綠色基站綜合節(jié)能技術(shù)驗(yàn)證

董 欣，石 海，劉碩豪

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海200072；2.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海200072）

0 引 言

通信運(yùn)營商作為服務(wù)型和能源消耗型企業(yè)，近年來節(jié)能減排的呼聲高漲，而運(yùn)營商能源消耗最大的環(huán)節(jié)，就是公用無線通信基站。中國移動(dòng)僅在上海就有5 000多個(gè)物理基站，每年消耗的電量數(shù)以百萬計(jì)。使用新的節(jié)能減排技術(shù)作為基站建設(shè)的設(shè)計(jì)導(dǎo)向，并對現(xiàn)有基站逐步改造優(yōu)化，使之符合綠色環(huán)?；镜臉?biāo)準(zhǔn)，無疑將大大減少公用通信基站的能源消耗。

本設(shè)計(jì)通過分析基站的總體能耗分布，有針對性地提出了一套綠色基站綜合設(shè)計(jì)方案，并在運(yùn)營商運(yùn)行的基站上進(jìn)行了試驗(yàn)。工程試驗(yàn)證明，各種新型節(jié)能技術(shù)有效減少了基站主設(shè)備能耗和環(huán)境控制能耗，綠色基站設(shè)計(jì)能耗與傳統(tǒng)基站相比減少了40%以上。

1 綜合節(jié)能技術(shù)

本工程試驗(yàn)計(jì)劃運(yùn)用的綠色基站綜合設(shè)計(jì)方案主要包括3類新型節(jié)能減排技術(shù)：主設(shè)備集成化設(shè)計(jì)，用以減少機(jī)柜數(shù)量；分布式環(huán)境控制策略，用以減少空調(diào)耗電；載頻及小區(qū)級軟硬件節(jié)能功能，用以減少空閑時(shí)段設(shè)備功耗。

1.1 集成化設(shè)備

基站主設(shè)備可以簡單的分為控制系統(tǒng)、載頻模塊、合路系統(tǒng)和天線系統(tǒng)。載頻（TRX）的數(shù)量是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的重要參照，目前大部分基站主設(shè)備單機(jī)柜的最大載頻數(shù)量為12個(gè)，對用戶需求較多的區(qū)域只能通過增加機(jī)柜數(shù)量來增載頻容量，從而增加了運(yùn)行成本和能源消耗。高集成度設(shè)計(jì)的新型設(shè)備大大提高了單機(jī)柜的容量和處理能力，主設(shè)備單機(jī)柜最大容量達(dá)到24個(gè)載頻，新型雙載頻模塊的能耗開銷低于原來2塊載頻模塊的能耗開銷之和。

1.2 環(huán)境控制策略

本試驗(yàn)主要利用智能通風(fēng)通過室內(nèi)外空氣交換進(jìn)行自然冷卻降溫，以減少空調(diào)壓縮機(jī)的開啟時(shí)長。通過智能控制器，智能通風(fēng)系統(tǒng)與基站原有空調(diào)機(jī)組可以聯(lián)動(dòng)，在室外溫度低于30℃時(shí)，利用小功率風(fēng)機(jī)替代大功率空調(diào)進(jìn)行降溫，而空調(diào)機(jī)組僅在設(shè)定溫度值以上才開始工作；當(dāng)智能通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，以保障基站室內(nèi)溫度穩(wěn)定。智能通風(fēng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉控制條件如表1所示。其中，T1為通風(fēng)機(jī)組開機(jī)溫度；T2為空調(diào)機(jī)組開機(jī)溫度。

表1 智能通風(fēng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉控制

1.3 軟硬件功能實(shí)現(xiàn)節(jié)能

除了選用集成度更高的模塊外，基站主設(shè)備還可以在用戶接入需求較少的時(shí)段，將用戶接入集中到某些特定的設(shè)備上，進(jìn)而減少空閑設(shè)備的功率輸出，甚至關(guān)閉空閑設(shè)備，來達(dá)到減少能耗的目的。

密集城區(qū)話務(wù)模型下晝間大話務(wù)量需大量載頻支持，而到了夜間話務(wù)量又相對很低，話務(wù)負(fù)荷變化劇烈?；谪?fù)荷的載頻關(guān)斷技術(shù)通過對載頻的時(shí)隙占用情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，當(dāng)總體話務(wù)負(fù)荷較小時(shí)，通過調(diào)整移動(dòng)用戶的占用時(shí)隙將用戶集中到部分載頻上，進(jìn)而關(guān)閉無時(shí)隙占用載頻上的脈沖成型電路，從而減少載頻功耗。

在載頻的功耗中，功放部分（PA）占了總量的60%，其功率輸出隨用戶占用時(shí)隙數(shù)量的增減而變化，用戶占用時(shí)隙越多，功放部分的輸出功率就越大；當(dāng)時(shí)隙無業(yè)務(wù)占用時(shí)，功放部分雖然不用負(fù)擔(dān)生成突發(fā)脈沖的能耗，但卻仍然保持一定的電流輸出，以維持類似待機(jī)狀態(tài)，這種電流輸出即靜態(tài)功耗。PA關(guān)斷技術(shù)的核心就是在無話務(wù)的情況下，關(guān)閉原來用于待機(jī)的靜態(tài)功耗，以達(dá)到節(jié)能的目的。關(guān)斷后，載頻PA模塊的功耗為零。

BCCH（廣播控制信道）載頻的節(jié)電功能的原理是降低BCCH廣播載頻上，除BCCH時(shí)隙外的其他信道時(shí)隙的發(fā)射功率。運(yùn)用該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)配置基站在低話務(wù)（每線話務(wù)量小于0.3erl）下，理論上每天可以節(jié)省約100Wh的電力。

TRP，即話務(wù)優(yōu)先分配技術(shù)能將用戶新的話務(wù)信道優(yōu)先分配在BCCH載頻上。由于BCCH載頻無論是否有用戶占用，其發(fā)射功率都維持在相對穩(wěn)定的程度上，因此該策略不會(huì)給系統(tǒng)帶來額外的耗電，相當(dāng)于減少了TCH（話音信道）載頻的時(shí)隙發(fā)射的耗電量。該技術(shù)可以與基于負(fù)荷的載頻關(guān)斷技術(shù)同時(shí)開啟，并與BCCH載頻節(jié)電策略兼容。

2 工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用上述各項(xiàng)基站節(jié)能技術(shù)，本設(shè)計(jì)在中國移動(dòng)上海公司目前運(yùn)行的公用無線通信基站網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了工程試驗(yàn)。試驗(yàn)主要按照相關(guān)技術(shù)的工程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)了一個(gè)采用上述節(jié)能技術(shù)的公用無線通信基站。通過對該基站電能消耗、無線參數(shù)指標(biāo)和基站內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，并與鄰近的一個(gè)環(huán)境條件相同的傳統(tǒng)基站進(jìn)行對比，以得到綠色基站節(jié)能技術(shù)的實(shí)際使用效果。

2.1 基站模型的選擇

考慮到本次試驗(yàn)運(yùn)用的各項(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)，適宜本設(shè)計(jì)試驗(yàn)的基站應(yīng)當(dāng)盡可能地具備如下幾個(gè)特征：

（1）基站主設(shè)備種類和數(shù)量，按標(biāo)準(zhǔn)公用無線通信基站設(shè)計(jì)要求配置，使基站整體能耗需求接近普通基站需求；

（2）機(jī)房外部環(huán)境盡可能處于自然空氣流通的狀態(tài)之下，以確保一般環(huán)境溫度和晝夜溫差符合自然規(guī)律；

（3）機(jī)房所處建筑供電系統(tǒng)穩(wěn)定，備用供電系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到一般基站的統(tǒng)計(jì)平均水平；

（4）基站覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)需求量達(dá)到一定水平，以確保相關(guān)數(shù)據(jù)對大部分其他基站同樣有效；

（5）基站在晝間和夜間的移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)需求量差距盡可能拉大，以最大程度地給予軟硬件節(jié)能算法發(fā)揮的空間。

參考上述要求，本試驗(yàn)選擇了多個(gè)基站分別試驗(yàn)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，選取的基站主要集中在城鄉(xiāng)結(jié)合部區(qū)域密集居民點(diǎn)附近。這些基站均位于建筑頂層天臺(tái)，機(jī)房結(jié)構(gòu)獨(dú)立，溫控設(shè)備有充分的安裝空間和工作條件。天線海拔高度接近市區(qū)一般基站的平均高度，覆蓋范圍適中。由于地處城鄉(xiāng)結(jié)合部，其覆蓋范圍內(nèi)既有開闊地形，也有建筑密集、用戶需求量較大的居民區(qū)，用戶話務(wù)需求的時(shí)間特征明顯。鄰近周邊有一處條件類似的傳統(tǒng)基站，可以提供數(shù)據(jù)對比和試驗(yàn)評估。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果評估

智能通風(fēng)系統(tǒng)基站內(nèi)通風(fēng)機(jī)如圖1。試驗(yàn)基站采用高集成度機(jī)架和雙載頻硬件設(shè)備。模塊能耗測試和基站用電負(fù)荷測試表明，載頻功放的效率提高了20%以上，功耗降低15%～30%。全站設(shè)備重量減少60%，在總的電力消耗方面僅相當(dāng)于原基站主設(shè)備的50%～60%。

在本次試驗(yàn)中，智能通風(fēng)系統(tǒng)的開機(jī)溫度設(shè)定為27℃，空調(diào)機(jī)組的開機(jī)溫度設(shè)定為32℃，系統(tǒng)于3月底投入運(yùn)行，觀察時(shí)段為4月至6月。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用通風(fēng)機(jī)組后空調(diào)開機(jī)時(shí)長明顯減少，且具有極為明顯的季節(jié)特征。4月至6月通風(fēng)機(jī)組替代空調(diào)機(jī)組工作的時(shí)間逐步減少，由每天平均21.5個(gè)小時(shí)削減到每天5.5個(gè)小時(shí)左右。可以預(yù)見，在冬季室外氣溫極低的情況下，通風(fēng)機(jī)組可以完全替代空調(diào)機(jī)組進(jìn)行基站溫度控制。根據(jù)歷史維護(hù)資料，每年4月空調(diào)機(jī)組耗電量為每24小時(shí)90～95kWh。此次試驗(yàn)測得通風(fēng)機(jī)組的實(shí)際用電負(fù)荷為每24小時(shí)12kWh左右，而空調(diào)機(jī)組平均耗電量僅為每24小時(shí)42kWh，節(jié)約環(huán)境控制能耗43%。

圖1 智能通風(fēng)系統(tǒng)基站內(nèi)通風(fēng)機(jī)

基于負(fù)荷的載頻關(guān)斷技術(shù)和基于時(shí)隙的PA關(guān)斷技術(shù)是本次試驗(yàn)著重檢測的兩種節(jié)能軟硬件功能。試驗(yàn)綜合開啟了兩種功能，并對基站的載頻能耗和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了持續(xù)收集和跟蹤。表2為單一小區(qū)載頻設(shè)備開啟節(jié)能功能后的耗電量對比。由表2可見，新功能節(jié)電效果顯著。同時(shí)，在對話務(wù)量、掉話率、切換成功率、無線接通率、無線接入性等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，并與鄰近的傳統(tǒng)基站數(shù)據(jù)機(jī)型對比后，并未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用軟硬件節(jié)能功能的基站在網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)方面受到不良影響。圖2和圖3分別給出了綠色基站與傳統(tǒng)基站在話務(wù)負(fù)荷與掉話率指標(biāo)的數(shù)據(jù)對比。由圖可見，兩者在掉話率基本相同的條件下，綠色基站承載的話務(wù)量將大于傳統(tǒng)基站的話務(wù)量。

表2 軟硬件功能節(jié)電效果

圖2 綠色基站和鄰近傳統(tǒng)基站話務(wù)負(fù)荷對比

圖3 綠色基站和鄰近傳統(tǒng)基站掉話率對比

3 結(jié)束語

本次試驗(yàn)證明了各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的可行性、有效性和可操作性。高集成度基站主設(shè)備設(shè)計(jì)、智能通風(fēng)系統(tǒng)和軟硬件節(jié)電功能的基本節(jié)能效率均可達(dá)到40%以上，且不會(huì)對用戶使用造成不良影響。由于主設(shè)備集成化設(shè)計(jì)在一定程度上減少了基站本身的整體散熱需求，從而降低了溫控系統(tǒng)的負(fù)荷，有利于智能通風(fēng)系統(tǒng)的工作。這幾項(xiàng)技術(shù)在單一基站上綜合運(yùn)用的效果值得期待。

［1］謝代鋒.智能熱交換器與空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建的“綠色基站”解決方案與實(shí)踐［J］.信息通信技術(shù)，2009，4：39－42.

［2］黃成龍，楊文鵬.移動(dòng)通信基站節(jié)能控制的理論與實(shí)踐［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（2）：205－209.

［3］周 紅，樊耀東.基站節(jié)能技術(shù)綜合評估［J］.移動(dòng)通信，2009，10（2）：92－94.