5G基站配套基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降耗技術(shù)研究

摘要：近日，國家將5G基站配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)由三大運(yùn)營商交給中國鐵塔股份有限公司，而5G網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)生大數(shù)據(jù)爆炸的同時(shí)，也存在著低功耗的挑戰(zhàn)。在中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，5G單基站的耗電量將是傳統(tǒng)4G基站的二到三倍。而5G的商用頻率將超過4G。因此，和傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)一樣，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容所需要的站點(diǎn)量也將大大增加，電費(fèi)翻了一番，這也將對運(yùn)營商的成本構(gòu)成發(fā)生重要變化。在2017年進(jìn)行了節(jié)能5G的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究，通過開發(fā)新材料、新技術(shù)、開發(fā)新芯片、更新軟件功能等技術(shù)創(chuàng)新，大大降低了5G基站的功耗水平。而5G關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與廣泛應(yīng)用也給一些產(chǎn)業(yè)的研發(fā)帶來了全新的發(fā)展機(jī)會，為更好地提高5G技術(shù)使用的有效性和穩(wěn)定性，在5G基站同時(shí)使用二種節(jié)能模式將可以進(jìn)一步減少5G基站的使用時(shí)間和維修成本，從而提升了五G技術(shù)的使用水平，并促進(jìn)了5G技術(shù)的普及。

關(guān)鍵詞：5G;基站;基礎(chǔ)設(shè)施;技術(shù)研究;節(jié)能降耗

一、引言

中國的5G網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展，基本建成覆蓋城區(qū)和幾個(gè)發(fā)達(dá)縣的6萬個(gè)基站。然而，由于更高的帶寬、更多的信道天線收發(fā)器和更高的傳輸功率等技術(shù)因素，5G基站的功耗仍然非常高。據(jù)實(shí)測，5G基站的功耗是4G基站的3-4倍，5G基站的年電費(fèi)超過2萬元。降低5G的電費(fèi)，減少運(yùn)營商的成本，提高5G的投資效率，是運(yùn)營商迫切需要解決的問題。目前，運(yùn)營商和設(shè)備制造商專注于5G基站芯片設(shè)備、工藝、集成、功率控制和微站鎖定。從設(shè)備級、車站級和網(wǎng)絡(luò)級到節(jié)能，他們研究原理圖以降低成本和效率。多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和其他重要設(shè)備之間的合作;5G機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗也占實(shí)際電網(wǎng)的很大比例。為了全面提高5G整體能效比，實(shí)現(xiàn)5G聯(lián)網(wǎng)，探討了降低5G配套設(shè)施能耗的方法和對策。此外，它有助于可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量的5G業(yè)務(wù)和應(yīng)用。

二、研究背景和問題探討

（一）5G時(shí)代核心技術(shù)應(yīng)用的主導(dǎo)性優(yōu)勢

為改善中國互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息傳遞效果，5G技術(shù)在信息傳輸速率和信息流容量等方面都有著根本優(yōu)點(diǎn)，與4G技術(shù)的廣泛使用與發(fā)展不同，5G技術(shù)也提供了對數(shù)據(jù)傳輸速度的幾何改善。而對于同時(shí)使用毫米波和厘米波信道的數(shù)據(jù)傳輸模式，5G技術(shù)也存在著相對較少的信息延遲。比如，5G技術(shù)容許五百公里的高速移動，而4G技術(shù)則容許350公里的高速移動。所以，在高速鐵路等高速運(yùn)輸車輛中，5G技術(shù)比4G技術(shù)更穩(wěn)定，并獲得了良好的經(jīng)驗(yàn)。5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，能夠穩(wěn)定高效地傳輸和處理數(shù)據(jù)信息，大幅提高社會生產(chǎn)力水平，解決了4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代在手機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用中的幾個(gè)基礎(chǔ)問題。是重要的，相對。奠定技術(shù)創(chuàng)新基石，提升了未來中國互聯(lián)網(wǎng)的整體傳輸效能，并基本形成了五G信息技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展新生態(tài)圈階段。完善了互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，5G技術(shù)信息傳遞延遲能夠適應(yīng)現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)使用者的生活需要，相對較低，并且能夠完成多平臺、多服務(wù)體系的信息耦合。在最初，自主操作系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展部分依賴于人工智能，這是一種整合了單個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)。但是，由于啟動模式的信息傳輸速率相對較低，所以自主啟動技術(shù)的使用范圍并不大，無法在現(xiàn)代信息技術(shù)中應(yīng)用。5G技術(shù)的使用能夠很有效地克服了信號傳輸速率緩慢、延時(shí)過大的問題，從而提升了自動化運(yùn)營科技的發(fā)展水準(zhǔn)，并補(bǔ)充了智能化運(yùn)營技術(shù)的缺陷?；?G技術(shù)具備降低了信號傳遞延時(shí)的實(shí)用優(yōu)點(diǎn)，并能夠應(yīng)用在自動駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域中。為我國網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建提供了優(yōu)越的科技條件，將有效緩解我國信息技術(shù)發(fā)展水平和應(yīng)用間的巨大差距，為未來網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展鋪平了道路。

（二）5G時(shí)代基站建設(shè)及技術(shù)發(fā)展面臨問題

5G信息傳播范圍的不足，5G技術(shù)在使用初期，和4G信號的信息流和傳輸速率一樣，5G技術(shù)主要通過毫米波實(shí)現(xiàn)信息傳播，但是由于毫米波信息傳播范圍不足，信息對障礙物的穿透力也不夠。在建筑物比較稠密的都市區(qū)域，由于5G信息傳播覆蓋范圍很小，因此不能使用單個(gè)的基站設(shè)備，而只能進(jìn)行大規(guī)模信息傳播。但作為中國科技研發(fā)集團(tuán)的杰出代表，華為公司迅速轉(zhuǎn)變了對5G技術(shù)的研究方向，從毫米波技術(shù)的應(yīng)用到厘米波技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上克服了5G信息傳播的范圍和覆蓋面問題。為克服了5G信息傳播穿透力不夠的問題，引入了厘米波信息傳輸方式，但和4G技術(shù)比較，5G技術(shù)在信息穿透領(lǐng)域還缺乏突出的核心技術(shù)優(yōu)勢。在部分領(lǐng)域，通過采用疊加天線多頻度信號或者增強(qiáng)基站設(shè)備能力進(jìn)行技術(shù)解決，能夠提前克服通過基站對5G信息傳播不穿透的技術(shù)困難。使用技術(shù)設(shè)備的成本也很高昂，從本質(zhì)上來說，在使用了5G技術(shù)之后，就可通過增強(qiáng)地面天線高頻信號能力和硬件系統(tǒng)，來克服地面5G信號滲透能力不夠的問題，總能源消耗的比重也無法實(shí)現(xiàn)比較均衡。在5G技術(shù)發(fā)展初期，部分基站設(shè)備的實(shí)際耗電量大約為1200W，但5G主基站設(shè)備的大部分耗電量已經(jīng)達(dá)到了3000W以上。同時(shí)基站天饋線的實(shí)際耗電量指數(shù)逐漸上升，進(jìn)而提高了5G基站的使用成本和維修成本。至2018年，我國三家運(yùn)營商在公共通信基站能耗上的總花費(fèi)已經(jīng)達(dá)到了二十多億元。以下數(shù)據(jù)僅按照5G、3G和4G公共通信基站的總耗電量統(tǒng)計(jì)。若根據(jù)目前的五G基站能耗指數(shù)把所有3G基站都換成了5G基站，前三個(gè)運(yùn)營商的能耗將達(dá)到2018年全國總體能耗的十倍，能源成本將達(dá)到200多億元。因此，加強(qiáng)5G時(shí)代基站節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用不是降低能耗的重要途徑，而是控制5G技術(shù)應(yīng)用成本、提高5G技術(shù)推廣能力的重要策略。

（三）當(dāng)前5G時(shí)代基站節(jié)能主要方式

目前，我國5G基站有兩種節(jié)能模式：智能睡眠設(shè)備可以和人工智能協(xié)調(diào)控制，首先，可以按照5G設(shè)備在外圍地區(qū)使用的總網(wǎng)絡(luò)帶寬統(tǒng)計(jì)5G智能基站的睡眠，并可以按照數(shù)據(jù)的上限設(shè)置閾值數(shù)據(jù)。但是假如5G基站的總網(wǎng)絡(luò)帶寬使用時(shí)間在某個(gè)時(shí)段內(nèi)無法超過閾值，那么5G基站設(shè)備就可能關(guān)閉某些信號通道從而減少5G基站的總網(wǎng)絡(luò)傳輸。盡管這些方式都能夠在一定程度上減少5G基站的總耗電量，但是都很容易影響5G應(yīng)用設(shè)備的應(yīng)用體驗(yàn)。而人工智能協(xié)同管理的主要目的就是利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，使運(yùn)營商的服務(wù)器可以鏈接到基站設(shè)備，從而利用人工智能設(shè)備管理5G公用通信基站的總帶寬。按照5G在一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用頻次和使用時(shí)段，可合理規(guī)劃5G基站的應(yīng)用效率，從而減少了不必要的能量耗費(fèi)。但人工智能技術(shù)的應(yīng)用投資相對較高。5G基站的節(jié)能資源必須投入人工智能設(shè)備的維護(hù)和管理。因此，未來節(jié)能5G基站技術(shù)的應(yīng)用必須從節(jié)能的角度分兩個(gè)方案來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步完善節(jié)能5G基站技術(shù)應(yīng)用體系，解決節(jié)能5G基站存在的問題，有效彌補(bǔ)了5G基站在節(jié)能方面的不足，為下一代5G技術(shù)的推廣開辟了道路。

三、節(jié)能降耗措施研究

（一）機(jī)房空調(diào)節(jié)能措施

本實(shí)用新型節(jié)能技術(shù)主要用來為各種通信設(shè)施和相關(guān)裝置的平穩(wěn)工作創(chuàng)造合適的溫濕度環(huán)境。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，5G基站中央空調(diào)溫度在夏熱冬冷時(shí)設(shè)置約為26℃，而中央空調(diào)功率大約占基站總功率的40%。所以，網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商的空調(diào)系統(tǒng)是能源管理的最大重點(diǎn)。而空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方式可包括直接節(jié)能和間接節(jié)能。另外，通過采用創(chuàng)新的冷卻技術(shù)和建筑節(jié)能技術(shù)，也有助于降低中央空調(diào)系統(tǒng)的工作量和能耗。計(jì)算機(jī)房不直接耗費(fèi)能量，但建筑設(shè)計(jì)和中央空調(diào)系統(tǒng)的功率有關(guān)，建筑維護(hù)構(gòu)件上的負(fù)荷是影響中央空調(diào)系統(tǒng)功率的主要原因。除去通信設(shè)施的散熱功能以外，基站機(jī)房空調(diào)的冷卻能量也被機(jī)器內(nèi)部的熱交換系統(tǒng)所消耗。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，由建筑維護(hù)構(gòu)筑物上的熱負(fù)載所產(chǎn)生的空調(diào)系統(tǒng)能耗大約占空調(diào)系統(tǒng)總功率的40%，而建筑維護(hù)構(gòu)件的熱能原則約占公共通信基站總能源的16%。但事實(shí)證明，通過建筑節(jié)能措施可有效地減少中央空調(diào)系統(tǒng)的能源，而機(jī)械建筑的節(jié)能措施主要包括了防水、保溫、避坡等措施。

1.智能新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)

最終的節(jié)能系統(tǒng)則是間接節(jié)能。整個(gè)艙內(nèi)包括下進(jìn)風(fēng)口和上空調(diào)出風(fēng)口。室內(nèi)外空氣均由溫度和濕度感應(yīng)器動態(tài)監(jiān)控。當(dāng)室內(nèi)外氣溫均小于設(shè)定值，開啟送風(fēng)機(jī)送風(fēng)，使空調(diào)空氣由艙內(nèi)直接吸入艙。在艙內(nèi)，冷風(fēng)與熱空氣相互轉(zhuǎn)換為熱量以減少室內(nèi)外氣溫。同時(shí)，還需要開啟上部排氣設(shè)備，并保持對艙內(nèi)空氣的超壓，以散發(fā)室內(nèi)的熱量和室內(nèi)的熱空氣。因此，降低了基站機(jī)房的內(nèi)部溫度，縮短了空調(diào)的開啟時(shí)間，并存儲了電能。新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但為了達(dá)到良好的節(jié)能效果，必須保證機(jī)房內(nèi)外溫差小于5℃，使新風(fēng)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)工作和冷卻。

2.艙隔熱對策

絕緣材料是太陽能發(fā)電技術(shù)，提高了外墻表面溫度，增加了建筑維修結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，增加了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，可以減少太陽輻射，降低建筑保守結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，節(jié)約空調(diào)的能耗，有效減少傳遞到機(jī)艙的外部熱量。一般保溫措施包括屋頂保溫、外墻保溫以及門窗保溫。雙層玻璃可以用作門窗的隔熱材料，如隔熱、防曬和直接屏障。外墻和天花板的保溫層可涂上保溫涂料。陽光直射屋頂結(jié)構(gòu)導(dǎo)致夏季屋頂溫度急劇上升，通過將艙屋頂改為平屋頂，并對屋頂進(jìn)行良好通風(fēng)，可有效降低建筑物屋頂維護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的能耗，適用于全年日照時(shí)間長、溫度高的地區(qū)。

3.電池室嵌入

隨著機(jī)房周圍5G基站設(shè)備溫度要求的降低，電池已成為機(jī)房環(huán)境要求最嚴(yán)格的設(shè)備。在不優(yōu)化機(jī)艙氣候配置的情況下，可以通過使用電池嵌入技術(shù)、耐高溫電池和鐵鋰電池來實(shí)現(xiàn)電池所需的工作環(huán)境。地下室冬暖夏涼，通過嵌入電池柜內(nèi)的通風(fēng)管和排水管，改善了環(huán)境，解決了通風(fēng)和濕度問題，建議使用單個(gè)12V電池埋地。埋好后，拉出每個(gè)電池的測試線，然后監(jiān)測埋好的電池底座孔的溫度，以便于維修，該方案適用于以基坑為條件的村鎮(zhèn)農(nóng)村基站。

（二）通信電源節(jié)能措施

作為通信系統(tǒng)的“心臟”，通信電源是通信基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵，通信電源直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。根據(jù)供電方式的不同，基站的功耗主要包括開關(guān)電源和不間斷電源（UPS）。其主要功能是實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，濾除干擾波和高頻污染，為通信設(shè)備提供穩(wěn)定的工作電壓。原則上，通信電源的能耗應(yīng)接近于零。然而，在這個(gè)過程中，通信電源會產(chǎn)生濾波損耗和電磁處理，并產(chǎn)生功耗。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，基站通信電源的平均功耗為整個(gè)房間功耗的5%-10%。開關(guān)電源休眠，在技術(shù)設(shè)計(jì)中，在確定整流器模塊的容量時(shí)，基站的開關(guān)電源不僅應(yīng)考慮設(shè)備的負(fù)載電流，還應(yīng)考慮電池組10的CIO。在具有冗余充電電流和N模塊的基站的實(shí)際運(yùn)行中，由于基站的不均勻和空閑運(yùn)行，實(shí)際充電電流低于設(shè)計(jì)值，電源穩(wěn)定，斷電次數(shù)較少，因此大多數(shù)電池組處于“睡眠”空閑狀態(tài)。電池的充電容量和持續(xù)時(shí)間非常小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，開關(guān)電源大部分整流模塊的充電率和50%充電率均低于工作電流。智能休眠開關(guān)電源的思想是根據(jù)器件電流的變化動態(tài)控制整流模塊的數(shù)量，使開關(guān)電源以最佳效率工作，達(dá)到節(jié)能的目的。以運(yùn)營商的5G基站為例，開關(guān)電源為60A，整流器模塊（容量30A）和500安培小時(shí)電池，如果通信設(shè)備的正常充電電流為100A，則充電率為50%，充電率為30%，開關(guān)電源的整流效率為92%。在沒有休眠技術(shù)的情況下，整流模塊的負(fù)載率約為33%。使用Hibernate技術(shù)確保N-1模塊配置，關(guān)閉兩個(gè)模塊，整流模塊的負(fù)載率約為50%。因此，各站的日節(jié)能量為1kW至3Kw，節(jié)能率為7.5%。因此，為了提高整流器的性能，降低能耗，需要一種具有智能休眠功能的高性能電路整流器。

（三）直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)

隨著5G規(guī)模的發(fā)展，小型站點(diǎn)形成了宏觀和微觀相結(jié)合的高密度網(wǎng)絡(luò)，采用傳統(tǒng)方法將城市能源和備用能源引入小型水電站?？刹捎霉こ掏顿Y大、整體節(jié)能效果差的直流遠(yuǎn)程供電技術(shù)，選擇能量容量好的大型水電站作為中央遠(yuǎn)程供電的主節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)可為多個(gè)小型外圍站、微型站和輕型緩沖站供電，實(shí)現(xiàn)城市電源、整流電源和備用電源的交換。該方法采用遠(yuǎn)程切斷網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，可根據(jù)各站的運(yùn)行負(fù)荷實(shí)現(xiàn)智能動態(tài)切斷。其應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)、大學(xué)城、大型住宅區(qū)、集群市場、路燈柱、高密度基站等場景。此外，還可以利用城市能源的引入、農(nóng)村地區(qū)能源引入成本的增加以及偏遠(yuǎn)地區(qū)和當(dāng)?shù)亟K端之間缺乏短途站的問題。

補(bǔ)充新能源的太陽能設(shè)施，與基站的電力一樣，太陽能和風(fēng)能等可再生能源的使用可以降低基站的能源成本。然而，在江西省，由于缺乏一天的風(fēng)能和多年的日照，根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，利用風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)補(bǔ)充風(fēng)能和光資源，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能源。由于太陽能和風(fēng)能的季節(jié)互補(bǔ)性較差，且太陽能和風(fēng)能資源匱乏，可使用三種互補(bǔ)能源系統(tǒng)，即“太陽能風(fēng)能和商用柴油”，使用備用柴油發(fā)電機(jī)和商用能源。如果有電源線，則將主電源線插入備用系統(tǒng)。當(dāng)主電源未連接時(shí)，備用柴油發(fā)電機(jī)用作一個(gè)系統(tǒng)，惡劣的天氣和風(fēng)能的缺乏導(dǎo)致了新能源的缺乏。通過啟動本地電源和柴油發(fā)電機(jī)，可以確保基站的持續(xù)供電。該計(jì)劃適用于風(fēng)能和太陽能豐富的地區(qū)，或當(dāng)?shù)啬茉床蛔愕钠h(yuǎn)山區(qū)、湖泊和島嶼。由于這是一項(xiàng)巨大的初始投資，因此必須認(rèn)真推廣和實(shí)施。

（四）蓄電池市電削峰技術(shù)

在高峰期，對5G電力的需求將逐漸增加，這將給進(jìn)口電廠的成本帶來巨大壓力。根據(jù)運(yùn)營和維護(hù)統(tǒng)計(jì)，基站庫存中的電池容量過剩，約有20%的基站全年關(guān)閉?？梢钥闯觯蠖鄶?shù)電池工作時(shí)間較長，利用5G設(shè)備實(shí)際功耗隨數(shù)據(jù)流的動態(tài)變化特性，利用電池在峰值功耗時(shí)平衡主電源，同步為基站設(shè)備供電;在低能耗時(shí)代，地方政府對電池進(jìn)行充電和儲能，穩(wěn)定通信設(shè)備的負(fù)荷變化，穩(wěn)定最大供電量，進(jìn)一步降低城市高峰時(shí)段的能源需求，降低地方能源成本。

四、結(jié)束語

市場上銷售的設(shè)備開發(fā)完成后，5G基站設(shè)備的結(jié)構(gòu)和外形逐步確定，具備商業(yè)開發(fā)條件。然而，由于硬件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，5G基站設(shè)備的功耗仍然很高。能源消耗的顯著增加導(dǎo)致了節(jié)能、減排、成本和效率的降低?；拘枰?jié)能。5G 將進(jìn)一步擴(kuò)展到各縣基站的節(jié)能降耗也成為一個(gè)長期目標(biāo)。主要設(shè)備及銷售，制定基礎(chǔ)設(shè)施、電網(wǎng)和電網(wǎng)使用的綜合節(jié)能措施，基于用戶流量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大型網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)意味著土地分布，5G智能節(jié)能降耗綜合利用轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)對節(jié)能工作的直接政治支持和管理。

作者單位：武紅鳳" "中國鐵塔股份有限公司忻州市分公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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