基于智能节电技术实现5G基站节能减排的研究_刘洁.pdf

文/刘洁 中国铁塔股份有限公司甘肃省分公司 摘要： 通信行业始终走在节能 减排的路上，降低能源消耗、减少电 量损耗是其发展的主要目的之一。为 了达到节能减排、资源合理利用的目 标，应进一步探索智能节电技术的应 用方式，探究基站能耗的基本构成， 以此构建更加完善的基站评估模型， 计算实际电能损耗量，选择恰当可行 的智能节电技术，实现5G基站节能减 排的最终目的，控制基站与设备的耗 电量。本文主要研究了智能节电的原 理与原则，从发展现状出发，探究5G 基站的能耗，分析智能节电技术与网 络节点技术的应用方式，以此减少能 源损耗，控制电量浪费，实现节能减 排的目的。 关键词： 智能节电技术；5G基 站；节能减排 引言 通信技术的快速发展改善了人们 当前的生活方式，在物联网、互联网 技术的融合下，通信产业实现了进一 步创新，并迎来了新的业务爆发点。 当前，业务流量的增长形式呈爆炸 式，连接需求只增不减，且带来了新 的业务与场景，推动了5G技术的发 展与应用。5G网络覆盖面积持续扩 大，且正处于4G网络与5G网络共存 的时代，但其中话务量并未出现明显 增加，各大运营商的经营成本却不断 提升，导致利润逐渐缩减。其中基站 电费是运营商的主要支出成本之一， 尤其是5G基站耗电量高，使得电费成 本也不断上涨。因此，为了减小耗电 量，达到节能减排的目标，就应加强 5G基站中智能节电技术的有效应用， 制定整体化的节能方案，以此控制成 本支出，提高运营利润。 1. 通信节能减排发展现状 在联合国气候变化委员会的预测 下，如果全球仍然不采取科学可行的治 理措施，至2030年温室气体的排放量则 会增加20%~90%，而全球平均温度会上 升4℃。全球温度每上升2℃，就会带来 灾难性影响，包括冰川融化、暴雨、海 啸、疫病等等，给人类生活带来严重威 胁，因此节能减排是全球共同努力的发 展方向。对于通信行业而言，给气候变 化带来的主要是能源消耗问题，虽然与 传统的冶金类行业相比，通信行业的能 源消耗较低，排放量较少，但在ICT行 业中，温室气体排放量也高达2%，而 通信行业则占据其中的25%，这也就意 味着通信行业对全球变暖也起到了严重 不良影响 [1] 。 在此种发展趋势下，我国通信行 业中的各大运营商始终在探究节能减 排的具体路径，并逐渐朝着节能型企 业发展。针对全球共同节能减排的发 展趋势，全球运营商都在积极降低能 耗，减少设备运营带来的电能损耗， 比如，西欧国家的运营商在选择合作 伙伴时，将设备制造商的节能减排 技术应用作为门槛之一。我国三大运 营商在政策的号召下，也在积极探究 如何发展绿色经济，降低能源损耗， 实现节能减排的最终目标，通过控制 通信设备的碳排放量，减少电能损耗 问题，承担相应的社会责任，推动社 会、国家与企业自身的可持续发展， 降低对地球环境的损害。 2. 智能节电原理与实施原则 智能节电技术的应用原理是结 合实时话单数据的国际移动用户识别 码（IMSI）以及移动设备识别码信息 （IMEI），构建与移动用户识别码、 终端型号相对应的管理关系，实现4G 网络信息与5G网络信息的关联，并在 4G网络信息系统的应用下，为5G网络 终端的流量与损耗提供支持 [2] 。结合各 项动态化数据，判断5G网络终端的流 量，到了一定限值后，可关闭5G网络 基站。当定时关闭5G网络基站后，也 会随之出现一定数量的5G网络终端， 这时再开启5G网络基站，能够有效满 足各项通信需求，保证实际用户网质 量，达到节约能源的目的。系统中的 应用服务器能够完成对数据的采集， 包括用户需求，同时也能够根据所采 取的数据信息进行匹配，控制与其对 应的用户数量与流量。 对5G基站小区的用户数量进行动 态化监控，同时也需要监控共同覆盖 的4G基站小区下的用户数量与物理资 源块利用率，在应用服务器的支持下 发出动态指令，从而实现对5G基站的 基于智能节电技术 实现5G基站节能减排的研究 G-知音-绿色能源 休眠与唤醒处理。这首先需要剔除党 政军等关键基站，而后对其他数据集 成进行数据分析与数据处理。具体处 理原则为：在5G基站覆盖小区内，如 果在线用户数少于5人，则判定此小区 休眠，如果同覆盖4G小区的用户数少 于30人时，物理资源块利用率在20% 以内时，平台则可将5G基站的用户切 换到4G小区下；如果同覆盖4G小区的 5G用户数超过10个，则可开启5G通 道。一般情况下5级基站小区从激活到 休眠大约需要5分钟，而深度休眠到激 活需要10分钟。 3. 5G基站的能耗分析 3.1 5G基站的分类与构成 5G基站在分布式与整体式演进的 推动下，形成了独立组网与非独立组 网等多种部署形式，为运营商部署5G 网络时提供选择。在非独立组网中， 手机可双连接5G基站与4G基站，而双 连接主要与LTE相关，UE能够分别连 接两个不同基站，应用不同基站的无线 链路资源，但这两个基站有主站与从站 的区别，在用户终端既可接入5G基站 也可接入4G基站。两者运行的核心区别 就在于是否能够应用到5G核心网。5G 基站可分为宏基站与微基站，其中宏基 站是主要构成，规模较大，资金投入额 较高；微基站成本损耗低，操作简单。 5G宏基站主要由BBU、AAU构成，其中 的配套设备包括电源、监控设备、电池 与空调；基站内部结构氛围射频单元、 散热系统、基带处理单元、天线接口等 等。5G无线电所接入的网络架构，兼容 性能更强，其中包含中继通信、RRU基 站级联等，单个BBU可与多个RRU形成 伞形连接。 3.2 设备耗电情况 通过分段统计5G基站的能耗，可 以得知其主要消耗设备包括基站主设 备、照明设备、空调设备、开关电源 等。其中基站主设备的耗电占据49%左 右，主设备的能耗主要与机柜与载频 消耗构成，功耗可分为AAU、BBU两部 分，而AAU占据90%，是其主要消耗组 成。机柜功耗主要由控制板、合路器几 个部分构成。基带模块功耗与功放模块 功耗是载频功耗的主要构成。 4. 智能节电技术的应用 就5G技术的发展情况来看，其各 项业务仍然存在潮汐现象，无论是时 间还是空间的发展都不够均衡，在全 天时段的应用存在着明显的差异，高 峰时段的应用量可超过低谷时段的5 倍。无论网络业务是否繁忙，5G基站 与设备始终处于运行状态，而每月的 电能损耗也就随之增多。 4.1 符号关断 符号关断的智能技术就是通过监 控实际业务数据量，如果并无有效信 号数据发射情况，这时智能调节功放 系数能够自动关闭电源，从而实现控 制能源消耗。5G基站设备在运行过程 中，即使AAU不再发出信号，但也会 出现静态能耗。应用符号关断技术， 当AAU对下行符号进行检测时，发现 并无数据发送，此时便可关闭射频硬 件，从而减少静态功能损耗，节约能 源 [3] 。如果AAU检测到下行符号发送数 据时，功放会立刻做出反应，并准备 进入工作状态。符号关断的反应时间 十分精准，为微秒级，对用户产生的 影响微乎其微。但符号关断更适合应 用到低负荷场景中，基站可根据业务 量与流量的变化，判断是否需要发送 数据，并实现符号智能化关断。此项 技术的使用能够有效降低5G基站设备 的能源消耗，同时也能够保障数据信 息的有效传输，不影响用户的使用。 4.2 通道关断 通道关断是指当某一时间段内小 区用户数量较少时，系统能够自动监 测这一情况，最后会根据实际状态关 闭一定比例的发射通道。通道关断技 术的使用是在用户减少时对通道进行 关闭，不会对用户的使用产生影响。 通道智能关断，更适合应用于64通道 的AAU设备之中，随着业务量与用 户量的变化，能够合理地对一些射频 频道进行关闭，保持休眠状态，从而 降低能源消耗。如果此时基站业务量 上升，已关闭的通道会自动打开，并 保持多通道状态，保障用户的使用需 求。通道智能管道技术的使用，离不 开对用户覆盖率容量的掌握，通过动 态化监督，制定最为合理的通道关断 方案。降低用户感知的影响是选站的 基本准则，一般情况下需要满足两个 条件：在城市边缘地区、校园教学区 等潮汐现象较明显的地区；在郊区农 村、利用率低于10%的小区。 4.3 基站下行功率优化 对于非边缘用户而言，并不存在 功率受限制的问题，基站可根据实际业 务需求或者无线通道的实际质量，对下 行发射功率进行适当调整，使得用户感 知能够得到保障，同时也能够控制能源 消耗。静态控制与动态控制是基站下行 功率优化的主要控制手段。其中静态控 制主要是根据信号的实际覆盖能力，通 过对参数的合理调整，使得发射功率随 之发生改变；动态控制则是通过收集信 道与信号的实际传输状态，反馈相关关 键信息，使其能够适应实际发生功率。 PDCCH信道动态功率控制，可在BLER 目标值的影响下，对PDCCH的发射功率 进行调整。 4.4 深度休眠 深度休眠是指关闭基站的AAU 功放、视频与数字通道，保持最终的 数字接口电路，使得AAU在进入深度 休眠状态后，能够达到降低能耗的效 果。深度休眠控制更适合用于5G负荷 G-知音-绿色能源 较低的时段，尤其是在商场与地铁等 分覆盖站点中，更适合应用本技术。 如果业务流量降低，天线设备会自动 进入到深度休眠，并关闭数字射频通 道与功放；如果出现业务请求或者深 度休眠时间终止后，设备则会自动恢 复运行状态 [4] 。如果宏基站并无承载 业务，或者说深度休眠时间到达后， AAU总会再次启动深度睡眠，并将相 应时间调整为秒级。如果宏基站检测 到业务后，则会在5～10分钟自动恢 复运行状态。深度休眠技术的使用， 虽然能够有效控制基站的能源消耗， 但在深度休眠时会影响用户的实际感 知，需要综合考虑后才可使用。 4.5 载波关断 无线网络的容量离不开多方网通 覆盖的支持，如若在同一扇区内载波 负荷下降，既不会影响客户感知，也 能够起到减容效果，从而建设无线设 备的功能损耗。基础覆盖层可选择多 层网的低频段小区，容量层可选择高 频段小区，使其系统容量得到提升。 如果覆盖区域范围内负荷降低到一定 水平之后，可将同扇区内的用户转移 到基础覆盖小区，同时可关断相应小 区的载波，实现节能减排。 5. 5G基站节能减排技术 站点节能减排主要是结合基站的 实际布局情况，通过合理调整布局结 构，有效控制基站机房的能源消耗， 而后通过对外电配套与制冷系统的优 化，提高节能减排效果，践行节能减 排政策。 5.1 智能电表与用电综合管理系统 在无人基站中安装智能电表，能 够实现对基站用电情况的有效管理， 也正是在智能电表的支持下，能够实 现远程数据收集、数据传送、数据检 测，并以此为基础，构建完善的用电 综合管理系统，实现对用电量的全面 掌控。用电管理系统能够结合数据信 息形成管理报表，并对用电制度加以 完善，从而控制用电量，实现节能降 费。在建立智能电表综合系统时，可 根据得到的数据信息进行全面分析， 并构建以5G基站用电量为基础的规律 模型。第一，此模型构建能够实现对 5G基站能耗数据的准确统计与分析， 实现对能耗情况的精准掌握，并针对 能耗异常情况，加强对5G基站用电量 的管理；第二，对各项节能技术的实 际节能效果进行精准测评；第三，在 不同场景下建立对应的管理模型，能 够分析相对应的最佳节能管理措施， 为5G基站节能减排方案的制定提供可 靠参考。 5.2 直供电改造 与4G网络相比，5G网络的载波 频率更高，随着频率的提高，电磁波 的衰减也就会随之增大，这也就表明 5G基站的信号覆盖半径较小，要想达 到4G网络的覆盖范围，就需要构建更 多的5G网络基站 [5] 。建设更多的5G基 站面临的最大难点就是选址问题，设 备基站的构建一般需要获得私人业主 与小区物业的同意，也需要从小区获 取电源，但转供电的价格与直供电价 格相比更高。实现直供电改造能够有 效解决上述各类问题，供电局可直接 为5G基站供电，用电方直接将费用缴 纳至供电局即可。通过直供电改造操 作，最终电费单价明显降低。 5.3 制冷系统 基站配套设备的节能也是5G基站 节能减排的主要途径之一，其中智能 系统占据能源消耗的较大比例，而基 站内各个设备的运行也会受到环境温 度的影响。当环境温度越高时，漏电 流的概率也就会随之上升，功能损耗 随之增加。采用智能系统的主要目的 是将基站的环境温度维持至正常范围 之内，使得通信设备能够稳定高效地 运行，不会因为温度过高出现故障。 当前基站所采取的制冷方式主 要以空调制冷为主，为了将机房内的 热量排出，空调需要全天候运行，此 时会耗费大量的电能，因此降低制冷 系统的能耗，是5G基站节能减排的 关键。首先基站更高，应当优先选择 符合标准的高能效空调，比如二级能 效空调。而在机房内可引入智能新风 系统化，抽入室外新鲜空气，经过净 化处理后引入机房，降低机房温度。 同时智能系统的构建也可以引入新能 源，如太阳能、风能等等，通过新能 源来降低能源消耗，实现绿色发展。 6. 网络节能技术的应用 网络节能技术的使用主要是从网络 架构角度出发，制定节能方案，通过对 网络架构的有效调整，降低无线接入网 的能源消耗与运营成本，从而实现运营 商的业务利润的可持续增长。 6.1 集中式无线接入网 集中式无线接入网（C-RAN）主 要是在网络技术的支持下，所形成的一 种无线网络架构，属于集中化处理的绿 色手段。在部署BBU设备时选择此种方 式，能够有效监视空调等配套设施的使 用，也能够降低机房数量，从而实现降 低能耗。在集中式无线接入网络架构的 支持下，可在室外部署与安装AAU射频 单元，在机房中集中放置BBU，从而实 现信息资源的共享，有效减少消耗，满 足机房与配套设施的需求，控制相应的 部署成本。另外，在基站内需要集中放 置基带处理设备，在后期维护工作时能 够有效减少工作量与维护成本，更便于 管理。 6.2 接入网虚拟化 接入网虚拟化属于C-RAN的一种 延伸方式，除了基站射频以外，可实 现对其他设备的虚拟化部署与安排。 在网络功能虚拟化技术的支持下，可 在虚拟机中应用网络功能，实现合理 分配与分离各项资源，并解耦软件功 能与硬件功能，为5G网络切片提供支 撑 [6] 。不同的业务需求可选择不同的 虚拟网络功能，使其处理能力更加灵 活，同时也能够在网络功能设置中结 合时延需求，设置边缘虚拟机。在虚 拟化技术的支持下，能够有效控制机 房数量建设和能源消耗，降低维护成 本，而动态化资源共享也能够保持网 络负载的均衡。 6.3 C-RAN分场景部署 如果在程序间距等范围内，机房 与传输线路符合相关条件，则应当采 取C-RAN组网结构，基站集中度在 5~15个，从而降低成本，节约资源。 但由于乡镇等地区基站较为分散，这 时可选择D-RAN组网。在高校、医 院等场景，由于业务量较大，各基站 的分布也较为密集，拥有光缆条件优 势，则可采取C-RAN组网，有效减少 传输设备，控制能源损耗。在高铁、 地铁等交通场景中，基站分布一般以 链状为主，此时可采用C-RAN组网， 综合考虑站间距离、传输投资等因 素，合理安排基站，降低能源损耗。 结语 综上所述，当前5G基站的数量还 在不断增加，所带来的能源损耗问题 还有待解决，在国家发展绿色经济的 支持下，5G基站更应当积极探索节能 减排的具体策略，通过对智能化节点 技术的使用，探寻通信行业未来绿色 发展的路径，获取良好的节能减排成 效。 参考文献： [1]李露,李福昌.4G/5G基站协 同智能节能方案研究[J].信息通信技 术,2021,15(5):52-57. [2]苟坤.5G基站节能技术及应用研 究[J].电信快报,2021,(10):44-46. [3]潘传佑,李巍,张佳学,等.基于 5G基站节能技术的智慧型断路器研 究与设计[J].电工技术,2021,(18):29- 32. [4]谢慧芝,郭昊.5G基站节能 减排的应用[J].电子技术与软件工 程,2021,(15):12-13. [5]李露,李福昌,曹亘,等.5G 基站智能节能方案研究[J].移动通 信,2021,45(2):85-88. [6]周普成,蔡文科.5G基站技术 节能策略分析与研究[J].通信电源技 术,2021,38(2):181-184. 作者简介： 刘洁，硕士，中国铁 塔股份有限公司甘肃省分公司，电信 业务师（中级），研究方向：通信基 站能耗管理。