社會各界都相當關切環保及節能議題。現在一般人都不喜歡耗油量大的汽車，電子裝置也都往耗用較少電力的方向設計，因為發電會耗用有限的資源，並排放廢氣污染大氣層而導致溫室效應。事實上，現在每個人似乎都意識到自己的碳足跡，電信網路基礎架構也同樣如此。
為因應環保運動的風行，技術供應商便開發出低功耗的產品。先前被視為非低功耗的系統所適用的元件，如今都以低功耗的方式設計，而且視為必要的做法。電路板及系統如今也都能夠達到降低耗電量的環保需求。
的確，環保運動的驅動力對於社會有重大的影響。這影響了新技術和技法的開發，而造就了新一代的節能型無線基地台。
環保運動方興未艾
確實有許多出於自利利他的因素，可以解釋何以近來民眾關注環保運動。現今全世界使用的許多能源都有耗盡的一天，而且耗用能源後，通常都會污染環境。因此，現在普遍認為使用的能源必須減少，而且要做到乾淨、低污染的訴求。
然而，環保運動也有其現實面，雖然較為現實而非出於自利利他的理念，不過環保運動的現實面具有相當大的影響力。例如，某些經濟因素必須予以考量，而這些經濟因素正是環保的網路基礎架構趨勢背後的主要動力來源。的確，當環保運動也涉及降低網路服務供應商的成本與提高營運獲利的因素時，它的推行會更具有說服力。符合環保的作法也是絕佳的行銷方式，有時候可成為市場上有別於其他品牌的競爭優勢。
環保運動的核心是尋求提升能源效率，其背後有許多不同的動因，分列如下：
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世界各國的政府都立法規範降低能源的使用，並減少產生會造成溫室效應的廢氣。許多政府機關和準政府組織訂定出環保限制與要求，其中包括美國聯邦政府、美國境內許多州(例如加州及其能源委員會)、歐盟執行委員會以及其他許多政府與管理機關。
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國際標準組織目前正積極推廣環境管理系統的ISO 14000要求。ISO 14000規範公司和組織如何將對於環境造成的影響降至最低，其中也訂定公司持續改善的方式。許多政府和企業都致力於促進永續性系統化應用及符合環保需求的企業做法，因此都要求其企業夥伴通過ISO 14000認證程序。
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能源成本不斷增加，已經造成包括電信網路業者在內的許多企業重新考慮擁有設備所需的成本，例如網路基礎架構系統。以網路業者為例，資本設備支出(CAPEX)及營運支出(OPEX)等成本近年來已大幅提高。
某些分析師推估，無線基地台的每年營運成本現在可能逼近購置成本，而且，行動網路占業者年度能源耗用量的70～80%。「讓網路更為環保」確實對於業者的OPEX有深遠的影響。
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全球開發中地區的網路擴建遭遇到與西歐及北美等經濟高度發展地區不同的難題。以低度開發地區為例，電力網供電並不普遍，因此通常須要加裝許多附備援電池的柴油發電機來供電給許多基地台。在此情況下，補充基地台燃料供應相關的成本和人力便是重要的考慮因素。
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現今基地台中許多較先進的設計概念都與微型化有關，不過這也引發功率密度的相關問題。降低功耗是因應功耗密度問題的其中一種方式。例如，採用多重輸入多重輸出(MIMO)概念和智慧型天線的基地台系統都會部署許多無線射頻(RF)收發器，以提升系統傳輸率及訊號品質，而這須要降低功耗，才能讓各訊號路徑的設備體積縮小。
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達到環保效益的功率效率
有關環保能源效率的議題，基地台系統本身也遭到不同層面的批評，首先是關於個別元件的基礎層面，接著轉移到先進系統的概念。
元件功耗減少
不同的元件功耗減少方法所蓄積的效用相當顯著，尤其是在媒體閘道中採用智慧型天線RF收發器或多顆處理器的高密度應用。以下列舉近來獲致環保方面重大進展的一些元件層級特定實例。
舉例來說，由於全球微波存取互通介面(WiMAX)或分時-同步分碼多重存取(TD-SCDMA)基地台採用進階MIMO天線配置，各收發器的功耗成為網路業者的主要考量。
即將問世的長程演進計畫(LTE)將會支援波束天線。幾年前，基地台接收器的類比數位轉換器(ADC)各通道往往都耗用1瓦(W)以上的功耗。對於採用新天線配置的系統而言，這顯然不實用。因此，如今基地台的一般ADC功耗都已大幅降低(圖1)。這些結果顯示，ADC的電力調整對於整體功耗會有影響。電力調節之所以能夠降低功耗，是因為ADC的取樣速度降低。
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| 圖1 SmartReflex核心電壓的調節有助於降低DSP的功耗 |
另一個實例是，現今的高效能數位訊號處理器(DSP)均內建精密的節能機制。元件構裝達到90奈米之前，縮小電晶體尺寸的同時也會帶來功耗降低的效益。然而，對於90奈米以下的製程來說，情況則不再如此。對於更小的製程節點而言，在待機時洩漏電流效應已大於縮小集積度所降低的功耗效益。為了彌補這一點，先進的晶片架構採用將晶片區分為多個子區域的設計策略。
各個子區域都能夠個別關閉電源，只讓須要處理目前作業的區域通電，由於毋須任何待機並產生漏損電流，因此可大幅降低晶片等級的功耗。
先進電源管理機制登場
除了在晶片層級達到節能效果外，智慧型電源管理可以達到更好的環保效用。以下將探討幾項電源管理的創新技術。
動態斷電可達極大節能效果
當電路不須要執行目前運作的功能時，將電路板的電路斷電是合理的作法，這能夠擴大晶片層級電源管理所達到的節能效用。將電路板一部分斷電的作法適用於許多層面，其中包括以下三種情形：
第一，媒體閘道用的高密度DSP電路板通常設計用來處理尖峰負載，因此各個電路板可以有五至二十個處理器。由於尖峰負載只有一小段時間，因此在低流量期間將這些處理器動態斷電可達到極大的節能效果，例如午夜、連續假期或網路流量因為某些因素而減少的期間。一些流量模式都可事先預測，但流量減少通常無法預期。對於特定時段，須要進行動態通電/斷電程序。對於這類動態程序，建置數位控制的電源供應機制即可達到彈性且有效的電源供應控制，另外也可以採用強化的診斷功能。
其次，對於基地台的無線射頻前端，尤其是在分時雙工(TDD)下，可在不須要用電時加以部分斷電。以通常在TDD下運作的WiMAX及未來的TD-LTE系統為例，當系統接收資料時，即可關閉發送器的電源。
第三，適應性電壓調節(AVS)是另一種將系統不同部分動態斷電以節省電力的方法。在德州儀器(TI)的SmartReflex技術中已建置AVS功能，以達到降低功耗的效果。
這樣基本上能夠同時調整DSP核心的供電電壓，以回應負載狀況、溫度和裝置本身可能與製程有關的任何效能差異。一般而言，調整處理器的核心電壓即可降低功耗，而且不會影響系統的整體效能。
功率放大器調節至關要緊
功率放大器(PA)是無線基地台中最耗電的元件，PA無疑是最須要探討如何降低功耗的對象。
近年來，業界已推出前回饋PA、Doherty PA及數位預先矯正等功能，如今，追蹤訊號封值(Envelope Tracking, ET)已成為另一種有效的技術，預料很快就會完成實驗階段進入商業實作階段(圖2)。
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| 圖2 追蹤信號封值的放大器供電調節方式能降低功耗 |
不論實際的輸出功率為何，標準PA偏移機制都會將穩定偏壓提供給PA，ET便是以此為依據。PA驅動的功率是由流量負載情況所決定，因此PA的功率輸出通常是設定在最大使用量或滿載情況。
由於尖峰流量負載只有一小段時間，因此造成了PA階段的大量功率損耗。為了隨時能夠驅動尖峰負載，PA一直消耗最大的功率，然而事實上只有一小段時間才會出現極大的流量。為了改善此現象，ET會在任何時間點調整PA對於流量負載的輸出功率，以大幅減少PA的整體功耗。
系統層級節能當紅
有效的系統層級架構也可以大幅降低無線基地台耗用的電量。例如，從舊型外差式傳輸/接收架構改換為新型零中頻(IF)架構，能夠將低頻的無線訊號直接轉換為高頻的RF訊號，並將RF直接轉換為低頻的無線訊號。直接轉換的效益在於不需要混頻器、合成器、放大器及濾波器等IF階段元件(圖3)。如此一來，不僅能夠降低系統成本，也能夠減少功耗，因為已經不再需要相當耗電的多個元件。
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| 圖3 直接轉換架構的採用減少了元件數量及功耗。 |
其他許多概念也可提升基地台的環保效益，包括更有效的系統分區及PA效率提升等。
長久以來，基地台系統的建立，都是將包括PA在內的所有系統主動元件安裝於基地台底部位於地面的機箱中。如此的架構會將放大的訊號透過同軸纜線從基地台機箱傳輸至天線，而天線一般安裝於塔頂、天線塔或屋頂等高處。連接基地台與天線的20或30公尺纜線所出現的訊號耗損可達到3～4分貝(dB)。PA的輸出功率必須補償這些耗損，且將提高系統成本及功耗。
為改善這類情形，RF收發器可移動到更接近天線的位置，而且可以使用光纖纜線連接基地台系統及遠端無線模組(Remote Radio Head, RRH)，而不使用銅線。如此即可限制機箱及天線之間的連結所出現的功率損耗，讓基地台機箱與天線的放置更有彈性，而且降低耗電量所節省的成本遠高於將此連結數位化的成本。
波峰係數減少(Crest Factor Reduction, CFR)及數位預先矯正(Digital Pre-Distortion, DPD)之類的PA效率提升技術也可以維持訊號功率，同時降低PA的功率損耗，以降低無線基地台的功耗(圖4)。由於增益功能隨著輸出功率增加而呈現非線性特性，使得PA的功率耗損也隨之增加。因此，為避免訊號失真，PA必須以不接近峰值輸出功率的程度進行運作。
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| 圖4 CFR和DPD強化放大器的效率 |
採用寬頻分碼多重存取(WCDMA)及WiMAX之類的寬頻無線傳輸標準會讓這類的情形加劇，因為這些標準的訊號峰均值功率比(Peak-to-average Ratio)可高達13分貝。這些寬頻無線傳輸介面很可能使訊號峰值遠高於平均功率輸出，CFR和DPD可從不同的角度因應此難題。CFR能夠有效節制訊號峰值，而不使訊號的資訊內容失真，而DPD能夠以數位方式將訊號預失真，以擴充PA非線性增益功能的線性效能。這兩項強化作法有助於降低最終PA階段的功率損耗與元件成本。
尋求提升能源效率的環保運動，不僅對於網路基礎架構極為重要，對於現今全球經濟的其他層面也是如此。就開發功耗較低的無線基地台而言，目前正從不同面向去解決電源問題，包括從個別元件到系統層級的各種考量。
(本文作者為德州儀器EMEA地區電信業務經理)