基于智能节电技术实现5G基站节能减排的研究

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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2090，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 515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,2021,15552-57. [2]苟坤.5G基站节能技术及应用研究[J].电信快报,2021,1044-46. [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,2021,1829- 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,2021,1512-13. [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,2021,45285-88. [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,2021,382181-184. 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。