探討互聯(lián)網(wǎng)背景下的5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)

【摘要】? ? 我國(guó)已經(jīng)迎來(lái)了5G時(shí)代，第五代移動(dòng)通信（5G）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各大領(lǐng)域，并取得了良好的應(yīng)用效果，加快我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)發(fā)展。在5G時(shí)代影響下已經(jīng)衍生出很多相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中網(wǎng)絡(luò)能耗管控技術(shù)最具有影響力，能夠滿足各種網(wǎng)絡(luò)能耗管控需求，如分布式清潔能源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與需求響應(yīng)等領(lǐng)域都應(yīng)用到了5G 網(wǎng)絡(luò)能耗管控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，由此可見(jiàn)5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)的重要性。所以下文以5G基站能耗管控為例，從模型、算法、技術(shù)路線等方面分析5G 網(wǎng)絡(luò)能耗問(wèn)題、5G 網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ? 能耗管控技術(shù)? ? 分布式儲(chǔ)能? ? 需求響應(yīng)

引言：

現(xiàn)如今，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走向能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展道路，減排壓力、推動(dòng)電力能源及綠色通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變革是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要任務(wù)，也是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代發(fā)展主要目標(biāo)。在該形勢(shì)下不僅衍生出很多先進(jìn)的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息技術(shù)，還孕育出智能管理技術(shù)、新型電力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、能量存儲(chǔ)技術(shù)、能量采集技術(shù)等。第五代移動(dòng)通信（5G）網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)時(shí)代較為新型的通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，簡(jiǎn)稱“新基建”，除了能夠?yàn)槠渌A(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供重要網(wǎng)絡(luò)支撐以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，但隨之5G 技術(shù)的日益成熟也增加了移動(dòng)通信量、基站（BS）密度與能耗，這意味著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能耗大幅度增加，會(huì)導(dǎo)致各種能耗、綠化問(wèn)題發(fā)生，嚴(yán)重者還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染及破壞，故必須構(gòu)建節(jié)能綠色5G網(wǎng)絡(luò)。[1]

5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)建節(jié)能綠色5G網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)，負(fù)載可調(diào)節(jié)性配合儲(chǔ)能技術(shù)、分布式清潔能源接入技術(shù)、分布式能量采集及存儲(chǔ)技術(shù)等都是5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用能夠優(yōu)化互動(dòng)負(fù)荷、用電負(fù)荷優(yōu)化，并為電網(wǎng)提供需求響應(yīng)等服務(wù)，不僅提高了經(jīng)濟(jì)收益，還有效控制和降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。[2]對(duì)此，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)背景下的5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析

一、5G網(wǎng)絡(luò)能耗、能效模型

5G網(wǎng)絡(luò)能耗、能效模型能夠?qū)?G網(wǎng)絡(luò)能耗問(wèn)題具體、形象和直觀地展現(xiàn)出來(lái)。現(xiàn)階段我國(guó)手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模已經(jīng)超過(guò)8億，手機(jī)上網(wǎng)比例更是高達(dá)99%，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足用戶網(wǎng)絡(luò)能耗需求。而5G網(wǎng)絡(luò)作為新型蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)速率高、延遲減少、節(jié)省能源、成本低、系統(tǒng)容量大等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足各種網(wǎng)絡(luò)能耗需求，5G網(wǎng)絡(luò)能耗、能效模型則能夠?qū)崿F(xiàn)綠色無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到降低二氧化碳排放量、基站設(shè)備能耗的目的，所以5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的前提和基礎(chǔ)就是5G網(wǎng)絡(luò)能耗模型和5G網(wǎng)絡(luò)能效模型。[3]具體如下：

（一）5G網(wǎng)絡(luò)能耗模型

5G網(wǎng)絡(luò)能耗模型也稱為5G基站能耗模型，“基站”是指公用移動(dòng)通信基站，是各種移動(dòng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的接口設(shè)備。5G基站分為宏基站（MBS）、小基站（SBS），其中小基站分為微基站、皮基站和飛基站（根據(jù)覆蓋范圍區(qū)分）。小基站數(shù)量越多信號(hào)覆蓋范圍越大且服務(wù)質(zhì)量越高，蜂窩網(wǎng)絡(luò)就是由多種基站信號(hào)覆蓋形成，可滿足各種無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

5G基站能耗模型由組件模型、線性模型和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）模型組成，即：

1.組件模型。[4]5G基站是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備和主要能耗設(shè)備，各種組件是基站功耗的主要來(lái)源，包括功率放大器、信號(hào)處理單元和天線等，多組件能耗模型計(jì)算公式如下：

此外，還可以從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理信息角度將功耗模型分為功率放大器功耗、電路功耗（包括靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗），電路功耗中的靜態(tài)功耗及動(dòng)態(tài)功耗分別作用于電路操作、節(jié)點(diǎn)信息處理，計(jì)算公式如下：

2.線性模型?？赏ㄟ^(guò)“線性回歸算法”擬合5G 基站線性模型，然后在該基礎(chǔ)上構(gòu)建5G 基站能耗模型，線性模型包括基站活動(dòng)及基站睡眠，具體計(jì)算公式如下：

3.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）模型[5]。該模型的建立能夠解決各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，包括MEC-H架構(gòu)和HetNet架構(gòu)，可通過(guò)邊緣計(jì)算方法構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）模型，具體計(jì)算如下：

（二）5G網(wǎng)絡(luò)能效模型

包括能量效率模型及成本效率模型，具體見(jiàn)表1。

二、5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)包括分布式能量采集技術(shù)、分布式能量存儲(chǔ)技術(shù)及需求響應(yīng)技術(shù)，本文從電力系統(tǒng)能源消耗層面，[6]分析分布式清潔能源發(fā)電、分布式儲(chǔ)能、需求響應(yīng)及協(xié)同管控等技術(shù)，具體如下：

（一）分布式清潔能源發(fā)電技術(shù)

在進(jìn)行清潔能源發(fā)電之前需要結(jié)合無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)部署和構(gòu)建能量收集基站（EHBS），包括分布式光伏發(fā)電能量收集基站、分布式風(fēng)力發(fā)電能量收集基站，以滿足各種發(fā)電能量收集需求。在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不僅要應(yīng)用先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還需要根據(jù)實(shí)際配置分布式清潔能源，以高效解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中消耗大量能量的問(wèn)題，并達(dá)到保護(hù)環(huán)境和綠色化發(fā)展的目的。[6-7]此外，分布式清潔能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用還能夠快速獲取清潔且成本較低的可再生能源，并逐漸替代電網(wǎng)能量，已經(jīng)被應(yīng)用于各個(gè)地區(qū)，解決了部分地區(qū)清潔能源發(fā)電困難的問(wèn)題。

分布式清潔能源發(fā)電技術(shù)也存在一些不足，例如容易受到天氣因素影響，因?yàn)榭稍偕茉词请S機(jī)分布在不同時(shí)間和空間上，導(dǎo)致不同發(fā)電能量收集基站收集到的能源量不同，所以需要為各發(fā)電能量收集基站配置較為穩(wěn)定儲(chǔ)能系統(tǒng)及配電網(wǎng)，確保供需關(guān)系平衡。[7]還可以通過(guò)加強(qiáng)可再生能源管理、優(yōu)化能源收集設(shè)施、配備能量采集裝置和存儲(chǔ)設(shè)備等方式來(lái)提高發(fā)電能量收集基站的運(yùn)行效率、安全性及存儲(chǔ)能力，從而應(yīng)對(duì)各種天氣帶來(lái)的不利影響。

分布式清潔能源發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)組件之間的雙向通信，還能夠提高能量流動(dòng)，更推動(dòng)了5G 網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)能源的融合，讓清潔能源系統(tǒng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)功能更加完善，減少用電支出、碳排放量，所以很多電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商都利用能量收集裝置、5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建5G基站，然后在該基礎(chǔ)上構(gòu)建分布式清潔能源系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，最后建立控制中心，將控制中心與儲(chǔ)能系統(tǒng)、能源系統(tǒng)結(jié)合建立“清潔能源-基站供電系統(tǒng)”。

（二）分布式儲(chǔ)能技術(shù)

基于5G網(wǎng)絡(luò)的分布式儲(chǔ)能技術(shù)能夠構(gòu)建5G基站儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能完善且安全性高，能夠滿足多樣化基站電力儲(chǔ)存及供應(yīng)需求。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，5G通信基站部署不僅能夠構(gòu)建160 GW·h 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，還能夠滿足不同時(shí)間、不同環(huán)境下的供電需求，有效防止惡劣天氣、人為事故等原因?qū)е碌耐ｋ?、斷電等不良現(xiàn)象發(fā)生。[7-8]5G通信基站通過(guò)常規(guī)的電池組就能夠處于備電工作模式，故造成的資產(chǎn)利用率較低，降低了能耗及成本。很多大規(guī)模的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)都由5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行配置和構(gòu)建，在配置過(guò)程中為了提高系統(tǒng)的通信實(shí)時(shí)性、可靠性及可靠性，多數(shù)運(yùn)營(yíng)商都會(huì)不斷優(yōu)化電源系統(tǒng)，并不斷增加或者更換蓄電池，以保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)。

宏基站是分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，宏基站的信號(hào)覆蓋范圍、基站功率等直接影響分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率、安全性及穩(wěn)定性，信號(hào)覆蓋范圍及基站功率越大，則儲(chǔ)能系統(tǒng)越穩(wěn)定、越安全。傳統(tǒng)通信基站通常情況下都是以鉛蓄電池作為備用電源，鉛蓄電池的壽命較短且性能低、金屬鉛含量大，容易產(chǎn)生污染物質(zhì)，而基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的宏基站則使用梯次磷酸鐵鋰電池作為2備用電源，這種電池具有相能量密度極高、循環(huán)充放電次數(shù)多、壽命長(zhǎng)、耐高溫、充放電轉(zhuǎn)換效率高、體積小等優(yōu)勢(shì)。[8]

分布式儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性，能夠直接接入大規(guī)模電網(wǎng)系統(tǒng)、綠色基站供電系統(tǒng)及分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以解決電網(wǎng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，并提高分布式清潔能源消納能力。2.與在傳統(tǒng)源網(wǎng)荷模式相比，更能夠有效優(yōu)化輸電走廊布局，從而解決資源限制與負(fù)荷需求增長(zhǎng)的矛盾問(wèn)題，更在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。3.具有很高的調(diào)度性，能夠根據(jù)儲(chǔ)能需求調(diào)整系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)功能，提高分布式能源系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入能力、災(zāi)變應(yīng)對(duì)能力。

（三）需求響應(yīng)

資料顯示，5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)中的需求響應(yīng)包括價(jià)格型、激勵(lì)型兩大類需求響應(yīng)，當(dāng)分布式清潔能源系統(tǒng)、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)與基站結(jié)合時(shí)能夠?qū)⒁苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的消費(fèi)者身份轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)服務(wù)及能源供應(yīng)的身份，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的高效互動(dòng)，從而滿足人們對(duì)各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及電網(wǎng)的需求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)“需求響應(yīng)程序”和加強(qiáng)“需求管理”是提高需求響應(yīng)程序或者系統(tǒng)運(yùn)行效率及安全性的重要渠道。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商都可以通過(guò)分時(shí)電價(jià)套利、需求側(cè)管理、可靠性服務(wù)等來(lái)優(yōu)化需求響應(yīng)程序，并完善5G基站的能量收集功能、動(dòng)態(tài)能量管理系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下人們對(duì)電網(wǎng)的非彈性及彈性能量需求。還可以將可再生能源基站、能源管理策略及能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建功能完善的能源管理系統(tǒng)，并配套相應(yīng)的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)、能源賬單管理及輔助服務(wù)系統(tǒng)等，以保證可再生能源得到高效管理及控制。利用可再生能源移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整能量消耗、完善能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種能源的實(shí)時(shí)監(jiān)督及控制，提高可再生能源利用率。

（四） 協(xié)同能耗管控方法

協(xié)同能耗管理方法也是5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)，是通過(guò)協(xié)調(diào)各種管控技術(shù)強(qiáng)化能耗管控能力的過(guò)程。在5G網(wǎng)絡(luò)下可將各種通信技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、能量收集技術(shù)等與電網(wǎng)能源、能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化。協(xié)同優(yōu)化后不僅完善了電網(wǎng)能源系統(tǒng)及能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能，還在聚合器影響下實(shí)現(xiàn)了雙向交換、共享能量及無(wú)線資源、相互轉(zhuǎn)移負(fù)荷等，大幅度降低了能源成本。還可以將移動(dòng)通信技術(shù)與同多點(diǎn)傳輸技術(shù)、5G基站、可再生能源發(fā)電站能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，既降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能量成本，又完善能量收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)功能，還解決了負(fù)荷控制和能量共享等方面的問(wèn)題。

基站角度，協(xié)同優(yōu)化可分為站內(nèi)協(xié)同、站間協(xié)同、站網(wǎng)協(xié)同，也稱為基站協(xié)作技術(shù)，其原理在于協(xié)作集中處理基站資源，然后構(gòu)建制動(dòng)用戶及服務(wù)系統(tǒng)，最后在5G基站支持下實(shí)現(xiàn)資源共享。協(xié)同優(yōu)化過(guò)程中還需要構(gòu)建基站與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、能量流控制機(jī)制和數(shù)據(jù)流控制機(jī)制等，以高效控制基站及電網(wǎng)的能量。

三、結(jié)束語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)在各大領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，甚至被普及到某些領(lǐng)域，諸如移動(dòng)通信領(lǐng)域，加快了我國(guó)社會(huì)信息化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展步伐。該形勢(shì)影響下，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗管控的要求越來(lái)越高，很多移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商都在不斷搭建5G網(wǎng)絡(luò)基站，并配套相應(yīng)的能量采集及儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足人們對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及能耗管控的需求。因此，上文基于對(duì)具有能量采集及儲(chǔ)能功能的5G基站的了解，先分析了5G網(wǎng)絡(luò)耗能模型及效能模型，然后在該基礎(chǔ)上從分布式清潔能源系統(tǒng)、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)、需求響應(yīng)及協(xié)同耗能管控方法四個(gè)方面，分析5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)，以達(dá)到有效管控能量流與數(shù)據(jù)流、構(gòu)建綠色5G網(wǎng)絡(luò)的目的。

作者單位：覃光文? ? 重慶信科通信工程有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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