Gao Hongda, leitender Forscher am State Grid Energy Research Institute, wies kürzlich auf der „Kommunikationsindustriekonferenz 2020 und der 15. Jahrestagung für Kommunikationstechnologie“ darauf hin, dass der Energieverbrauch von 5G-Basisstationen nach dem vollständigen Upgrade von 4G auf 5G im Jahr 2026 2.1 % des gesamten Stromverbrauchs der Gesellschaft ausmachen wird. Gleichzeitig ist die Abdeckung von 5G-Basisstationen deutlich geringer als die von 4G-Basisstationen, was bedeutet, dass für eine flächendeckende Einführung von 5G etwa dreimal so viele Basisstationen benötigt werden wie für 4G.
Der Stromverbrauch von 5G-Basisstationen im Standalone-Betrieb ist hoch, und auch die Stationsdichte ist hoch. Laut obiger Berechnung erreichen die gesamten Stromkosten von 5G-Basisstationen etwa das Zehnfache der Kosten von 4G. Darüber hinaus ist bekannt, dass 5G viel Strom verbraucht und viel Wärme erzeugt. Der Serverraum muss daher auf einer bestimmten Temperatur (18 °C–28 °C) betrieben werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Dies wird hauptsächlich durch Klimaanlagen erreicht. Daten zeigen, dass die Stromkosten für die Klimaanlage einer Basisstation durchschnittlich etwa 54 % der gesamten Stromkosten der Basisstation ausmachen.
Und es wird erwartet, dass China bis 8 acht Millionen 5G-Basisstationen bauen wird. Wie viel Strom wird das kosten?
Branchenkennern zufolge verursachen 100000 5G-Basisstationen Stromkosten von mindestens 2 Milliarden Yuan pro Jahr, 8 Millionen 5G-Basisstationen hingegen mindestens 160 Milliarden Yuan pro Jahr. Was ist dieses Konzept? Die drei großen Telekommunikationsbetreiber erzielten 130 einen Gesamtgewinn von rund 2019 Milliarden Yuan. Das bedeutet, dass sie möglicherweise ihren gesamten Gewinn für die Bezahlung ihrer Stromrechnungen verwenden müssen.
Warum verbraucht die Basisstation Strom?
Nachfolgend sind die Ergebnisse professioneller Tests an vorderster Front dargestellt. Der Stromverbrauch der 5G-Basisstationen von Huawei und ZTE ist in der Grafik dargestellt. Als zwei führende Unternehmen beim Bau von 5G-Basisstationen in China haben Huawei und ZTE bereits Daten zum Stromverbrauch ihrer 5G-Geräte veröffentlicht. Die 5G-Basisstationen von Huawei und ZTE verbrauchen bei 100 % Auslastung 3852.5 W bzw. 3674.85 W. Die 4G-Basisstation von ZTE hingegen verbraucht bei 1044.72 % Auslastung nur 100 W. Das bedeutet, dass der Energieverbrauch von 5G-Basisstationen mehr als dreimal so hoch ist wie der von 4G.
| Ausstattungsart | Verkehrsbelastung | ZTE | HUAWEI | ||
| AAU/RRU durchschnittlicher Stromverbrauch (W) | BBUdurchschnittlicher Stromverbrauch (W) | AAU/RRUdurchschnittlicher Stromverbrauch (W) | BBUdurchschnittlicher Stromverbrauch (W) | ||
| 5G | 100% | 1127.28 | 293.012 | 1175.4 | 325.8 |
| 50% | 892.32 | 293.012 | 956.8 | 325.8 | |
| 30% | 762.43 | 292.537 | 856.9 | 319 | |
| 20% | 733.92 | 293.233 | 797.5 | 319 | |
| 10% | 699.36 | 293.416 | 738.6 | 319 | |
| Keine Belastung | 633 | 293.568 | 663.10 | 330 | |
| 4G | 100% | 289.68 | 175.68 | ||
| 50% | 273.58 | 174.32 | |||
| 30% | 259.1 | 171.92 | |||
| Keine Belastung | 22.59 | 169.44 | 236.7 | 286.26 | |
| Verkehrsbelastung | ZTE 4G(S333) | ZTE 5G(S111) | HAUWEI 5G(S111) | Vergleich des Stromverbrauchs von ZTE 4/5G | |
| 100% | 1044.72W | 3674.85W | 3852.5W | 5G ist etwa 3.5-mal so groß wie 4G | |
Da die Geschäftslast von der Kontrolle zur Volllast ansteigt, hat sich 5G im Vergleich zu 4G etwa verdreifacht. Der Stromverbrauch von 5G-Basisstationen hat tatsächlich deutlich zugenommen, und der Anstieg des Stromverbrauchs ist der Schlüssel zum Anstieg des Stromverbrauchs von 5G-Basisstationen.
Die Basisbandeinheit (BBU) verarbeitet digitale Signale, berechnet Daten und überträgt diese an das AAU-Modul. Dort werden die Daten in modulierte Hochfrequenz-HF-Signale umgewandelt. Anschließend wird die Leistung verstärkt und über die Basisstationsantenne an unsere Mobiltelefone übertragen.
Diese beiden Module sind die Hauptkomponenten von 5G-Basisstationen. Das bedeutet, dass der Stromverbrauch der 5G-Rechenleistung nur einen Teil des Gesamtstromverbrauchs der Basisstationen ausmacht. Zusammen mit anderen kleinen, elektrisch verbrauchenden Modulen liegt der Stromverbrauch einer einzelnen 5G-Basisstation in der Regel bei etwa 3700 Watt. Das ist etwa das Dreifache des Verbrauchs von 4G und beinhaltet nicht den Stromverbrauch der Klimaanlage. Weitere Details finden Sie im Artikel : „Wie hoch ist der Stromverbrauch von 5G-Basisstationen?“
Massive MIMO und 5G-Antennenleistungsaufnahme
Erstens ist, wie bereits erwähnt, die Verarbeitung, Umwandlung und Übertragung von Datensignalen durch das AAU-Modul ein wesentlicher Faktor für den Stromverbrauch. Darüber hinaus erfordert die Verarbeitung großer Datenmengen extrem rechenintensive Algorithmen, was wiederum leistungsstarke FPGA-Chips notwendig macht. Schließlich sind noch die unterstützenden Einrichtungen für den Aufbau der Website-Infrastruktur erforderlich. Der Grund für diese Diskrepanz liegt darin, dass die beiden Systeme völlig unterschiedliche Frequenzen nutzen.
5G-Basisstationen zeichnen sich durch einen hohen Stromverbrauch und starke HF-Signale aus, was eine aufwändigere Signalverarbeitung in den digitalen und Basisbandeinheiten erfordert und die AAU-Module stärker beansprucht. Gleichzeitig ermöglichen sie den Nutzern jedoch einen schnelleren Signalempfang und eine kürzere Reaktionszeit. Bei der Nutzung von 5G-Signalen steigt der Stromverbrauch von Mobiltelefonen weiter an, und die hohe Frequenz führt zu einer starken Wärmeentwicklung.
Anforderungen an Hochfrequenzheizung und Kühlkörper für 5G-Basisstationen
Schwere Fälle können sogar die Lebensdauer der Geräte beeinträchtigen. Die Wärmeentwicklung von Mobiltelefonen ist zwar gering, aber die von ihnen erzeugte Wärme ist deutlich höher als die von 4G-Basisstationen, was häufig zu hohen Temperaturen im Gerätegehäuse führt. Um 5G-Geräte zu kühlen und ihre Lebensdauer zu verlängern, wird üblicherweise eine Klimaanlage installiert. Diese Klimaanlagen laufen meist unter Volllast, was insbesondere im Sommer, wenn der Stromverbrauch seinen Höhepunkt erreicht, zu einem hohen Stromverbrauch führt. Daher ist die Verbesserung passiver Wärmekomponenten wie der Kühlkörper von 5G-Basisstationen entscheidend, um die indirekten Energiekosten zu senken.
Frequenzbänder und Herausforderungen bei der Implementierung
Große Gebäude wie die Basisstationen in Lake verfügen über vollständig geschlossene Computerräume, insbesondere zur Wärmeableitung von Krankheitserregerübertragungsgeräten in Neubauten im Sommer. Um den normalen Betrieb im Basiskrieg aufrechtzuerhalten, ist Kühlung erforderlich. Daher verbraucht auch die Klimaanlage Strom, und dieser ist nicht gering. Natürlich macht der Stromverbrauch einer einzelnen Basisstation nur einen Teil des Stromverbrauchs von 5G-Netzen aus, und der 5G-Stromverbrauch betrifft weiterhin die regionale Basisstationsvernetzung.
Bisher nutzte 4G zwei Frequenzbänder: 2300 bis 2370 MHz und 2575 bis 2635 MHz. Das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie hat zwei erste Zwischenfrequenzbänder für 5G bestätigt: 3300 bis 3600 MHz und 4800 bis 5000 MHz. Diese werden als Sub-6-GHz -Bänder bezeichnet. Ein weiteres Frequenzband ist der Millimeterwellenbereich (mmWave) zwischen 24 GHz und 100 GHz.
Um eine flächendeckende Signalabdeckung zu erreichen, muss der Ausbau der 5G-Basisstationen den Anstieg der Level-4-Notfälle übertreffen, was wiederum den Stromverbrauch des 5G-Netzes erhöht. China und die USA können bei ihren Ausgaben für Forschung und Entwicklung im Bereich der Rüstungsindustrie zwischen zwei Hauptrichtungen wählen. Das anfängliche Zwischenfrequenzband, das in China für 5G verwendet wird, ist das SUV-Band. Ein weiteres Frequenzband ist der Millimeterwellenbereich F22 zwischen 24 und 205 Hertz. Aufgrund verschiedener Beschränkungen der Millimeterwellen haben die USA im 5G-Zeitalter allmählich an Boden verloren. Ein Vorteil der Nutzung von SUV-Basisstationen in der Frühphase des Aufbaus des chinesischen 5G-Netzes besteht darin, dass 5G-Basisstationen direkt auf dem Gelände von 4G-Basisstationen installiert werden können, was die Kosten des 5G-Netzes erheblich senkt und keinen zusätzlichen Stromverbrauch verursacht.
Schlechte Benutzerfreundlichkeit und hohe Preise sind die größten Probleme bei der landesweiten Einführung von 5G. Wie sollte 5G seine Technologie verbessern, um die Gunst der Verbraucher zu gewinnen?
Der zukünftige Entwicklungspfad von 5G und wie er verbessert werden kann
Obwohl landesweit eine 5G-Basisstation nach der anderen errichtet wird, gibt es nicht viele tatsächliche 5G-Nutzer. Das größte Problem besteht darin, dass die Basisnutzer von 5G glauben, dass der hohe Preis und das schlechte Benutzererlebnis von 5G nicht miteinander vereinbar sind.
Ein weiterer Grund für die immer noch schwierige Verbreitung von 5G liegt darin, dass 4G die täglichen Unterhaltungsbedürfnisse der meisten Menschen bereits erfüllen kann. Daher sind die neuen Funktionen von 5G eher das Sahnehäubchen als eine zeitnahe Unterstützung.
Für die Zukunft von 5G liegt der effektivste Weg daher zweifellos in technologischen Verbesserungen zur Reduzierung von Wärmeentwicklung, Stromverbrauch und Nutzungskosten, um preislich mit 4G konkurrieren zu können. Nur so kann die hohe Kommunikationsgeschwindigkeit von 5G ihre wahren Vorteile entfalten. Um die Gunst der Verbraucher zu gewinnen und nicht vorzeitig für die Einführung von 6G geopfert zu werden, konzentriert sich die Branche auf drei zentrale Verbesserungsbereiche:
Komponentenoptimierung und die AFU des 5G-Basisstationsmarktes
Aus Hardware-Sicht ist die Minimierung von Energieverlusten im HF-Frontend von entscheidender Bedeutung. Die Telekommunikationszulieferkette beobachtet den Markt für Antennenfiltereinheiten/Hilfsstromversorgungen (AFU) von 5G-Basisstationen daher genau . Durch den Einsatz hochintegrierter keramischer dielektrischer Filter und die Optimierung von Komponenten können Hersteller die Signaldämpfung und die Wärmeentwicklung deutlich reduzieren, noch bevor das Signal die Antenne verlässt.
Die Entwicklung des Marktes für Notstromversorgungen für 5G-Kommunikationsbasisstationen
Da eine einzelne 5G-Basisstation in der Regel rund 3700 Watt verbraucht (etwa das Dreifache des Verbrauchs einer 4G-Basisstation, ohne Berücksichtigung der Klimaanlage), stoßen herkömmliche Stromversorgungslösungen an ihre Grenzen. Folglich entwickeln sich der Markt für Notstromversorgungen von 5G-Basisstationen und der Markt für Notstromversorgungen im Allgemeinen rasant. Netzbetreiber setzen zunehmend auf intelligente Lithium-Batteriespeichersysteme, die Lastspitzen abdecken und Lastspitzen ausgleichen – die Notstromsysteme werden geladen, wenn der Netzstrom günstig ist, und während der Spitzenzeiten entladen, um Kosten zu sparen.
Softwaregesteuerter intelligenter Energiesparmodus: Wie konnte 5G energieeffizienter werden?
Auf der Softwareseite stellen sich viele Branchenanalysten folgende Fragen: Wie konnte 5G durch die jüngsten Technologie-Updates energieeffizienter werden? Die Lösung liegt in intelligenten Algorithmen. Durch die Anpassung der Ressourcenleistung an die Anzahl der Echtzeitnutzer kann die Software einen dynamischen Ruhezustand auslösen. Ein weiterer Entwicklungsansatz besteht in der Entwicklung von product Merkmale, die einzigartig für 5G sind, wie beispielsweise die derzeit beliebten Integrationen des Internets der Dinge (IoT) und der Satelliten-/Starlink-Kommunikation.
Fazit
Es gibt zahlreiche Bauprojekte für 5G-Basisstationen, doch die flächendeckende Verbreitung von 5G gestaltet sich aufgrund des hohen Stromverbrauchs, der hohe Kosten und Unzufriedenheit der Verbraucher zur Folge hat, schwierig. Um die derzeit schwierige Marktsituation zu verbessern, wird 5G künftig funktional verbessert und der Stromverbrauch gesenkt.
Fortschrittliche Kühltechnologie: Neue Technologien senken die Temperatur von Basisstationen. Hochgeschwindigkeits-Basisstationen erzeugen viel Wärme. Um einen Ausfall aufgrund zu hoher Temperaturen zu verhindern, muss das Kühlsystem sie kontinuierlich kühlen, was viel Strom verbraucht. Betreiber setzen daher Technologien wie die Flüssigkeitskühlung ein, die einen effizienten Betrieb der Basisstationen bei niedrigen Temperaturen ermöglichen. Dies führt zu präziser Kühlung, reduziert den Energieverbrauch und senkt somit effektiv die Stromkosten.
Integration grüner Energie: Diversifizierung der Energieversorgung und Ausbau grüner Energien. Erneuerbare Energiequellen wie Windenergie und Photovoltaik sind wichtige Energiequellen für 5G-Basisstationen. Netzbetreiber bauen und betreiben CO₂-arme Basisstationen, um den Anteil sauberer Energie zu erhöhen. China Mobile fördert das Modell „5G + Photovoltaik“ in mehreren Regionen und nutzt Solarenergie zur Stromversorgung von Basisstationen. Beijing Mobile betreibt eine 5G-Demonstrationsstation für energiesparende Stromversorgung mit einer durchschnittlichen jährlichen Stromerzeugung von rund 6000 kWh und einer entsprechenden jährlichen Emissionsreduktion von rund 5.9 Tonnen CO₂.
Gemeinsamer Aufbau und Nutzung: Durch die gemeinsame Nutzung und den Aufbau von 5G-Netzen lassen sich Investitionskosten sparen. Dieses Modell ermöglicht nicht nur den schnellen Aufbau eines flächendeckenden, hochwertigen 5G-Netzes, sondern reduziert auch Doppelinvestitionen und den Energieverbrauch. China Unicom spart durch den gemeinsamen Aufbau und die Nutzung von 4G/5G-Netzen jährlich über 17.5 Milliarden Kilowattstunden Strom und verringert die CO₂-Emissionen um über 10 Millionen Tonnen.
FAQ:
5G wird aufgrund des hohen Stromverbrauchs nachts abgeschaltet und tagsüber eingeschaltet?
Nachts sind 5G-Basisstationen nicht täglich mit allen Funktionen ausgestattet, sondern arbeiten nur mit der niedrigsten Schwelle. Auch wenn 5G-Geräte schlafen, können sie die Grundnutzung für die Nutzer sicherstellen und passen ihre Eigenleistung lediglich an die Anzahl der Nutzer an. Die Basisstation wird nachts nicht abgeschaltet.
