5G基站電源節(jié)能改造研究

王正林

（深圳市電信工程有限公司，廣東 深圳 518020）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)正式步入5G時(shí)代。相較于前幾代移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)具有基站電源能耗大等缺陷，為了達(dá)到節(jié)能環(huán)保等目標(biāo)，需要對(duì)5G基站電源進(jìn)行節(jié)能改造。

1 5G基站的能耗管理現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行能耗是4G網(wǎng)絡(luò)的2～3倍。2018年，我國(guó)3大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站總能耗約為505 億kW·h。而在2019年開(kāi)始推進(jìn)5G商用化后，3大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站總能耗增長(zhǎng)約為2 000 萬(wàn)kW·h[1]。5G基站數(shù)量相對(duì)較大，并且很多基站設(shè)置在較偏遠(yuǎn)地區(qū)，傳統(tǒng)基站管理方式難以發(fā)揮出最佳管控成效，即難以實(shí)現(xiàn)基站負(fù)載用電的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，需要配置專(zhuān)人進(jìn)行巡檢或基于智能管理平臺(tái)進(jìn)行智能化管理，能耗管理難度較大。目前，5G基站多采用人工巡檢方式進(jìn)行能耗問(wèn)題檢測(cè)分析，該方式會(huì)極大程度增加5G基站運(yùn)維管理中的人力成本，不利于降低基站運(yùn)維成本[2]。

當(dāng)前常用的5G基站電源節(jié)能改造方法主要分為節(jié)能關(guān)斷和智能電表智能關(guān)斷2類(lèi)。節(jié)能關(guān)斷是在設(shè)備廠家處進(jìn)行載頻、通道以及符號(hào)關(guān)斷或休眠，此種節(jié)能改造方案適用于不同配置和不同覆蓋場(chǎng)景的5G基站，但同時(shí)存在著節(jié)能效果不明顯、負(fù)載靜態(tài)功耗等問(wèn)題，再加上5G基站中各類(lèi)設(shè)備并非來(lái)自于同一場(chǎng)景，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，多方面因素結(jié)合使得此種節(jié)能改造方式存在較大的應(yīng)用局限性。智能電表智能關(guān)斷是利用智能電表實(shí)現(xiàn)室分站點(diǎn)設(shè)備的定時(shí)智能關(guān)停，實(shí)際適用范圍較小，并且需要對(duì)當(dāng)前基站中所采用的非智能電表進(jìn)行更換升級(jí)[3]。

針對(duì)5G基站能耗管理問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)5G基站電源系統(tǒng)特點(diǎn)，合理提出基站電源系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)方案，進(jìn)而對(duì)5G基站電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，從而有效控制5G基站運(yùn)行能耗。

2 5G基站電源系統(tǒng)基本架構(gòu)

5G基站電源系統(tǒng)主要分為交流供電和直流供電2個(gè)部分，基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G基站電源系統(tǒng)基本架構(gòu)

5G基站電源系統(tǒng)中，交流供電部分主要包括市電設(shè)備、發(fā)電機(jī)設(shè)備、浪涌保護(hù)裝置以及交流配電設(shè)備等，直流供電部分主要包括蓄電池組、高頻開(kāi)關(guān)組合電源裝置等[4]。

3 5G基站電源節(jié)能改造方案

3.1 基站開(kāi)關(guān)電源及端子改造方案

基站開(kāi)關(guān)電源及端子改造方案主要針對(duì)-48 V基站電源系統(tǒng)和+24 V基站電源系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。在對(duì)-48 V基站電源系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造前，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電源容量進(jìn)行整流擴(kuò)容，確定開(kāi)關(guān)電源容量可滿(mǎn)足要求后為設(shè)備配置直流供電。若開(kāi)關(guān)電源容量不滿(mǎn)足改造要求，則應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行及時(shí)更換或重新配置。在對(duì)+24 V基站電源系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造前，應(yīng)對(duì)基站機(jī)房面積標(biāo)準(zhǔn)、樓板載荷情況以及市電接入容量等多方面內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，確認(rèn)相關(guān)要素均符合電源系統(tǒng)節(jié)能改造要求后，在+24 V基站電源系統(tǒng)中另加1個(gè)直流供電裝置，以此滿(mǎn)足5G設(shè)備的供電需求。如果發(fā)現(xiàn)以上要素不符合要求，則可以在電源系統(tǒng)節(jié)能改造過(guò)程中添加一套直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器，母線(xiàn)接線(xiàn)可從原有開(kāi)關(guān)電源處接引，用于實(shí)現(xiàn)+24 V電源向-48 V電源的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電源主要作為5G設(shè)備供電電源。

在5G基站電源系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源與無(wú)線(xiàn)主設(shè)備之間配置智能開(kāi)關(guān)，并以此替換電源系統(tǒng)中原有的直流電源開(kāi)關(guān)或交流電源開(kāi)關(guān)。智能開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)5G機(jī)站中有源天線(xiàn)單元（Active Antenna Unit，AAU）設(shè)備的全天候智能化監(jiān)測(cè)與控制，并在基站無(wú)用戶(hù)連接時(shí)自動(dòng)控制AUU設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。首先，對(duì)5G基站內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行綜合分析研究，確認(rèn)遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）開(kāi)關(guān)電源位置，并找到RRU電源線(xiàn)路徑，分析RRU電源走向方式，拆除基站中原有的直流電源開(kāi)關(guān)或交流電源開(kāi)關(guān)。其次，確認(rèn)智能開(kāi)關(guān)的安裝位置，對(duì)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行有效固定，并觀察小區(qū)RRU開(kāi)關(guān)、配電箱至RRU電源之間的走線(xiàn)是否正確、設(shè)備上的標(biāo)簽是否準(zhǔn)確等。再次，斷開(kāi)RRU電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備確認(rèn)RRU電源完全斷開(kāi)后，將RRU電源開(kāi)關(guān)下側(cè)口的電源線(xiàn)與智能開(kāi)關(guān)出線(xiàn)口相連，再?gòu)腞RU電源開(kāi)關(guān)處引出電源線(xiàn)與智能開(kāi)關(guān)的進(jìn)線(xiàn)口相連，連接完成后檢查電路通斷效果。最后，電源線(xiàn)固定，以美觀、方便、安全為標(biāo)準(zhǔn)，所有電源線(xiàn)均應(yīng)敷設(shè)在線(xiàn)槽內(nèi)部，并且按照安裝規(guī)范嚴(yán)格操作。

3.2 基站電源蓄電池改造方案

不同5G基站中所配置的蓄電池組的后備時(shí)間也存在較大差異，在5G基站電源蓄電池改造過(guò)程中，應(yīng)以保障基站穩(wěn)定運(yùn)行為前提，結(jié)合市電安全穩(wěn)定、基站運(yùn)維安全等要求，綜合考慮基站電源蓄電池改造后可能會(huì)存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而確保蓄電池節(jié)能改造后5G基站的平穩(wěn)運(yùn)行。在基站改造條件受限的情況下，可以減少基站蓄電池組后備時(shí)間，適當(dāng)添加5G設(shè)備。綜合分析后發(fā)現(xiàn)，很多現(xiàn)有5G基站電源蓄電池組的后備時(shí)間均無(wú)法滿(mǎn)足5G設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行需求，因此應(yīng)擴(kuò)大機(jī)房空間范圍，促使擴(kuò)建后機(jī)房可滿(mǎn)足基站電源蓄電池組后備時(shí)間改造要求。此外，電源改造中還可采用新型鐵鋰蓄電池組，其具有重量輕、體積小等優(yōu)勢(shì)，可以降低基站電源蓄電池組改造時(shí)的基礎(chǔ)要素需求。

3.3 智慧能源管理平臺(tái)

智慧能源管理平臺(tái)可以對(duì)基站內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行智能化、集成化管理，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)基站內(nèi)5G設(shè)備進(jìn)行有效集成，利用人工智能技術(shù)對(duì)5G設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行智能化控制。相較于其他節(jié)能改造方案來(lái)說(shuō)，智慧能源管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)5G設(shè)備集成化、一體化能耗管控，并且實(shí)際管理過(guò)程中大部分操作均由平臺(tái)自動(dòng)化進(jìn)行，人員操作難度較低，能夠有效降低5G基站運(yùn)維管理成本[5]。

結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，智慧能源管理平臺(tái)主要根據(jù)5G新空口（New Radio，NR）小區(qū)流量性能文件、運(yùn)營(yíng)商告警信息、用戶(hù)投訴數(shù)據(jù)以及基站工程參數(shù)文件等，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法獲取改造5G站點(diǎn)信息，并結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）進(jìn)行站點(diǎn)覆蓋評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行能耗動(dòng)態(tài)化控制。智慧能源管理平臺(tái)的能耗控制更為平滑，能夠有效降低用戶(hù)側(cè)在連接基站時(shí)的使用感知，提高業(yè)務(wù)服務(wù)效果。

4 5G基站電源節(jié)能改造測(cè)試及成果

在A市選取2個(gè)5G基站進(jìn)行節(jié)能改造測(cè)試，其中1號(hào)基站改造后50天共節(jié)電約97 kW·h，每天節(jié)電約1.94 kW·h；2號(hào)基站改造后45天節(jié)電約135 kW·h，每天節(jié)電約3 kW·h。

在B市選取基站配置智慧節(jié)能管理平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行智能化管理。在采用智慧節(jié)能管理平臺(tái)后，室分站點(diǎn)每個(gè)RRU電源每天節(jié)電約0.8 kW·h，多載波宏站每個(gè)RRU電源每天節(jié)電約1.24 kW·h，5G宏站每個(gè)AAU電源每天節(jié)電約4.18 kW·h。此外，在應(yīng)用智慧節(jié)能管理平臺(tái)后，5G基站各相鄰小區(qū)運(yùn)行指標(biāo)較為穩(wěn)定，運(yùn)行波動(dòng)均處于正常標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說(shuō)明智慧節(jié)能管理平臺(tái)所采取的節(jié)能操作基本上不會(huì)對(duì)用戶(hù)側(cè)的正常使用造成過(guò)多影響。

5 5G基站電源節(jié)能改造未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著5G技術(shù)的不斷成熟和商用化的持續(xù)推進(jìn)，為了能夠滿(mǎn)足未來(lái)5G技術(shù)的發(fā)展要求，5G基站建設(shè)及運(yùn)維人才需要具備較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)能力。一方面，與高等院校達(dá)成深入合作，共同培養(yǎng)5G建設(shè)、運(yùn)維以及技術(shù)應(yīng)用人才，具體培養(yǎng)內(nèi)容包括但不限于5G技術(shù)應(yīng)用、5G基站建設(shè)及運(yùn)維、5G基站運(yùn)行原理、5G基站電源系統(tǒng)架構(gòu)體系及原理等。具體人才培養(yǎng)過(guò)程中，應(yīng)落實(shí)綜合化、全面化、專(zhuān)業(yè)化等要求，培養(yǎng)出1支能夠滿(mǎn)足5G技術(shù)全面普及和基站電源系統(tǒng)改造升級(jí)需求的人才隊(duì)伍。另一方面，在上崗后進(jìn)行崗位實(shí)踐培養(yǎng)，讓5G基站相關(guān)工作人員可以在基站電源系統(tǒng)改造項(xiàng)目中不斷提高自身能力，掌握工作技巧，為后續(xù)5G基站電源系統(tǒng)大范圍改造升級(jí)積累經(jīng)驗(yàn)。

未來(lái)5G技術(shù)發(fā)展過(guò)程中將會(huì)不斷引入各類(lèi)智能化、自動(dòng)化技術(shù)，在實(shí)施5G基站電源系統(tǒng)改造升級(jí)過(guò)程中也需要加強(qiáng)各類(lèi)新型技術(shù)及工藝的有效應(yīng)用，并圍繞基站安全供電、持續(xù)供電等原則科學(xué)分析不同5G通信技術(shù)在不同基站電源系統(tǒng)中的適應(yīng)情況，以此為基礎(chǔ)合理配置不同的5G基站電源系統(tǒng)改造升級(jí)方案，降低基站改造升級(jí)成本和改造后的運(yùn)行能耗。例如，在基站電源系統(tǒng)改造中引入智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)智能檢測(cè)傳感器對(duì)通信設(shè)備運(yùn)行中所需電量及各時(shí)間段電量需求變化進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)5G基站電源系統(tǒng)電池組配置提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

智能化技術(shù)手段實(shí)時(shí)采集和分析電源系統(tǒng)改造過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化情況，并將采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)范圍區(qū)間進(jìn)行匹配分析，對(duì)其中超出標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)警告提醒，及時(shí)處理電源系統(tǒng)改造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，避免出現(xiàn)盲目調(diào)整施工進(jìn)程的情況，促使電源系統(tǒng)改造后可發(fā)揮預(yù)期成效。同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)電源系統(tǒng)改造現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督管理，對(duì)項(xiàng)目施工中可能存在的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行全面識(shí)別和分析，避免風(fēng)險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)化為安全事故等嚴(yán)重問(wèn)題，促使改造項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)安全有序推進(jìn)。

6 結(jié) 論

隨著5G技術(shù)的持續(xù)普及，為了有效達(dá)到節(jié)能減排等目標(biāo)，需要結(jié)合5G技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)合理選用節(jié)能改造方案。以5G基站為研究對(duì)象，分析并設(shè)計(jì)相應(yīng)的5G基站節(jié)能改造方案。結(jié)合工程項(xiàng)目應(yīng)用情況來(lái)看，該節(jié)能改造方案具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以有效降低5G基站運(yùn)行能耗，提高基站能源利用率，為后續(xù)5G基站電源系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考。