5G基站如何節(jié)能減排

■文/曾昭才

5G 網(wǎng)絡的載波頻率比4G 網(wǎng)絡的載波頻率高，然而，頻率越高，電磁波的衰減越大，這意味著5G 基站比4G 基站的信號覆蓋半徑小。要達到與4G 網(wǎng)絡相同的覆蓋范圍，5G 基站的布局密度要更大，而5G 單個站點功耗遠比4G 單個站點功耗要高。那么，如何建設5G 綠色網(wǎng)絡才能達到降低成本、節(jié)能減排的目的？

2019年6月6日，工信部正式向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通及中國廣電發(fā)放5G 商用牌照，這標志著我國移動通信正式邁入5G 時代。5G 技術(shù)的商用帶來了新一輪大規(guī)模網(wǎng)絡建設。工信部統(tǒng)計顯示，截至2020年10月，我國已累計建設5G 基站超過70 萬個，5G 終端連接數(shù)超過1.8 億個。

5G 網(wǎng)絡有著大帶寬、低時延、廣連接的特點。然而，5G 帶來的新機遇與挑戰(zhàn)并存。為了達到與4G 網(wǎng)絡相同的覆蓋范圍，高頻率的5G站點布局密度需要更大。但是，5G 單個站點的功耗遠比4G 單個站點功耗要高，更大密度的站點布局意味著耗能大大增加。5G 基站網(wǎng)絡設備采用“AAU+BBU”架構(gòu)：AAU 為射頻部分，是由射頻單元和天線整合的有源天線單元；BBU 是基帶處理單元。在傳統(tǒng)宏基站功耗構(gòu)成中基站主設備功耗占比最高，而射頻部分的功耗又占了主設備功耗的90%。由此可見，基站節(jié)能是無線網(wǎng)節(jié)能降耗的基礎。

設備節(jié)能

為了滿足5G 發(fā)展需求，5G 設備需求量巨大。移動通信網(wǎng)絡業(yè)務存在明顯的潮汐效應，在時間、空間上均呈現(xiàn)出忙閑不均的特征，高峰時段是低谷時段的4 ～5 倍，甚至更大。盡管網(wǎng)絡業(yè)務忙閑不均，但是5G 設備一直處于運行狀態(tài)，每月電費成本較高。不過，也正是無線網(wǎng)業(yè)務這種潮汐效應的特征，為節(jié)能技術(shù)的應用提供了可能。

●符號智能關(guān)斷

5G 基站設備中，AAU 的射頻器件在沒有信號輸出時，也會產(chǎn)生靜態(tài)能耗。符號智能關(guān)斷功能可以通過對業(yè)務數(shù)據(jù)量的監(jiān)控，在沒有有效數(shù)據(jù)發(fā)射時，智能調(diào)節(jié)功放系數(shù)或者關(guān)閉功放電源可以達到節(jié)能目的。

當AAU 檢測到部分下行符號無數(shù)據(jù)發(fā)送時，在此周期內(nèi)關(guān)閉功放等射頻硬件，可以降低靜態(tài)功耗；當AAU 檢測到有數(shù)據(jù)發(fā)送時，功放立即進入工作狀態(tài)。符號關(guān)斷功能反應時間為微秒級，對用戶感知影響很小。符號關(guān)斷主要適用于低負荷場景，基站根據(jù)業(yè)務量的變化，判斷子幀是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，實現(xiàn)智能化符號關(guān)斷。智能符號關(guān)斷技術(shù)的引入既可以降低設備功耗又能保證數(shù)據(jù)傳送的完整性。

●通道智能關(guān)斷

通道智能關(guān)斷是指系統(tǒng)監(jiān)測到在某段特定時間小區(qū)用戶數(shù)較少的時候，關(guān)閉設備一定比例的發(fā)射通道。由于通道智能關(guān)斷功能在用戶減少的情況下關(guān)閉通道，基本不會影響用戶感知。

通道智能關(guān)斷的特性十分適用于64 通道的AAU 設備，基于業(yè)務量的變化，適時休眠部分射頻通道可以達到降低功耗的目的。當基站業(yè)務量增加時，打開已關(guān)閉的通道，即可恢復多通道狀態(tài)。

通道智能關(guān)斷應基于用戶覆蓋和容量的需求，動態(tài)實現(xiàn)最佳的通道關(guān)閉策略。選站準則應最大限度降低對用戶感知的影響，實施小區(qū)應滿足兩個條件：一是城市邊緣、高鐵、校園教學區(qū)和宿舍區(qū)等潮汐效應明顯的小區(qū)；二是針對郊區(qū)農(nóng)村，無線資源利用率7 天平均低于10%的小區(qū)。

●深度休眠

基站關(guān)閉AAU 功放、絕大部分射頻以及數(shù)字通道，僅保留最基本的數(shù)字接口電路，使AAU 進入深度休眠狀態(tài)以達到降低功耗的目的（見圖1）。

圖1 基站深度休眠示意圖

深度休眠適用于5G 負荷不高的場景或者時段，深度休眠主要用于室分覆蓋站點，特別是商場、地鐵等典型潮汐場景。在業(yè)務空閑時，天線設備進入深度休眠模式，關(guān)閉功放、絕大部分射頻以及數(shù)字通道。當有業(yè)務請求或到達深度休眠終止時間的時候，設備恢復正常運行狀態(tài)。當宏基站沒有承載業(yè)務或到達深度休眠啟動時間時，AAU 啟動深度休眠，響應時間為秒級；當宏基站檢測到有業(yè)務請求時，AAU 自動從深度休眠恢復，恢復時間需要5 ～10分鐘。

深度休眠技術(shù)有利有弊，當設備啟動深度休眠時，雖然能減少基站功放能耗，但在一定程度上影響了用戶感知，需謹慎應用。

站點節(jié)能

站點節(jié)能關(guān)注的是整個基站的布局情況，一個好的基站布局能夠有效減少基站機房能耗，基站的外電配套與制冷系統(tǒng)在節(jié)能方面有著很大的挖掘空間。

●直供電改造

5G 網(wǎng)絡的載波頻率比4G 網(wǎng)絡的載波頻率高，而頻率越高，電磁波的衰減越大，這意味著5G 基站比4G 基站的信號覆蓋半徑小。要達到與4G 網(wǎng)絡相同的信號覆蓋范圍，5G 網(wǎng)絡需要建設更多數(shù)量的基站。這在基站選址上無疑增加了困難，受到設備安裝環(huán)境的限制，不免要尋求私人業(yè)主或者小區(qū)物業(yè)的幫助，從小區(qū)取電，而這些轉(zhuǎn)供電的電價普遍要比直供電電價高。直供電改造可以解決上述問題，直供電是指供電局直接供電，供電局直接向用電方收取費用。直供電改造是將轉(zhuǎn)供電改造成直供電，經(jīng)直供電改造后，電費單價下降明顯。

●智能電表和用電綜合管理系統(tǒng)

5G 基站安裝智能電表，加強基站用電管理，建立能夠?qū)χ悄茈姳韺嵤┻h程數(shù)據(jù)收集、抄收、檢測的用電綜合管理系統(tǒng)。通過管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析、分類整理，形成相應的管理報表，同時制定有針對性的用電管理制度，以達到節(jié)能降費的目的。

通過智能電表建立用電綜合管理系統(tǒng)，可以依據(jù)得到的數(shù)據(jù)建立5G 基站電量規(guī)律模型，該模型可以達到3 個目的：一是準確統(tǒng)計現(xiàn)有5G 基站能耗數(shù)據(jù)，監(jiān)控站點能耗情況，找出并分析能耗發(fā)生異常變化的5G 基站；二是測試、評估站點所采用的各種節(jié)能技術(shù)帶來的實際節(jié)能效果；三是通過不同場景建立相應模型，可以分析得到不同場景下最優(yōu)的節(jié)能措施和方法，作為5G 基站節(jié)能減排方案和降低公司成本提供決策的依據(jù)。

●制冷系統(tǒng)

基站配套節(jié)能也屬于站點級節(jié)能的一環(huán)，基站配套能耗主要占比是制冷系統(tǒng)，基站通信設備的功耗受環(huán)境溫度和業(yè)務負荷的影響。通常，環(huán)境溫度越高，器件的漏電流越大，基站的功耗也隨之增加。制冷系統(tǒng)目的就是讓基站通信設備保持在正常的工作溫度，保障通信設備在恒溫下運行，不因為溫度過高而宕機。

目前，基站主要還是采用傳統(tǒng)的空調(diào)制冷方式。為了排出機房內(nèi)的熱量，基站空調(diào)幾乎需要全天不間斷運行，空調(diào)耗電量非常大，占整個基站能耗的四成左右，降低制冷系統(tǒng)的能耗是基站配套節(jié)能的關(guān)鍵點。

現(xiàn)有基站的空調(diào)應該優(yōu)先選擇中國消費者協(xié)會認可的高能效指標空調(diào)，如采用二級能效空調(diào)作為節(jié)能空調(diào)。同時，機房可以考慮引入智能新風系統(tǒng)，以風機抽入室外新鮮冷空氣，經(jīng)凈化處理后直接引入機房，為機房降溫，降低機房對空調(diào)的需求。

制冷系統(tǒng)可以進一步考慮使用新能源，如太陽能、風能、液冷降溫等，引入新能源能有效減少碳排放，是企業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展的有效途徑。目前，新能源行業(yè)發(fā)展迅速，可以預見，不久以后新能源行業(yè)有望在基站節(jié)能方面大放光彩。

網(wǎng)絡節(jié)能

網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)主要從網(wǎng)絡架構(gòu)思考節(jié)能方案，一個好的網(wǎng)絡架構(gòu)有助于降低無線接入網(wǎng)的能耗、建設和運維成本，實現(xiàn)運營商的可持續(xù)的業(yè)務和利潤增長。

●集中式無線接入網(wǎng)

集中式無線接入網(wǎng)（C-RAN）是根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡條件和技術(shù)進步的趨勢所提出的新型無線網(wǎng)架構(gòu)，也是一種基于集中化處理的綠色無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

采取C-RAN 方式集中部署B(yǎng)BU 設備，可以減少機房數(shù)量及其配套設備（如空調(diào)、備用電池），實現(xiàn)降低能耗的目標。在C-RAN 網(wǎng)絡架構(gòu)下，射頻單元AAU 可以在室外直接部署安裝，BBU 集中放置在機房里實現(xiàn)資源共享，這樣可以大大減少對基站中心機房和基站配套的需求，從而降低整個無線接入網(wǎng)絡的部署成本。同時，由于基帶處理設備集中放置，能夠減少基站維護成本，方便維護人員管理。網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)主要從網(wǎng)絡架構(gòu)思考節(jié)能方案，一個好的網(wǎng)絡架構(gòu)有助于降低無線接入網(wǎng)的能耗、建設和運維成本，實現(xiàn)運營商的可持續(xù)的業(yè)務和利潤增長。

●接入網(wǎng)虛擬化

接入網(wǎng)虛擬化是集中式無線接入網(wǎng)的延伸演進，是比BBU 池組化更大的概念。接入網(wǎng)虛擬化是指除了基站射頻外，其他設備均實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的虛擬化部署和編排。

采用網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）技術(shù)將網(wǎng)絡功能轉(zhuǎn)換到虛擬機中，容易實現(xiàn)資源的分配與分離，實現(xiàn)軟件功能與硬件能力的解耦，從而支撐5G網(wǎng)絡切片。不同業(yè)務按需使用不同的虛擬網(wǎng)絡功能（VNF），可以根據(jù)不同業(yè)務負荷靈活配置處理能力，同時還可以根據(jù)時延的需求將網(wǎng)絡功能設置在邊緣虛擬機或是核心虛擬機。

接入網(wǎng)虛擬化能夠大大減少機房數(shù)量，減少電力消耗，降低成本和運行維護開支。同時，基帶資源共享能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的網(wǎng)絡負載均衡。

5G 基站建設數(shù)量還將持續(xù)增加，在節(jié)能減排方面有大量可挖掘的空間。在我國“雙碳”目標下，5G 基站節(jié)能減排更是迫在眉睫。這就需要我們對基站節(jié)能技術(shù)不斷探索，敢于嘗試，去建設一張綠色可持續(xù)發(fā)展的高性能5G 網(wǎng)絡。