基站節(jié)能降耗實踐探討

王金明（中國聯(lián)通天津分公司，天津 300000）

1 概述

移動網(wǎng)絡(luò)無線信號覆蓋包括室外宏基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)。每天不同時間段的用戶數(shù)量有差異，尤其是5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)初期，在網(wǎng)活躍用戶量少，5G 基站設(shè)備在凌晨多處于空閑耗能狀態(tài)。許多商超、商務(wù)辦公樓宇的室內(nèi)用戶數(shù)量具有潮汐式變化的特點。這些網(wǎng)絡(luò)負荷的變化情況，為閑時關(guān)停基站設(shè)備提供了基礎(chǔ)條件。

為落實低碳運營、提高網(wǎng)絡(luò)運行效能工作要求，天津聯(lián)通在保障網(wǎng)絡(luò)健康運行的同時，擴展降本增效途徑，發(fā)揮現(xiàn)有4G/5G基站高度智能化的優(yōu)勢，運用網(wǎng)優(yōu)平臺的大數(shù)據(jù)，深度挖掘現(xiàn)有KPI 指標與用戶感知波動關(guān)聯(lián)性，探索建立節(jié)電體系。

節(jié)電體系是開展節(jié)電工作各環(huán)節(jié)的綜合體，包括掌握不同基站設(shè)備的能耗、獲取和分析無線網(wǎng)基站運行指標數(shù)據(jù)、根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定不同基站場景的節(jié)電手段和關(guān)停時間。

其中數(shù)據(jù)分析是基礎(chǔ)，用于篩選基站業(yè)務(wù)負荷在不同時間段的變化趨勢，根據(jù)變化趨勢預(yù)測有用戶和沒有用戶的時間段，將基站可節(jié)電時間段分為有用戶的自主節(jié)電時間段和沒有用戶的定時關(guān)停任務(wù)時間段。在節(jié)電實踐中，數(shù)據(jù)分析的粒度從初期的天和小時級別，提升到15 min 級別。能夠更加貼近用戶，降低定時關(guān)停任務(wù)對用戶的影響。

節(jié)電方式有軟關(guān)斷節(jié)電技術(shù)和硬關(guān)斷節(jié)電技術(shù)，軟關(guān)斷是無線網(wǎng)設(shè)備自身的軟件節(jié)能技術(shù)，包括符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷以及小區(qū)閉鎖和深度睡眠。硬關(guān)斷是在基站設(shè)備的供電線路上安裝供電控制開關(guān)，有可以聯(lián)網(wǎng)遠程控制分閘合閘讀取電壓電流數(shù)值的智能關(guān)斷開關(guān)，還有定時器開關(guān)等。依據(jù)基站業(yè)務(wù)負荷變化趨勢的分析結(jié)果，在每天的自主節(jié)電時間段和定時關(guān)停任務(wù)時間段，采取不同的節(jié)電技術(shù)，達到保障網(wǎng)絡(luò)健康運行，為用戶提供優(yōu)質(zhì)通信服務(wù)的同時，降低基站設(shè)備的能耗。

確定基站設(shè)備采用哪種節(jié)電方式和定時關(guān)停任務(wù)的時間稱為輸出節(jié)電策略。天津聯(lián)通在節(jié)電實踐中，探索實施組合的節(jié)電策略。即所有基站全天開啟符號關(guān)斷節(jié)電方式，在結(jié)合設(shè)備型號支持節(jié)電功能的基礎(chǔ)上，對覆蓋商業(yè)街、大型商超的4G 多通道基站部署了通道關(guān)斷節(jié)電方式。對覆蓋地鐵、高校、大型場館的4G 多載波基站部署了載波關(guān)斷節(jié)電方式。在預(yù)測沒有用戶的時間段，5G 基站有2 種節(jié)電方式，一種是深度睡眠節(jié)電，另一種是智能關(guān)斷節(jié)電，選擇哪種方式取決于基站是否安裝了智能關(guān)斷設(shè)備。

智能關(guān)斷設(shè)備可以根據(jù)在網(wǎng)用戶數(shù)量靈活調(diào)整基站發(fā)射功率，當(dāng)大量用戶使用網(wǎng)絡(luò)時，基站滿功率發(fā)射；當(dāng)少量用戶使用網(wǎng)絡(luò)時，自主降低基站發(fā)射功率，增加基站設(shè)備低功耗運行時間。在預(yù)測沒有用戶使用網(wǎng)絡(luò)的時間段，5G 基站執(zhí)行定時關(guān)停任務(wù)。此時，用戶的手機自動脫離5G網(wǎng)絡(luò)進入4G基礎(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)，此時覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶少，4G基礎(chǔ)層的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足用戶的需求，從而使5G 設(shè)備處于低功耗運行狀態(tài)，達到節(jié)電目的。

2 實施基站節(jié)電的難點分析

截至2021 年10 月份，天津聯(lián)通在網(wǎng)4G 基站小區(qū)數(shù)量達9.2 萬，5G 基站小區(qū)數(shù)量達1.3 萬，每天的小時粒度數(shù)據(jù)量達250 多萬條。如果沒有程序運算，就不能有效及時更新基站的忙閑時間，不能為實施定時關(guān)停任務(wù)決策提供依據(jù)。

此外，無線網(wǎng)覆蓋范圍廣，易受天氣、節(jié)假日、突發(fā)事件等環(huán)境因素影響，主管人員必須時刻關(guān)注網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化，參考網(wǎng)絡(luò)指標數(shù)據(jù)，及時調(diào)整節(jié)電策略。再次，增加智能關(guān)斷節(jié)電設(shè)備后，增加了故障點，增加了維護工作量，需要及時將設(shè)備狀態(tài)納入日常的監(jiān)控管理。最后，基站和室分的供電環(huán)境各不相同，需要物業(yè)協(xié)調(diào)的站點多，增大了安裝智能關(guān)斷設(shè)備、定時器開關(guān)的施工難度。

3 無線網(wǎng)基站節(jié)能體系化實踐

運營商不能為了提升網(wǎng)絡(luò)運行效能而降低網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，需要通過精細的節(jié)電管理，做到節(jié)電不斷網(wǎng)，降低對用戶的影響。在實踐中，應(yīng)發(fā)揮中國聯(lián)通多載波基站重疊覆蓋的優(yōu)勢，確定可以實施節(jié)電的基站。在設(shè)備定位分析、用戶行為分析、科學(xué)預(yù)測關(guān)停時間基礎(chǔ)上，綜合運用多種節(jié)電方式，在保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知的前提下，減少基站空載時間，達到低碳網(wǎng)絡(luò)運營的目標。

3.1 基站設(shè)備分析

3.1.1 4G基站網(wǎng)絡(luò)分層

實施節(jié)電措施時，必須要了解基站設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而掌握節(jié)電措施對用戶的影響有多大。天津聯(lián)通把4G基站按頻段和覆蓋能力劃分為基礎(chǔ)層、覆蓋層和容量層。考慮不同頻率基站設(shè)備的覆蓋穿透能力，規(guī)定L900M 是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層，市區(qū)L2100M 是網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，因為大部分2100M是3G/4G共模設(shè)備，需要滿足語音服務(wù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求；郊區(qū)L1800M 穿透力強，覆蓋范圍廣，是網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，僅采用符號關(guān)斷節(jié)電方式，不能實施定時關(guān)?；镜墓?jié)電方式。

通過以上設(shè)備定位分析，確定市區(qū)的L1800M、郊區(qū)的L2100是網(wǎng)絡(luò)容量層，不僅可以部署軟關(guān)斷節(jié)電，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)量預(yù)測結(jié)果在定時關(guān)停任務(wù)時間段部署小區(qū)閉鎖或者硬關(guān)斷節(jié)電，降低基站設(shè)備能耗。

3.1.2 室分設(shè)備分析

室分用戶行為呈現(xiàn)規(guī)律的潮汐現(xiàn)象。在室分設(shè)備低負荷運行時，可以部署定時關(guān)停任務(wù)降低設(shè)備能耗。在節(jié)能實踐中，因為用戶在室內(nèi)使用網(wǎng)絡(luò)時對網(wǎng)絡(luò)的語音質(zhì)量和網(wǎng)速比較敏感，為避免用戶投訴的負面影響，需要分析連續(xù)一周的室分業(yè)務(wù)量指標，預(yù)測準確的無用戶時間段（見表1）。

表1 室分設(shè)備空閑時間分析

3.2 預(yù)測關(guān)停時間

能耗管理需要掌握4G/5G 基站小區(qū)的工參表、覆蓋場景類別等資料，篩選分析4G/5G 基站小區(qū)的KPI指標在各時段的數(shù)值，以預(yù)測無用戶時間段。數(shù)據(jù)指標包括小區(qū)內(nèi)的最大用戶數(shù)、下行PRB 平均利用率、空口下行業(yè)務(wù)字節(jié)數(shù)等主要指標。每天的數(shù)據(jù)量超200萬條，依靠手工方式不能完成。

天津聯(lián)通依托IT 自研開發(fā)能力，在無線路測智能分析系統(tǒng)中研發(fā)了“可關(guān)停節(jié)能小區(qū)分時表”程序。通過后臺數(shù)據(jù)計算，預(yù)測基站設(shè)備的定時關(guān)停任務(wù)時間段，給制定節(jié)能策略提供了關(guān)鍵參考。

在自研過程中，初期設(shè)想利用Python 腳本語言每天自動獲取基站能耗數(shù)據(jù)，并通過人工制定的規(guī)則編寫算法規(guī)則，利用Python 自動化處理每個小區(qū)的節(jié)點方案。試行一段時間后，發(fā)現(xiàn)此種方法會固化判定方式，不能根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)及時調(diào)整節(jié)能策略，因此采用大數(shù)據(jù)AI 智能判斷方式，基于時間序列的節(jié)電算法，按照時間維度對節(jié)電小區(qū)的數(shù)據(jù)進行分析，將采集到的基站的耗電量數(shù)據(jù)進行清洗、預(yù)處理之后，分為周期性的規(guī)律模型、趨勢性的指標模型以及節(jié)假日、風(fēng)俗等隨機性模型，再將3個模型進行融合，設(shè)計出時序策略算法，對影響小區(qū)能耗的基站數(shù)據(jù)、小區(qū)資源數(shù)據(jù)、小區(qū)感知數(shù)據(jù)、MR 覆蓋、投訴告警等進行綜合分析，篩選出與能耗關(guān)聯(lián)度較高的數(shù)據(jù)，通過算法迭代更新，輸出節(jié)電算法模型。

在數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計與分析的實踐中，會遇到某個時段缺失數(shù)據(jù)的情況，這在大部分數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中都很常見。需要用到Python 的pandas 工具來處理缺失數(shù)據(jù)，并通過布爾型索引過濾缺失數(shù)據(jù)。

3.3 節(jié)電方式與實施

3.3.1 符號關(guān)斷、載波關(guān)斷和通道關(guān)斷

符號關(guān)斷是針對LTE 發(fā)送數(shù)據(jù)的不同符號進行的，對不發(fā)送數(shù)據(jù)的符號進行關(guān)閉，可以有效降低功耗。該功能對網(wǎng)絡(luò)沒有影響，且全天可生效，節(jié)能效果較好?；鞠到y(tǒng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)情況進行判斷，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時關(guān)閉PA。

通道關(guān)斷是針對多通道的LTE 載波，在閑時用戶少的時候，可以關(guān)閉一半的通道數(shù)，以降低功耗。由于關(guān)閉通道后會影響業(yè)務(wù)速率和覆蓋效果，因此需進行一系列判斷，避免對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。設(shè)備門限參數(shù)包括上/下行RPB 利用率門限、上/下行RPB 利用率偏置、用戶數(shù)量、判斷周期和保護時間等。

在能耗管理實踐中，天津聯(lián)通將LTE 載波上/下行PRB利用率門限設(shè)置為10%，將偏置設(shè)置為20%，將判斷周期設(shè)置為20 s，將保護時間設(shè)置為開啟后30 min內(nèi)不可關(guān)閉。

載波關(guān)斷是雙頻組網(wǎng)時，2 個頻段的載波共同覆蓋一片區(qū)域（同經(jīng)緯度和方向角），當(dāng)話務(wù)量低時，該覆蓋區(qū)域的話務(wù)可以由低頻單一載波吸收，此時可以關(guān)閉高頻載波，達到節(jié)省靜態(tài)和動態(tài)功耗的目的。

在實踐中，天津聯(lián)通將LTE載波上/下行PRB利用率門限設(shè)置為14%，將偏置設(shè)置為6%，將判斷周期設(shè)置為5 s。將保護時間設(shè)置為開啟后30 min 內(nèi)不可關(guān)閉。

3.3.2 小區(qū)閉鎖和深度睡眠

小區(qū)閉鎖（華為網(wǎng)管指令名稱為去激活）和深度睡眠是無線網(wǎng)設(shè)備自身的軟件節(jié)能技術(shù)。小區(qū)閉鎖用于4G 基站設(shè)備節(jié)電，深度睡眠用于5G 基站節(jié)電。通過華為和中興網(wǎng)管軟件控制定義機制，執(zhí)行閉鎖的指令和休眠開關(guān)。開啟小區(qū)閉鎖和深度睡眠功能后，基站不能為用戶提供通信服務(wù)。

實踐中要校驗執(zhí)行小區(qū)閉鎖和深度睡眠節(jié)點方式是否成功。每天定時任務(wù)結(jié)束后，需要查詢網(wǎng)管告警，檢查是否有未恢復(fù)業(yè)務(wù)的基站。

3.3.3 智能關(guān)斷

智能關(guān)斷是物聯(lián)網(wǎng)定時開關(guān)，可遠程設(shè)定自動關(guān)斷和開啟時間，設(shè)定的時間可靈活修改、支持多個時間段關(guān)停策略，可實現(xiàn)對機房的能耗智能監(jiān)測、用電管理及遠程控制，在線路和設(shè)備發(fā)生過載、短路的情況下對線路和用電設(shè)備進行保護。

智能關(guān)斷設(shè)備架構(gòu)包括網(wǎng)管平臺、基站側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和智能開關(guān)。網(wǎng)管平臺開通VPDN 數(shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，經(jīng)集團物聯(lián)網(wǎng)平臺，保持與基站智能關(guān)斷網(wǎng)關(guān)的通信傳輸，也有的智能關(guān)斷產(chǎn)品將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與智能開關(guān)集成在一個物理元件內(nèi)。

5G 基站有3 個扇區(qū)，每個基站安裝1 個網(wǎng)關(guān)和3個智能關(guān)斷開關(guān)，網(wǎng)關(guān)管理智能關(guān)斷開關(guān)，每個智能關(guān)斷開關(guān)控制1個扇區(qū)設(shè)備的供電。通過智能關(guān)斷網(wǎng)管可分別控制每個智能關(guān)斷開關(guān)，包括合閘、分閘、定時分閘、定時合閘、查詢能耗實時信息等。每個扇區(qū)單獨控制供電，在實踐中可以按扇區(qū)設(shè)置不同的關(guān)停時間。

智能關(guān)斷節(jié)電設(shè)備增加了故障點和維護工作量，需要及時將智能關(guān)斷的設(shè)備狀態(tài)納入日常監(jiān)控和故障管理。

2021 年，天津聯(lián)通已完成4 272 臺5G 基站智能關(guān)斷設(shè)備安裝，在節(jié)電時間段內(nèi)的節(jié)電率達100%。單站每天的節(jié)電量8.75 kWh。全部投入使用后，每月可以節(jié)省電費96萬元。

3.4 節(jié)能經(jīng)驗總結(jié)

符號關(guān)斷節(jié)電技術(shù)對用戶無影響，可以選擇全天部署使用。小區(qū)閉鎖和深度睡眠節(jié)電實施后用戶不能使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。新建基站入網(wǎng)即開啟符號關(guān)斷和深度睡眠功能。其次，安裝智能關(guān)斷設(shè)備是一項改造工程，各部門員工應(yīng)上下一心，主動協(xié)調(diào)物業(yè)、鐵塔公司等部門為施工創(chuàng)造便利條件，同時應(yīng)制定嚴格的安裝工藝標準。在制定關(guān)停時間策略時，要注意錯峰下電時間，即5G 基站不能在同一時間內(nèi)下電，否則會使5G用戶集中遷移到4G網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致核心網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)異常。

天津聯(lián)通節(jié)能實踐工作成果體現(xiàn)在以下幾方面。

a）自主研發(fā)KPI 數(shù)據(jù)分析程序，輸出可關(guān)停節(jié)能小區(qū)分時表。

b）將4G 網(wǎng)絡(luò)分為基礎(chǔ)層、覆蓋層、容量層，對容量層基站的預(yù)測無用戶時間段設(shè)置定時關(guān)停任務(wù)。

c）搶抓5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的時間點，快速安裝和實施智能關(guān)斷節(jié)電，節(jié)省電費支出。

節(jié)電工作經(jīng)濟效益顯著，2021 年1 月到6 月的節(jié)能收益達622萬元，具體如表2所示。

表2 2021年上半年節(jié)電收益測算

4 結(jié)束語

天津聯(lián)通在保障網(wǎng)絡(luò)健康運行的同時，提升網(wǎng)絡(luò)運營能力，主動擴展降本增效途徑。發(fā)揮4G/5G 無線網(wǎng)主設(shè)備自身軟件節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢，將符號關(guān)斷、通道關(guān)斷和載波關(guān)斷節(jié)電方式部署在自主節(jié)電時間段；依靠自主研發(fā)能力，開發(fā)“可關(guān)停節(jié)能小區(qū)分時表”程序，為實施定時關(guān)停任務(wù)節(jié)電策略提供數(shù)據(jù)支撐；在5G 基站節(jié)電中，勇于嘗試，在行業(yè)內(nèi)率先安裝物聯(lián)網(wǎng)智能關(guān)斷節(jié)電設(shè)備。通過打造節(jié)電體系，減少了電費成本支出，為公司發(fā)展做出了貢獻，也將節(jié)能減排建設(shè)低碳型社會的要求落到了實處。