GaN克服得了5G基站耗電巨大？

進(jìn)入2020年，將是移動(dòng)通訊的巨大機(jī)遇期，移動(dòng)通信領(lǐng)域正在發(fā)生巨大變化：第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(也稱(chēng)為5G)服務(wù)在陸續(xù)推出。消費(fèi)者目前已經(jīng)開(kāi)始體驗(yàn)5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，它不僅能夠憑借超快的下載速度與固網(wǎng)寬帶匹敵，而且將來(lái)還可能在蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域內(nèi)支持更高密度的移動(dòng)設(shè)備和互連的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。

這種發(fā)展一方面在給消費(fèi)者帶來(lái)令人興奮的好處，但在幕后，業(yè)界向5G的轉(zhuǎn)變也充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)、高成本以及其他爭(zhēng)議。例如無(wú)線(xiàn)電頻譜許可的分配[1]，關(guān)于用戶(hù)在使用5G時(shí)帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)由于溝通不善而引發(fā)恐慌[2]等等，國(guó)際貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的擔(dān)憂(yōu)以及產(chǎn)生的后果[3]等問(wèn)題也在困擾著向5G的遷移過(guò)程。

毫無(wú)疑問(wèn)，5G對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和其他運(yùn)營(yíng)商而言都將是一項(xiàng)有利可圖的業(yè)務(wù)，但也需要大量的前期投資來(lái)升級(jí)、改進(jìn)和替換現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。不僅網(wǎng)絡(luò)檢修的前期成本可能會(huì)使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商徹夜難眠，而且還會(huì)包括持續(xù)發(fā)生的運(yùn)營(yíng)支出等問(wèn)題。5G網(wǎng)絡(luò)比4G將消耗更多的電力，這是一個(gè)不可回避的事實(shí)。實(shí)際上，根據(jù)預(yù)測(cè)，5G的功率消耗將增加近70%(見(jiàn)圖1)。例如，一個(gè)4G基站可能需要大約7kW的功率，而一個(gè)5G基站將需要超過(guò)11kW的功率，如果基站需要承載多個(gè)信道，其功率消耗甚至可能高達(dá)20kW。

圖1：典型5G通信基站的功率消耗(來(lái)源：華為)

所有要求都在提高

盡管5G網(wǎng)絡(luò)通常比第四代通信技術(shù)效率更高，但每個(gè)小區(qū)(cell)由于容量增大將導(dǎo)致整體功率消耗大幅上升。導(dǎo)致這些的原因是由于在每個(gè)無(wú)線(xiàn)電信道上使用了大規(guī)模多輸入多輸出(Massive MIMO)天線(xiàn)來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量。與通常使用4T4R(4個(gè)發(fā)射器，4個(gè)接收器)的4G基站相比，5G基站使用64T64R。

因此，可以明確地看到為什么5G對(duì)電力需求如此之高。一些5G網(wǎng)絡(luò)提供商在搭建網(wǎng)絡(luò)和提供服務(wù)時(shí)對(duì)于MIMO苦不堪言，甚至在討論是否可以將基站的收發(fā)器數(shù)量降低為32T32R以節(jié)省功率，但這樣會(huì)極大地限制網(wǎng)絡(luò)容量。

除了使現(xiàn)有基站的功率需求增加以外，令問(wèn)題更加復(fù)雜的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要比以往數(shù)量更多的基站。這其中部分原因是由于5G技術(shù)特有的無(wú)線(xiàn)電波長(zhǎng)更加受限，這意味著需要更高的基站密集度才能為特定區(qū)域提供有效覆蓋。建設(shè)這些新基站，并安裝支持它們的電網(wǎng)而導(dǎo)致的成本也將是非常高昂。

最后，還存在電源問(wèn)題。即使所需的總功率僅增加一倍，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3kW 48VDC電源也將嚴(yán)重不足。因此，需要在與現(xiàn)有設(shè)備大致相當(dāng)?shù)目臻g內(nèi)顯著提高功率密度，以輸送所需的更高功率。