基于3G通信基站節(jié)能減排解決方案研究

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司佛山市分公司，廣東 佛山 528000)

隨著我國 3G通信的迅猛發(fā)展，三大基礎(chǔ)電信運營商的3G移動通信基站總數(shù)已經(jīng)超過100萬個。據(jù)統(tǒng)計，每個基站的平均年耗電量約為15萬度[1]。一方面，運營商已有基站數(shù)量巨大，另一方面新建3G基站不斷增多，基站耗電約占到通信運營商整體運維總耗電量的 70%左右，基站節(jié)能是運營商整個節(jié)能減排的關(guān)鍵。如何有效降低基站運行費用，是企業(yè)精細(xì)化管理和管理創(chuàng)新面臨的重要課題，也是加快建設(shè)節(jié)約型企業(yè)，降耗增效，促進(jìn)企業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的重大問題。因此，如何對3G通信基站進(jìn)行節(jié)能減排是亟需解決的、具有實用價值的研究課題。

一方面為積極響應(yīng)政府號召，最大限度地減少通信行業(yè)對環(huán)境的影響，提高通信設(shè)備的能源使用效率；另一方而通信業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，各種通信設(shè)備不斷增加，通信設(shè)備所需的能源日益增長，電信企業(yè)而臨著巨大的成木壓力，能源消耗已嚴(yán)重影響到電信企業(yè)的效益和發(fā)展[2]。因此通信業(yè)的節(jié)能減排勢在必行。積極探索基站維護(hù)服務(wù)的精細(xì)化管理方案，多措并舉，通過技術(shù)創(chuàng)新和管理方式的創(chuàng)新運用，使得基站能耗運行成本大大降低。

本文首先對3G通信基站能耗情況[3]進(jìn)行了分析，然后對基站設(shè)備系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了綠色節(jié)能研究。實踐證明，方案簡單可行，對通信運營具有一定效果。

1 3G基站能耗分析、節(jié)能減排可行性分析與發(fā)展趨勢

1.1 3G基站能耗分析

3G通信基站能耗情況如下圖1所示。由圖1可以看出，無線通信設(shè)備用電占了總用電量的40%～50%。通信電源電源系統(tǒng)平均耗電占整體機房總用電量的 5%～10%?？照{(diào)系統(tǒng)用電占總用電量的 40%左右。無線通信設(shè)備用電王要在網(wǎng)設(shè)備數(shù)量及其功耗，同時業(yè)務(wù)信道載頻負(fù)荷的變化也會引起基站系統(tǒng)耗電很大的波動。通信電源系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)換的損耗、濾波的能量消耗，造成電能的損耗?？照{(diào)系統(tǒng)是通信機房王要的耗能設(shè)備。

圖1 3G基站通信機房中電能的消耗分布圖

1.2 移動基站節(jié)能減排的可行性分析

（1）不同設(shè)備對溫度敏感程度不一致，如蓄電池的工作最佳環(huán)境為 23～26℃，溫度升高后蓄電池壽命縮短;無線設(shè)備工作環(huán)境為30～50℃，溫度升高會影響通話質(zhì)量，形成掉話、串音，傳輸設(shè)備的工作環(huán)境能夠達(dá)到40～60℃，溫度升高會引起設(shè)備告警、傳輸誤碼等[4]。

（2）現(xiàn)有基站主要有磚混結(jié)構(gòu)機房和活動機房兩種，在設(shè)計需求中，所有基站沒有對熱負(fù)荷進(jìn)行計算，機房空調(diào)位置也沒有考慮熱平衡和熱循環(huán)，如果考慮機房設(shè)備發(fā)熱量、熱循環(huán)面積等因素，綜合考慮設(shè)備允許工作溫度等，在基站設(shè)計上有很大節(jié)能空間。

（3）目前移動基站為保證防塵防潮的要求，全部采用密閉設(shè)計，這樣在照明上需要額外負(fù)荷，另外沒有與室外熱循環(huán)，夏季高溫時，空調(diào)長期高負(fù)荷工作，這些都增加了基站能耗。

（4）基站設(shè)備低損耗運行，目前幾乎所有無線基站無線設(shè)備和電源都是全天候、滿業(yè)務(wù)運行，并未考慮在較少業(yè)務(wù)情況下實施節(jié)能減排處理。直流供電系統(tǒng)。

1.3 基站節(jié)能減排趨勢

（1）減少主設(shè)備能耗

綜合考慮基站的新技術(shù)及成熟程度，推廣數(shù)字無線技術(shù)的應(yīng)用，以使得平滑向LTE演進(jìn)，投資得以保護(hù)，節(jié)省機房空間。

（2）減少空調(diào)能耗：由于頻段的提高使得覆蓋越困難、房租租賃費用，租用難度的提升，將使得無機房模式建網(wǎng)將會是未來建網(wǎng)的趨勢，另外主設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性將越來越好，從而逐漸消除或減少空調(diào)的使用，或引入室外新風(fēng)等方式來逐漸替代空調(diào)的使用，同時提升室外站比例、分布式基站比例，都可以大幅節(jié)省空調(diào)能耗。

（3）開發(fā)新能源在合適的站址利用太陽能、風(fēng)能等潔凈新能源替代原始供電，可以大大節(jié)省基站的能耗，各運營商可以根據(jù)周圍環(huán)境靈活的采用單能源供電，也可以采用風(fēng)/光/市電互補供電，從而擴大新能源供電的使用范圍。

（4）共建共享

響應(yīng)工信部和國資委的號召，增加基站的共建力度，減少基站的空調(diào)使用，并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。

2 節(jié)能減排技術(shù)分析

目前無線基站機房通常采用更新機房設(shè)備、采用新技術(shù)改善機房環(huán)境用電兩方面入手，使通信機房的電量下降，有效降低整個通信網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。

2.1 智能載頻關(guān)斷技術(shù)

智能載頻關(guān)斷技術(shù)是分析基站話務(wù)量，通過軟件自動控制，實現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)。話務(wù)量較小時，把分散在小區(qū)內(nèi)各個載頻的零散的話務(wù)量集中到某一個載頻上，這樣空閑的載頻將會被關(guān)閉，進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)小區(qū)內(nèi)的話務(wù)量增加，則激活原先關(guān)閉的載頻，使得載頻重新正常工作并接收話務(wù)。當(dāng)一個小區(qū)配置有多塊載頻板時，在業(yè)務(wù)低時，非BCCH載頻無業(yè)務(wù)情況下，采用智能載頻關(guān)斷技術(shù)可以節(jié)省基帶部分的功耗，以及PA的靜態(tài)功耗，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該方案適用于話務(wù)潮汐較為明顯的CBD地區(qū)，如車站、學(xué)校等規(guī)模較大、人口較多的生活小區(qū)。同時小區(qū)配置必須至少為2載頻以上。

2.2 智能時隙關(guān)斷技術(shù)

智能時隙關(guān)斷技術(shù)是通過硬件或軟件控制實現(xiàn)基于時隙業(yè)務(wù)負(fù)荷的PA偏置開關(guān)調(diào)整，PA偏置開關(guān)調(diào)整王要是控制PA的偏置電壓，以控制PA的偏置電流。當(dāng)BTS時隙處于空閑狀態(tài)時，功放仍然有靜態(tài)電流存在，需要消耗一定的功率。PA偏置關(guān)斷功能是在無射頻信號的時隙，將PA的偏置電壓關(guān)閉，使該時隙的功放無靜態(tài)電流。在有信號的時隙，將PA的偏置電壓打開，功放正常工作。PA可以只在有話務(wù)的時隙發(fā)射功率，沒有話務(wù)的時隙沒有功率損耗。這樣無話務(wù)負(fù)荷的時隙PA部分的功耗將為零，基于時隙的PA關(guān)斷可以做到各個時隙功放單獨開關(guān)，從而最大限度的實現(xiàn)功放節(jié)能目標(biāo)。

2.3 供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

通信電源系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)換的損耗，濾波的能量消耗使得電網(wǎng)波形失真，降低電網(wǎng)實際負(fù)荷能力，增加損耗。諧波的危害是容易引起組件附加損耗和發(fā)熱，降低設(shè)備使用壽命等，因此通過改善供電質(zhì)量及降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。

開關(guān)電源休眠技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的電流負(fù)荷情況和當(dāng)前整流模塊的工作狀況，通過軟開關(guān)技術(shù)，在保證系統(tǒng)安全的條件下，自動調(diào)整工作整流模塊的數(shù)量，在負(fù)荷較小時，使部分模塊處于休眠狀態(tài)，把整流模塊調(diào)整到最佳負(fù)載效率下工作，從而降低系統(tǒng)的帶載損耗和空載損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

通信機房的空調(diào)系統(tǒng)占到通信機房總耗能的 40%左右?？照{(diào)系統(tǒng)是保障通信設(shè)備正常運行的關(guān)鍵，在機房節(jié)能減排方案中，空調(diào)的節(jié)能是機房節(jié)能減排的重點。下面介紹幾種機房空調(diào)節(jié)能的相關(guān)技術(shù)。

（1）變頻技術(shù)

普通機房空調(diào)的壓縮機不會隨機房內(nèi)設(shè)備的熱負(fù)荷變化而產(chǎn)生變化，而機房專用空調(diào)主機變頻節(jié)能技術(shù)通過改變頻率，調(diào)整壓縮機功率，一方面降低了開關(guān)(壓縮機啟/停)損耗，由于它的壓縮機不會頻繁開啟，會使壓縮機保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這可以使空調(diào)整體達(dá)到節(jié)能的效果，同時，這種技術(shù)還可以減少噪聲，并延長空調(diào)的使用壽命。利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大不會超過額定電流值，從而減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，同時濾波電容的作用，提高了功率因素，減少了無功損耗。

（2）新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)

新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)是利用機房室外的自然環(huán)境為冷源，當(dāng)室外空氣溫度比室內(nèi)低一定程度時，依靠通風(fēng)將室內(nèi)的熱量帶走實現(xiàn)室內(nèi)散熱，從而達(dá)到降低室內(nèi)空氣的溫度，同時通過將正壓將部分空氣從排風(fēng)口帶走，降低機房內(nèi)部溫度，減少空調(diào)使用時間，延長了空調(diào)的使用壽命。通信機房內(nèi)空氣溫度低于室外溫度，并不能說明新風(fēng)系統(tǒng)一定能夠運行，這取決于室內(nèi)外溫度的差值情況。如果在室內(nèi)外溫度差范圍不大的情況下開啟新風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)溫度可能不會降低，同時由于空調(diào)頻繁啟動會給空調(diào)帶來傷害。因此在采用新風(fēng)節(jié)能技術(shù)時，要分析好室內(nèi)外溫度、濕度等取值范圍的合理性，以能更好的采用該技術(shù)實現(xiàn)通信機房的節(jié)能減排。

（3）空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)能技術(shù)

隨著基站數(shù)量不斷增加，并且有很多基站是建設(shè)在偏遠(yuǎn)山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)山村，環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，由于站點的分散，很多基站都是無人值守的。而空調(diào)作為保障基站設(shè)備正常運行的關(guān)鍵設(shè)備，其正常運行非常關(guān)鍵。因此實施空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控來降低空調(diào)耗能，對機房的節(jié)能減排具有一定效果。

空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過對機房內(nèi)的空調(diào)安裝監(jiān)控接口板，利用SR設(shè)備將空調(diào)信息傳送給機房終端，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集，通過遠(yuǎn)程控制來實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能。

3 節(jié)能減排方案

如上文所述，結(jié)合圖2所示機房設(shè)備能耗分析，本文主要從主設(shè)備、空調(diào)及電源、建筑三個方面出發(fā)[5]，對現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)和方案進(jìn)行綜合評估，為開展基站節(jié)能減排做參考。

圖2 3G基站通信機房設(shè)備節(jié)能分析圖

（1）主設(shè)備-采用智能載波調(diào)整技術(shù)

系統(tǒng)閑時，如果扇區(qū)負(fù)荷輕，則自動關(guān)閉扇區(qū)指定部分載頻，以達(dá)到省電的目的，系統(tǒng)至少保留一個基礎(chǔ)頻點，供用戶使用，如果要閉塞的載頻上有用戶，系統(tǒng)會等用戶結(jié)束通話后，閉塞載頻，在此期間，此載頻不能接入新的用戶。如果扇區(qū)負(fù)荷重，為了避免擁塞，則自動解閉扇區(qū)下自動關(guān)閉的載頻，扇區(qū)的負(fù)荷門限可配置。應(yīng)用時要注意衡量對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和業(yè)務(wù)體驗的影響，試點應(yīng)先避開話務(wù)敏感基站，再根據(jù)應(yīng)用情況考慮是否推廣。該技術(shù)尚未在中國電信移動網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，目前處于試點階段。節(jié)約化建設(shè)，采用 BBU+RRU模式。搭理推廣分布式基站的建設(shè)，把基站分為基帶單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)模塊(RRU)兩部分，該種建網(wǎng)方式可以采用自然散熱技術(shù)，安裝UPS，無需安裝空調(diào)設(shè)備、電源設(shè)備和蓄電池，大大節(jié)省能耗，可以廣泛用于新建基站。

（2）空調(diào)及電源設(shè)備-采用空調(diào)節(jié)電器

空調(diào)節(jié)電器一方面通過擴大空調(diào)開啟溫度范圍，達(dá)到降低空調(diào)啟停頻率，減少空調(diào)瞬時電流從而節(jié)約能耗的目的;另一方面通過調(diào)整空調(diào)啟停溫度控制點降低空調(diào)工作時長達(dá)到節(jié)能的目的。適用范圍∶應(yīng)用于采用舒適型空調(diào)的基站機房中在壓縮機制冷量不足的情況下，不適于采用智能空調(diào)節(jié)電器控制。空調(diào)添加劑是一種含有抗氧化物、潤滑性強并和制冷劑兼容的液態(tài)產(chǎn)品，在空調(diào)冷凍油中加注添加劑后，可以對空調(diào)實施內(nèi)部清洗，提高壓縮機的潤滑性能，防止空調(diào)內(nèi)部組件氧化，從而提高空調(diào)效率。適用范圍∶適用于使用壽命3年以上的空調(diào)，對于使用年限超過10年的空調(diào)，空調(diào)臨近報廢，不建議再使用空調(diào)添加劑變頻/數(shù)碼蝸旋節(jié)能空調(diào)變頻空調(diào)以及數(shù)碼蝸旋空調(diào)通過根據(jù)外界環(huán)境需要調(diào)整壓縮機工作狀態(tài)來達(dá)到降低壓縮機工作負(fù)荷，從而達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。適用范圍∶適用于所有安裝空調(diào)的基站。

新風(fēng)一體化空調(diào)：外界溫度下降到能夠滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求時，通過微處理控制器使壓縮機停止工作，并自動開啟電動排氣閘，引入外部冷空氣進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度的控制，以達(dá)到設(shè)計要求此時，蒸發(fā)器風(fēng)扇工作，壓縮機及冷凝器風(fēng)扇處于停止工作狀態(tài)。因此，大大節(jié)省了能源。適用范圍∶適用于低溫時間較長，通風(fēng)條件較好，空氣質(zhì)量好的地區(qū)(如夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)等)。開關(guān)電源設(shè)備自動節(jié)能控制功能。開關(guān)電源休眠節(jié)能技術(shù)”通過將冗余配置的整流模塊調(diào)整為“休眠”狀態(tài)，減小空載損耗并提高剩余模塊的負(fù)載率，使工作的整流模塊運行于最佳效率點附近，從而提高了開關(guān)電源系統(tǒng)的運行效率、減少了能耗，達(dá)到節(jié)能的目的克服傳統(tǒng)N+1冗余模式下低負(fù)載率，效率低的問題。該休眠技術(shù)不同于傳統(tǒng)的僅關(guān)閉模塊DC/DC的“遙控關(guān)機”功能，而是通過在整流模塊內(nèi)增設(shè)直流側(cè)輔助電源，使其在休眠時能夠完全關(guān)閉功率電路(包括DC/DC及AC/DC)，從而使休眠模塊達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)開關(guān)電源休眠節(jié)能技術(shù)。目前在電信行業(yè)有應(yīng)用，取得了較好節(jié)能效果，節(jié)能效果顯著，節(jié)能率可以達(dá)到6%-15%，節(jié)能效益較為可觀。

（3）建筑-采用智能通風(fēng)和智能換熱技術(shù)

智能通風(fēng)是根據(jù)空氣動力學(xué)的原理，在機房相對的兩面墻壁上按不同的高度開安裝出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境滿足開啟條件時，啟動風(fēng)機，不斷的引入低溫的室外空氣，排出高溫的室內(nèi)空氣，從而達(dá)到降溫節(jié)能的目的。通風(fēng)設(shè)備通常在室外溫度較低的時候才能工作，對基站所在地區(qū)的空氣質(zhì)量與環(huán)境狀況要求較高。在溫和地區(qū)，空調(diào)能耗平均降低30%左右該項技術(shù)較成熟，主要適用于基站常年室內(nèi)外溫差較大(建議在 8℃以上)，通風(fēng)條件比較好，空氣質(zhì)量好的地區(qū)不宜在外部環(huán)境和空氣質(zhì)量較差的地區(qū)安裝，如灰塵較大的道路和工廠旁，海邊或空氣污染較重的地區(qū)。智能換熱是由兩套獨立的循環(huán)風(fēng)道組成，室外冷空氣經(jīng)過管道，進(jìn)入室內(nèi)換熱器與強制循環(huán)流動的室內(nèi)熱空氣通過特制形狀的金屬換熱芯體進(jìn)行熱量交換，從而降低室內(nèi)溫度。該技術(shù)的關(guān)鍵部件是換熱芯體，又稱為能量回收裝置，室外空氣不進(jìn)入機房，在換熱芯體內(nèi)完成熱交換作用常用的回收裝置有∶金屬壁換熱器、熱管換熱器、轉(zhuǎn)輪式換熱器、靜止型板翅式換熱器等。其中靜止型板翅式換熱器因換熱效率較高，應(yīng)用較多。使用該技術(shù)對機房環(huán)境沒有影響，但節(jié)電效率較低。在溫和地區(qū)，空調(diào)能耗平均降低 15%左右智能換熱設(shè)備適用于基站常年室內(nèi)外溫差大(建議在10℃以上)，空氣質(zhì)量較差的地區(qū)。機房升溫十蓄電池恒溫技術(shù)?；緳C房內(nèi)對溫度最敏感就屬蓄電池了，在一定條件下，可以專門針對蓄電池加以保護(hù)，針對蓄電池的不耐溫的特點，將電池裝入恒溫箱，可使箱內(nèi)電池溫度恒定在25℃，提升機房的溫度(如機房的溫度整體提升到30℃)，消耗的電能較之前會大幅下降基站電池恒溫箱的箱體能夠能根據(jù)電池的形狀可以靈活組合，方便安裝和改造。適用范圍∶對空調(diào)制冷能耗較大的夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)以及溫和地區(qū)效果較好。

4 結(jié)束語

能減排是一個復(fù)雜的綜合性工程備需要節(jié)能降耗外，還應(yīng)改進(jìn)組網(wǎng)方式，除了基站設(shè)綜合考慮各節(jié)節(jié)點的環(huán)境節(jié)能減排，并制定、執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)一步有效地降低整體網(wǎng)絡(luò)的能耗量，實現(xiàn)低碳、綠色環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。

本文首先介紹基站能耗分析、節(jié)能減排可行性分析與發(fā)展趨勢，然后對節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了綠色節(jié)能研究，并提出了節(jié)能減排方案。通過對大量基站節(jié)能減排管理和維護(hù)的實踐證明，方案簡單可行，效果理想。

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