5G基站如何降功耗

5G 是以人为中心的万物互联的通信。5G 基站除了机柜以外，主要由基带单元、射频单元构成（如图 1、图 2）。

图1 基站的两个基本单元

图2 基站的BBU单元结构图

为了满足5G网络高功率、高频段和高速率的关键性能需要，5G基站设备和接入网相比4G发生了较大变化。

采用大规模阵列天线（Massive MIMO）技术，结合波束赋形，通过大量阵列天线同时收发数据，可以大幅度提升网络容量和用户体验。

采用有源天线（AAU），将传统基站的天线与射频单元一体化集成为AAU，可以简化站点部署，降低馈线复杂度，减少传输损耗，提升网络性能。

采用CU/DU架构，通过不同的组网方案可以适配不同的基站接入场景。

5G AAU包括中频模块、转换模块、射频模块和阵列天线（如图3）。射频模块和阵列天线变化最大，射频模块包括射频前端器件和5G特有的波束赋形器件，阵列天线将振子、PCB、滤波器集成一体化。相比4G基站而言，5G基站的AAU是由一个个RF Unit 组成的。

图 3 AAU 单元结构

5G基站采用大规模阵列天线，同时引入了波束赋形（Beamforming）技术。波束赋形就是根据特定场景自适应的调整阵列天线的辐射图的一种技术。传统的天线在没有物理调节的情况下，天线生成覆盖所有用户的宽波束，天线辐射方向是固定的，导致同时同频可服务的用户数受限。在波束赋形技术中，大规模阵列天线可以自动调节各个天线发射信号的相位，生成针对特定用户的窄波束。波束赋形可以提高终端接收信号强度，同时服务更多用户，提高网络容量，有效减少小区间的干扰。

 Massive MIMO技术的使用大幅提升射频前端模块和波束赋形模块器件需求量。如图4，从4G的2/4/8TR天线提升到5G的16/32/64/128TR天线，Massive MIMO带动射频前端模块(RF Front-End)和波束赋形模块（Beamformer）的器件数量大幅增加。射频前端模块负责实现信号在不同频率下的收发，主要射频器件包括功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、环形器（Circulator）、增益模块（Gain Blocks）、开关、滤波器等。波束赋形模块负责调整阵列天线的辐射方向，主要器件包括移相器（Phase Shifter）和衰减器（Attenuator）。

图 4 Massive MIMO

随着有源头天线（AAU）的大规模部署，单基站需要更多数量的低功率宽带功率放大器和波束赋形器件。为了更好的满足5G的高功率、高频段和高效率等要求，氮化镓（GaN）将会成为5G时代射频的主流材料。

5G技术的高带宽、低延时决定了5G将在工业物联网、车联网和边缘计算等领域实现大量新应用。但是，也由于功耗相比4G的大幅增加，影响了5G的快速大规模布置进程。功耗增加的原因包括：

(1)大带宽。5G NR带宽从原来的4G的几十兆变为160/200 兆；

(2)通道数增多。收发通道数从原来的 8 通道变为 64/32 通道；

(3)流量从传统的 2 流变为 16 流；

(4)发射功率从 100 多瓦变为 240/320 瓦。

可见，5G基站相比4G的功耗有了显著增加，这些当然也是5G基站比4G基站更快更流畅的原因。数据显示，目前运营商的5G基站主设备空载功耗约2.2-2.3kW，满载功耗约3.7-3.9kW，这相当于4G基站的3-4倍左右。要更快速地完成大规模商用，降低功耗是必然趋势。

如何降功耗呢？目前有三级节能方案，包括设备级、站点级、网络级。设备级方案重点从器件、硬件设计方面入手。

设备的整体降功耗先从整体来看，从图3的AAU结构来看，按照功能模块可分为功放、小信号、数字中频和电源功耗。功耗随着业务负载的变化而变化，各功能模块的功耗比例也随之发生变化。

在满载条件下，功放的功耗占比最高，是耗能的重要部分。因此，需进一步提升功放在整机中的工作效率，以及在低负载下保持较高效率的能力，支持功放配置状态实时调整状态下线性工作。

在空载条件下，数字中频部分的功耗占比最高。目前主要的方法是通过提高数字器件的集成度（比如数字中频支持32通道）、优化数字中频处理算法，降低运算复杂度的方式来解决。

设备的整体降功耗再从芯片来看，芯片性能对设备的功耗也非常重要，需要通过采取更先进的工艺来提高基带、中频芯片的处理能力，并降低芯片功耗。

在5G基站设备中，NOR Flash同时涉及芯片工艺、算法、安全性，对于此芯片做出最优选择，可以兼顾降低功耗的任务。

FPGA&SOC组合由于其灵活性在5G基站中得到了较为广泛的应用。为其进行系统配置存储的器件 NOR FLASH 就是我们本次的重点关注对象。NOR Flash存储器可在初始响应和启动时提供高可靠性，并具有低时延，同时能在市场上存活10年或更长时间。

由于Massive MIMO技术的使用，Access Unit中使用的FPGA/SoC必须具有更多的逻辑元件、更高的DSP能力和更多的收发器。这些需求的增加将导致更大的配置图像，需要更大容量的单片NOR Flash存储器，用于配置FPGA/SoC。5G无线基础设施应用需要1Gb或更高密度，1.8V Q-SPI或Octal SPI，高于工业级温度的NOR Flash来配置或启动系统中使用的FPGA和/或SoC。

图5  Access Unit设备存储使用结构

用于5G的FPGA/SoC以最先进的工艺节点开发，将减少3V电压的I/O支持，最新的FPGA/SoC需要1.8V NOR Flash。此外，1.2V NOR Flash也在逐渐导入应用中。但是由于1.2V NOR Flash目前仍然只有较小容量，比如旺宏的1.2V NOR Flash产品目前最大不过64Mb（如图6），对于基站所需的大容量存储器件来说，显得有些心力不济。

由于功耗略高、散热能力需要仔细设计，因此，需要选择高于工业级温度（-40℃至+105℃）的NOR Flash组件，以承受恶劣的环境条件，并且确保在上述温度条件下仍然可以启动和运行，并提供高耐用性与较长的数据保留时间，一般以10年为周期设计。

设备级的节能降耗不仅仅考虑以上，还从算法优化考虑，这也涉及到NORFlash。NOR Flash组件通常在FPGA/SoC配置周期之间是空闲的。某些NOR Flash设有深度节能与待机模式，可以在配置完成后通过将NOR Flash组件置于低功耗状态来帮助降低功耗。 

同时，内置安全功能（存储加密验证和安全启动机制）的NOR Flash更可以将系统级安全与安全功能的一些处理工作卸载到存储器中，通过部署安全启动和访问控制流程来保护配置图像/启动代码保障这些系统安全，减轻整体设计的负担，降低功耗。

在设计时，选择具有低功耗、宽范围Vcc的NOR Flash产品，可以从存储方面踏出5G节能的第一步。

Macronix MX25R系列NOR闪存是一系列超低功耗/宽范围Vcc内存产品，新的MX25R产品系列具有超低功耗、比传统产品低60%以及宽范围Vcc（1.65V-3.6V）功能，可延长电池寿命。

NTK散热的产品不但满足5G应用市场的要求，在工艺和功能上也更为稳定与安全，更有优势。在传统的精密电子产品的生产中，NTK散热涵盖了各个细分市场。在PC、服务器、数据中心、医疗设备、通信基站、轨道交通、新能源汽车控制系统等领域均有涉及。在目前轰轰烈烈的新基建中，与FPGA、SOC的搭档使得NOR FLASH的市场份额更近一步，在尺寸与速度成为关键指标的同时，通信系统的安全性和稳定性也受到关注，并注重器件功耗的降低。