信号，以保证输出信号的线性指标。
该方案实现难度小，结构简单。
比如，输出 10W 的信号，工程师会选择饱和功率大于 10W 的功率放大器做方案。
但高峰均比信号的出现，使功率回退需要回退到峰值功率以上。比如输出平均功率为 10W，峰均比为 6dB 的信号，工程师需选择饱和功率大于 40W 的功放管来做方案。
但是功放的输出功率和效率是正比关系，为了满足瞬时大信号的线性指标，高峰均比系统使用回退方案会导致效率低下。如果 AAU 发射机放大器使用纯回退方案，末级功放效率将不足 15%，整机效率不足 10%。
Doherty 放大器解决了高峰均比系统效率低的问题。
其结构如图，Doherty 放大器通常情况下使用两个完全相同的放大管来对信号进行放大。限于篇幅，其工作原理无法展开细说。它最大的特点是，放大器在输出功率低于饱和功率 6db 时的效率，与输出饱和功率时的效率相当。
Doherty 结构
即在 5G 系统中，Doherty 放大器输出平均功率时具有饱和功率效率。比如 Doherty 功放的饱和功率是 100W，输入信号的峰均比是 6db，当输出 25W 功率时，其效率与放大器输出 100W 功率相同。
Doherty 效率曲线
目前国内几个大厂的 AAU 末级 Doherty 功放的效率已经做到 50%以上，AAU 整机效率超过 40%。相对于纯回退方案，Doherty 方案的整机能耗是其 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 处得到了输出饱和功率时的效率，这是以线性指标劣化为代价的。为了保证系统的线性指标，DPD 出场了。
先了解预失真技术（PD），它是人为地加入一个特性与系统非线性失真恰好相反的系统，两种非线性互相补偿，最终消除非线性分量，如图。DPD 是数字预失真技术，预失真信号在数字域产生。
预失真的线性补偿
DPD 技术通过采集分析 Doherty 放大器输出信号的非线性特性，在数字域内对原始基带信号进行补偿，使发射机输出的信号符合协议要求的线性指标（ACPR）。
现在各大厂商 AAU 的效率，很大一部分取决于其 DPD 算法对非线性功放的校正能力。其校正能力越强，发射机的效率就能做得越高。
梳理一下这套高效率发射机方案的工作流程：
结语
除了使用 Doherty+CFR+DPD 外，5G 还在其他方面实施了提高效率的举措：
CFR 技术将高峰均比的信号削峰致 6~7dB；
Doherty 放大器放大削峰后的信号，其输出平均功率时具有输出饱和功率时相同的效率，但其线性指标(ACPR)较差；
DPD 技术校正放大器的非线性，使发射机达到协议要求线性指标。
中国通信人正在不断创新和努力，优化 AAU 射频方案和能源方案，以获得更高的 5G 效率。虽然 5G 耗能较 4G 有所提高，但其带来的直接影响和间接影响都是非凡的。
中国信通院在《5G 经济社会影响白皮书》中预测：“2030 年，在直接贡献方面，5G 将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为 6.3 万亿元、2.9 万亿元和 800 万个；在间接贡献方面，5G 将带动的总产出、经济增加值、就业机会分别为 10.6 万亿元、3.6 万亿元和 1150 万个。”
4G 改变生活，5G 将改变社会。让我们拭目以待吧！
