5G基站電源節(jié)能改造研究

郭世浩 張豎新

摘要：本文主要以5G基站電源節(jié)能改造研究為重點(diǎn)進(jìn)行闡述。首先，對(duì)5G基站能耗管理發(fā)展情況進(jìn)行分析。其次，在討論5G基站基礎(chǔ)節(jié)能方式時(shí)，闡述了符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷和深度休眠。最后，探討了交流市電改造、開關(guān)電源及帶端子改造、蓄電池改造以及智慧能源管理平臺(tái)等幾個(gè)方面，以期為相關(guān)研究提供參考資料。

關(guān)鍵詞：5G基站；電源；節(jié)能改造；研究分析

一、引言

對(duì)于5G基站電源的節(jié)能改造，是促進(jìn)5G技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。5G基站電源為設(shè)備的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定地支持，因此研究5G基站電源的節(jié)能方式和方案對(duì)于推動(dòng)5G技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要，可以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的升級(jí)。目前，與5G基站電源節(jié)能相關(guān)的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，針對(duì)已經(jīng)存在或可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行有針對(duì)性地分析，可以制定出針對(duì)不同類型電源的節(jié)能改造方案。通過深入挖掘和培養(yǎng)優(yōu)秀的人才，充分利用機(jī)房電源，可以實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域中共建共享的目標(biāo)。

二、5G基站能耗管理發(fā)展情況

5G技術(shù)的出現(xiàn)代表著通信行業(yè)迎來全新發(fā)展。經(jīng)過3G、4G這一發(fā)展歷程，最終發(fā)展到5G。其中，受到關(guān)注最多的就是能耗問題。能耗管理的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，基站存在巨大的耗電量問題。隨著社會(huì)發(fā)展，每年基站耗電量都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。為了完成5G基站工作的部署，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積上建設(shè)新的基站，將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商的基站耗能增加3倍以上[1]。

第二，存在著較為復(fù)雜的能耗管理問題。許多基站設(shè)置在距離較遠(yuǎn)的地區(qū)，無法采用先進(jìn)的方式對(duì)基站負(fù)荷的用電情況進(jìn)行全面檢查，也無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。只能依賴專業(yè)人員定期檢查的方式進(jìn)行管理。

第三，基站的節(jié)能通常需要通過人為判斷。這種方式效率低下、成本較高。因此，有必要結(jié)合基站電源的特點(diǎn)，科學(xué)合理地進(jìn)行分析，提出有效方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)5G基站系統(tǒng)的優(yōu)化效果，從本質(zhì)上進(jìn)行基站運(yùn)行能耗的基本管理。

第四，由于站址稀缺和基站空間有限，進(jìn)入5G時(shí)代意味著更多設(shè)備需要使用5G通信。在有限的機(jī)房空間中擺放不同的機(jī)柜將需要更多的空間。目前機(jī)房中除了機(jī)柜，占據(jù)空間最多的是電源和后備電源設(shè)備。許多機(jī)房配置的是600A組合式開關(guān)電源和2組500A·h雙層雙列電池，占據(jù)了大約十個(gè)柜機(jī)的空間。對(duì)于電池維護(hù)這一問題，占用空間較大。因此，高密度模塊化電池和鐵鋰電池的使用變得十分重要。

三、5G基站基礎(chǔ)節(jié)能方式

（一）符號(hào)關(guān)斷

在發(fā)生通信的時(shí)候，基站沒有長(zhǎng)時(shí)間處于最大流量的情況，這也意味著子幀中的符號(hào)并不是每一時(shí)刻都填滿有效信息。基站通過符號(hào)關(guān)斷功能控制開關(guān)，當(dāng)AAU獲取有效信息后，基站會(huì)判斷是否有數(shù)據(jù)發(fā)送。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的周期中，基站會(huì)關(guān)閉PA電源和TRX開關(guān)；而在有數(shù)據(jù)發(fā)送的符號(hào)周期中，基站會(huì)打開PA電源和TRX開關(guān)。這種方式保證了業(yè)務(wù)運(yùn)行盡可能不受到外界因素的影響，并且保證系統(tǒng)功耗穩(wěn)定，被稱為符號(hào)關(guān)斷節(jié)能技術(shù)[2]。這種方式中運(yùn)用了DTX技術(shù)，也被稱為DTX節(jié)能的原因之一。當(dāng)負(fù)荷處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，基站中的時(shí)隙匯聚集中調(diào)度功能發(fā)揮作用，基帶會(huì)將符號(hào)調(diào)度集中在某幾個(gè)時(shí)隙上，比如公共信道和參考信號(hào)的時(shí)隙。這促使AAU可以打開或關(guān)閉PA電源和TRX開關(guān)，這種方式也被稱為時(shí)隙關(guān)斷。

（二）通道關(guān)斷

對(duì)于通道關(guān)斷節(jié)能而言，屬于一種載波級(jí)別的操作，一旦整個(gè)載波負(fù)荷較強(qiáng)，就會(huì)對(duì)部分通道進(jìn)行關(guān)閉，以此降低設(shè)備能耗。當(dāng)載波負(fù)荷處于上升趨勢(shì)時(shí)，通道將會(huì)開啟。無論是在地面行或下行中進(jìn)行通道關(guān)斷，載波都具備獨(dú)立的配置特點(diǎn)，通過通道關(guān)斷模式進(jìn)行控制。在5G基站中有幾種通道關(guān)閉模式可用，其中包括只關(guān)閉下行通道、同時(shí)關(guān)閉上下行通道[3]。另外，5G基站還具有四分之一通道關(guān)閉、二分之一通道關(guān)閉以及四分之三通道關(guān)閉的關(guān)斷檔。在載波負(fù)荷信息統(tǒng)計(jì)過程中，5G基站會(huì)向AUU發(fā)送關(guān)斷位置圖，并利用位圖來完成通道的關(guān)閉和開啟操作，充分發(fā)揮AUU的作用。

（三）載波關(guān)斷

在5G多制式多層覆蓋的情況下，可以利用容量層小區(qū)對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行覆蓋?；A(chǔ)覆蓋層小區(qū)提供連續(xù)覆蓋，在容量層小區(qū)負(fù)荷較輕時(shí)，將用戶設(shè)備遷移到基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)并關(guān)閉容量層小區(qū)，以節(jié)省能源。當(dāng)基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)負(fù)荷逐漸增加時(shí)，容量層小區(qū)可以發(fā)揮喚醒作用。通過控制容量層小區(qū)和基礎(chǔ)覆蓋層小區(qū)的符合狀態(tài)變化，可以進(jìn)一步觸發(fā)載波關(guān)斷節(jié)能方式。對(duì)于同一制式以及多頻網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋的情況，當(dāng)小區(qū)內(nèi)負(fù)荷較低時(shí)，需要優(yōu)先考慮關(guān)閉部分小區(qū)以滿足正常的通信需求，并逐步開啟負(fù)荷較高的小區(qū)，以短時(shí)間內(nèi)滿足通信需求，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[4]。

（四）深度休眠

為了取得更高的節(jié)能效果，需要對(duì)話務(wù)空閑這個(gè)階段進(jìn)行思考，盡可能地降低AUU硬件的耗能，將AUU集中保存在光口和電源模塊中，關(guān)閉其他功能，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。深度休眠場(chǎng)景在5G建設(shè)的初始階段更常見，此階段用戶數(shù)量較少，甚至可能沒有用戶使用。在4G和5G協(xié)同的場(chǎng)景中，當(dāng)話務(wù)較少時(shí)，5G設(shè)備會(huì)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)。對(duì)于5G多頻組網(wǎng)的熱點(diǎn)區(qū)域，在低負(fù)荷階段，高頻設(shè)備也會(huì)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)。甚至在一些商場(chǎng)、寫字樓等區(qū)域，也可能出現(xiàn)無業(yè)務(wù)的情況，比如在晚上，可以定時(shí)關(guān)閉5G設(shè)備的射頻功能來實(shí)現(xiàn)節(jié)能[5]。

四、5G基站電源改造解決方法

（一）交流市電改造

進(jìn)一步隊(duì)機(jī)房市電所引入的總?cè)萘?，以及空開容量、電纜的實(shí)際需求情況進(jìn)行核實(shí)，在市電出現(xiàn)容量引入達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，需要做好增容這一工作，在交流配電箱主開關(guān)容量、電纜連接不能滿足需求這一階段，需要第一時(shí)間對(duì)交流配電箱進(jìn)行更換[6]。對(duì)于市電擴(kuò)容這一問題，可以選擇引入鐵鋰電池組這一方式，從本質(zhì)方面降低市電容量的需求，做好對(duì)鐵鋰電池組的智能控制工作，面對(duì)巔峰這一過程，采用市電，以及蓄電池完后同時(shí)放電，進(jìn)一步為機(jī)房設(shè)備的正常用電設(shè)備提供支持。在波谷這一時(shí)期，可以利用市電對(duì)蓄電池完成充電工作，可以在市電容量方面有效降低市電容量申請(qǐng)，從本質(zhì)方面降低引電成本。

（二）開關(guān)電源及帶端子改造

首先，室內(nèi)組合開關(guān)電源。對(duì)于-48V電源系統(tǒng)改造而言，可以運(yùn)用全新的設(shè)備來滿足直流系統(tǒng)的供電需求。若現(xiàn)有的開關(guān)電源能夠滿足設(shè)備需求，只需要通過增加整流模塊來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。若現(xiàn)有的開關(guān)電源無法滿足需求，可以考慮更換開關(guān)電源來解決問題。對(duì)于+24V電源系統(tǒng)的改造而言，在機(jī)房面積、樓板負(fù)荷和市電容量都滿足要求的情況下，可以增加-48V直流電源系統(tǒng)來確保5G設(shè)備具備一定的獨(dú)立性。如果機(jī)房條件不允許，可以增加-48V和+24V的直流變換器，主要目的是為5G設(shè)備提供電源。在考慮開關(guān)電源容量的同時(shí)，新增的直流變換器可以連接到原有的開關(guān)電源架母線排上，以確保輸出容量和變換器數(shù)量符合配置要求[7]。

其次，室外一體化機(jī)柜開關(guān)電源。在一體化開關(guān)電源中已經(jīng)接入了3個(gè)以上的系統(tǒng)時(shí)，最佳的方式就是增加一體化開關(guān)電源戶數(shù)量，但一般情況下不會(huì)在原有的電源系統(tǒng)上進(jìn)行新增。若現(xiàn)階段一體化開關(guān)電源所接入的設(shè)備還不到3個(gè)，可以直接將新增設(shè)備接入其中，確保提供的容量。如果空間不足，則需要增加一個(gè)設(shè)備柜。

最后，電源端子改造。對(duì)于現(xiàn)有的開關(guān)電源，如果剩余端子的容量能夠滿足需求，可以直接引用這些端子。如果剩余端子的容量無法滿足需求，特別是開關(guān)和熔絲等部分，需要進(jìn)行更換。如果沒有剩余端子可用，可以考慮增加擴(kuò)展槽位，增加全新的開關(guān)。如果沒有可用的擴(kuò)展槽位，可以增加全新的直流配電箱，確保直流配電箱的電源直接從電源架的母線中引接。

（三）蓄電池改造

對(duì)于不同場(chǎng)景而言，所需的基站蓄電池組在后備時(shí)間方面存在差異，可以根據(jù)不同條件因素進(jìn)行進(jìn)一步確定，如市電可靠性、基站重要性以及運(yùn)維能力等。在大多數(shù)情況下，市區(qū)和縣城中的基站需要具備超過2個(gè)小時(shí)的后備時(shí)間；而在一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村等地方，基站的后備時(shí)間要超過4個(gè)小時(shí)；而對(duì)于更偏遠(yuǎn)的地區(qū)，則需要保證基站的后備時(shí)間高于6個(gè)小時(shí)。對(duì)于一些位于偏遠(yuǎn)地區(qū)、存在應(yīng)急發(fā)電困難的農(nóng)村基站，需要采取相應(yīng)的解決措施，比如增加蓄電池組的后備時(shí)間。對(duì)于一些機(jī)房有限制條件或蓄電池后備時(shí)間需求較小的基站，可以適當(dāng)減少蓄電池組提供的后備時(shí)間[8]。

隨著引入5G設(shè)備，對(duì)于一些無法滿足后備時(shí)間要求的基站，但機(jī)房空間足夠且承重能力允許的，可以選擇更換為大容量電池。對(duì)于機(jī)房空間不足或承重有限的基站，則可對(duì)現(xiàn)有的鉛酸蓄電池進(jìn)行優(yōu)化，更換為全新的鐵鋰電池。與傳統(tǒng)蓄電池相比，鐵鋰電池在質(zhì)量方面更輕便、體積更小，可以解決現(xiàn)有機(jī)房空間和承載限制問題。

（四）智慧能源管理平臺(tái)

智慧能源管理平臺(tái)發(fā)揮關(guān)鍵的作用，對(duì)機(jī)站內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行智能化管理以及集成化管理。通過先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成設(shè)備的集成化管理，并通過人工智能對(duì)5G設(shè)備實(shí)施智慧化控制。與其他節(jié)能方案相比，這種方案能夠利用智慧能源管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能耗管理，并通過自動(dòng)化的管理過程降低人員操作的難度。從實(shí)際情況觀察，智慧能源管理平臺(tái)利用5G空口小區(qū)流量性能文件、運(yùn)營(yíng)商的警告信息、用戶數(shù)據(jù)等，通過深度學(xué)習(xí)算法獲取5G改造站點(diǎn)信息，并通過混合現(xiàn)實(shí)方式評(píng)估站點(diǎn)覆蓋情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控站點(diǎn)能耗。利用智慧能源管理平臺(tái)，能夠更加平滑地控制能耗，有效降低用戶在連接基站時(shí)的感知，并實(shí)現(xiàn)服務(wù)效果的有效提升。

五、5G基站電源技能改造未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展以及在商業(yè)中的廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)，為促使5G技術(shù)與發(fā)展相匹配，5G基站的建設(shè)人員和運(yùn)維人員需要提升自己的專業(yè)能力。

首先，可以與高校建立良好的合作關(guān)系，通過校企合作加強(qiáng)對(duì)5G建設(shè)人才和運(yùn)維人才的有效輸送。這不僅包括工作人員對(duì)5G技術(shù)運(yùn)用、5G基站建建設(shè)以及5G基站運(yùn)行原理等方面的掌握，還需要更好地理解基站電源系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)架和蘊(yùn)含的原理。在人才培養(yǎng)方面，要進(jìn)一步落實(shí)全面、專業(yè)化的培養(yǎng)要求，致力于打造一支高質(zhì)量的人才隊(duì)伍，他們不僅能全面應(yīng)用5G技術(shù)，還可以對(duì)基站電源系統(tǒng)進(jìn)行有效改造升級(jí)。

其次，工作人員在入職前應(yīng)接受充分的崗前培訓(xùn)，引導(dǎo)基站工作人員在基站系統(tǒng)改造項(xiàng)目中提升自身綜合能力，更加深入地掌握工作技能，為未來5G基站電源系統(tǒng)的更大創(chuàng)新積累豐富經(jīng)驗(yàn)[10]。

在今后的5G技術(shù)發(fā)展過程中，將更多的智能化、自動(dòng)化技術(shù)引入，通過優(yōu)化改造5G基站，并引入和運(yùn)用一些全新的技術(shù)和工藝。針對(duì)基站安全供電和持續(xù)供電問題，需要有效分析5G通信技術(shù)在各個(gè)基站電源系統(tǒng)中的情況，并進(jìn)一步構(gòu)建與5G基站系統(tǒng)改造升級(jí)不同的有效方案，以降低能耗消耗問題。例如，在基站電源系統(tǒng)改造過程中，可以引入智能檢測(cè)技術(shù)，并利用智能檢測(cè)傳感器對(duì)通信設(shè)備的不同電量需求及其變化進(jìn)行全面數(shù)據(jù)采集。這些數(shù)據(jù)可以為后續(xù)5G基站電源系統(tǒng)電池組的配置提供重要依據(jù)。通過智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電量需求的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和調(diào)配，從而在基站改造、升級(jí)過程中降低能耗問題。這樣的措施將進(jìn)一步提高基站的能效、穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展能力。

將智能化技術(shù)引入電源系統(tǒng)中，可以記錄系統(tǒng)整個(gè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化。通過收集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)范圍區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以對(duì)其中存在超標(biāo)的情況進(jìn)行第一時(shí)間地提醒，必要時(shí)作出警告。此外，在電源系統(tǒng)改造過程中出現(xiàn)的問題也能夠得到及時(shí)解決。通過對(duì)施工進(jìn)度中可能存在的盲目行動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，可以更好地發(fā)揮電源系統(tǒng)改造后的作用。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)電源系統(tǒng)改造過程和現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督管理工作，詳細(xì)分析施工過程可能存在的潛在因素，以轉(zhuǎn)化其中的危險(xiǎn)因素，預(yù)防安全事故的發(fā)生。為項(xiàng)目改造提供一個(gè)安全、有序的工作環(huán)境，為項(xiàng)目改造的順利開展提供支持。

六、結(jié)束語

綜上所述，越來越多的5G技術(shù)被廣泛開發(fā)和利用。5G網(wǎng)絡(luò)的建立不僅為社會(huì)發(fā)展帶來了全新的機(jī)遇，同時(shí)也帶來了一定的挑戰(zhàn)，特別是在基站的耗電量和運(yùn)營(yíng)成本方面。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化5G硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)創(chuàng)新，以充分發(fā)揮5G基站的能源效率。通過上文闡述，可以意識(shí)到5G基站中電源節(jié)能改造這一項(xiàng)目的重要性，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)致力于5G基站電源節(jié)能技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)5G基站的長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

作者單位：郭世浩 張豎新 山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]吳一凡，王紀(jì)清，司鼎，等.通信基站智能化差異配電研究[J].長(zhǎng)江信息通信， 2023，36（02）：197-200.

[2]吳亞暉，唐秋璇，劉子豪.打造綠色5G，助力低碳網(wǎng)絡(luò)——5G一體化智慧電源柜設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].江蘇通信，2023，39（01）：130-136.

[3]張明，仲婷.基站供配電智能精細(xì)化管理方案的設(shè)計(jì)[J].電氣時(shí)代，2023（02）：96-99.

[4]帥農(nóng)村，陳耀文.5G零碳基站配置模型研究與應(yīng)用[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2023，36（01）：62-67.

[5]李紅五，呂婷，李福昌等.5G無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能體系研究與展望[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2022（08）：6-11.

[6]武紅鳳.5G基站配套基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降耗技術(shù)研究[J].中國(guó)新通信，2022，24（14）：22-24.

[7]李露，李福昌.4G/5G基站協(xié)同智能節(jié)能方案研究[J].信息通信技術(shù)，2021，15（05）：52-57.

[8]林瑋.5G基站配套基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降耗技術(shù)分析與應(yīng)用[J].信息記錄材料，2022，23（06）： 176-178.

[9]王龍.新型儲(chǔ)能系統(tǒng)在通信基站供電中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2022，13（05）：58-62.

[10]朱朝暉.5G基站節(jié)能技術(shù)研究[J].數(shù)字通信世界，2022（05）：41-45.