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5G基站特耗电,氮化镓(GaN)技术来帮忙!

随着蜂窝网络运营商陆续开启并提供5G服务,全球用户都在期待新一代移动网络技术带来的好处。消费者可以通过5G获得更高的带宽、更低的延迟和更先进的服务,但是这些当然也要付出一定代价。对用户而言,这将意味着服务价格会有所提高,但对电信和网络运营商而言,设备和运营成本几乎会是指数上升;在短期内这看似痛苦,但运营商会长期受益。

除了新设备的成本外,运营支出也会增加,因为一个不可避免的事实是:5G比4G需要更多的电力;据业内估计,5G的电力需求将增加近70%(见图1)。例如,一个4G基站消耗大约7 kW的功率,而一个5G基站将消耗超过11 kW的功率。对于带有多个通道的站点,功率需求可能会达到20 kW。

图1:一个典型5G电信站点的功耗(来源:华为)。

5G服务耗电巨大

虽然5G具有更高效率,单位比特数据会消耗较低的电力,但网络的更高容量将导致总功耗的净增加。这其中原因之一是由于网络拓扑架构,大规模使用多进多出(MIMO)天线将使收发器的数量同样大量增加。这里使用的术语是64T64R,即64个发射器和64个接收器,如果将其与通常使用的4T4R 4G基站进行比较,可以清楚地知道在哪里消耗了过多的功率。

实际上,似乎某些运营商正在考虑将收发器的数量减少到32T32R,甚至到16T16R,从而减小网络容量,以降低不断增加的功率需求。这在一定程度上是出于缓解消耗更多电力所带来的挑战。

众所周知,与之前的网络相比,5G需要更多基站,这一方面是因为更高带宽需要更大的容量,还由于5G所使用的波长具有更短的传播距离,需要在新位置架设更多基站。而且为了提供更广泛的覆盖范围,也需要在包括人口稠密的城市地区以及农村和偏远地区部署更多站点。由于这两种情况的推动,实际用于电力消耗的成本增加都将是非常可观,从而推高运营成本。

更为复杂的是,通信行业已经使3 kW 48 VDC电源标准化,由于总功率需求至少会翻一番,因此运营商将需要大幅提高功率密度,以便能够使用包括电缆在内的现有主流基础设施,在相同的大小空间内提供更高功率。

边缘网络的功率需求

新一代5G网络将在每个站点都需要更大容量,但这在边缘网络可能最为明显(见图2)。尽管现有网络中存在等效性(equivalence),但它们可能受到功率限制,仅具有足够的功率来运行4G单元(cell)。要向这些站点提供两倍的功率可能非常不现实,这一方面可能是由于供应商提供的基础设施根本无法支持更高的功率,或者是因为这样做造成的成本上升使其在商业运行上无法实现。

图2:5G生态系统中的开关模式电源(SMPS)。

电力需求增加的原因不仅仅是由于实施5G所需的额外硬件,更强大的基站功能也增大了电力消耗。5G服务在所有方面都将超越以前的网络,将需要更高的计算能力。

5G 与 GaN

解决上述设计难题的唯一方法是提高功率转换级的效率,从而在相同的占位面积下提供更大的功率输出,而输入功率则没有必要去相应增加70%。要实现该目标,有两种技术可供考虑:氮化镓(GaN)和SMD封装。