基于物聯網的移動通信基站節(jié)能減排的研究與實現

黃春進 唐勇

摘要：隨著網絡規(guī)模不斷增長、新一代通信技術的應用，支撐移動通信基站運行的電費支出日趨上漲，給通信運營商的降本增效工作帶來很大壓力;本文分析移動通信基站的能耗組成，結合移動通信網絡組網特點，提出了節(jié)能新方案;新方案通過借助物聯網技術，結合移動基站閑時、忙時工作狀態(tài)，可依據需要，在保證網絡安全、性能穩(wěn)定及不影響用戶使用感知的同時，定時關斷/開啟RRU供電，達到節(jié)省能耗的目標。

關鍵詞：物聯網;節(jié)能減排;基站

1引言

在2019年信息通信行業(yè)節(jié)能減排大會上，中國移動公布運營商耗電量情況：從2014年到2017年，運營商耗電增長了23%，2014年運營商耗電450.8億度，占到全社會耗電量的0.8%，到2017年，運營商耗電量達556.8億度，占全社會耗電量的0.9%。

因此，各通信運營商都希望采取有效的節(jié)能減排措施，降低運營成本，提高運營效率，在行業(yè)競爭環(huán)境中提升競爭力。

2移動通信基站能耗分析

在移動通信網絡中，無線接入網基站數量最多，電費支出占維護成本支出的最大比重;無線基站的用電設備有：無線主設備（BBU+RRU）、傳輸設備（SDH+PTN）、電源轉換設備（配電柜）、空調等，從表1可以看出電能消耗最多的是無線主設備和空調。

無線主設備24小時不間斷地運行，運行中消耗電能，部分轉化為熱能釋放，為要抵消這些熱能導致的升溫，需消耗更多的空調制冷量，因此無線主設備能耗決定了空調的制冷量及能耗;所以降低無線主設備的能耗是整個移動通信網絡節(jié)能的源頭，是節(jié)能減排、降本增效的關鍵;

2.1無線主設備能耗分析

無線主設備耗電量主要取決于在無線接入網基站設備數量、射頻功放效率、天線饋線損耗、業(yè)務忙/閑時的信道載頻負荷大/小的變化，以及是否采用新技術（如MIMO），都會引起基站系統耗電量發(fā)生很大的變化。

現有無線主設備節(jié)能措施主要有以下幾種：

2.1.1減少無線接入基站數量：相比2G接入網，4G和正在部署的5G基站由于頻段的原因，導致單基站覆蓋范圍縮小的前提下，無線接入網基站的數量必然有增無減，所以通過減少無線接入網基站數量的方法實現節(jié)能在當前的形式下已經不可能;

2.1.2選用大容量高集成度低能耗無線主設備或提高功放單元的功率放大效費比：該方法是否有效率，主要取決于設備廠家因素，運營商可操作性不大;

2.1.3傳統2G網絡采用智能載頻、時隙關斷技術提高載頻資源利用率，降低能耗：無線主設備耗電與業(yè)務量、載頻數成正比，智能關斷技術可分為智能載頻關斷和智能時隙關斷，主要通過軟件實現，是根據基站業(yè)務量的變化進行調節(jié)，在業(yè)務空閑時將設備定為休眠狀態(tài)，在業(yè)務高峰時則自動切換正常模式，從而達到設備節(jié)能的目的。智能載頻關斷是通過小區(qū)業(yè)務量大幅降低時關閉部分載頻來實現;智能時隙關斷是設備根據當前時隙是否存在話務，或調整話務到某些固定時隙后，控制關閉其他未被占用時隙，從而降低功率放大器的能耗來實現節(jié)能;

2.1.4采用分布式基站建設，減少饋線損耗：采用分布式基站建設模式，把射頻遠端信號經過光纖傳輸介質拉遠覆蓋目標區(qū)域，可以減少由金屬饋線導致的損耗，目前中國移動已經廣泛采用該方式進行4G、5G的建設，但是通過分布式建設模式減少的饋線損耗，無法抵消由于4G、5G的高頻段衰減大的短板以及采用MIMO等高耗能新技術所新增的能耗。

2.2無線主設備節(jié)能新思路

由上述分析可知，無線接入基站數量大、主設備功放效率低、饋線損耗大、載頻資源利用率低等都會造成無線主設備功耗增加;但上文分析的節(jié)能措施中，減少基站數量、設備功耗降低對運營商而言可操作性低，而采用分布式基站建設模式雖然已經普遍推廣，但該方式的節(jié)能在4G、5G建設中入不敷出，節(jié)能效果并不明顯;傳統2G的智能載頻、時隙關斷技術等“軟”關斷方案可操作性高但節(jié)能效率較低，借鑒這種“軟”關斷方案，結合4G/5G組網特點，我們提出了節(jié)能效率更高的物聯網“硬”關斷RRU供電的節(jié)能方案：

2.2.14G、5G組網特點

首先我們分析4G、5G組網特點：其一是普遍推廣分布式基站建設模式，基帶單元BBU與射頻單元RRU的分開部署;其二是邏輯分層，對4G/5G無線接入組網層次，可分為：全面實現市、縣、鄉(xiāng)、村的廣度覆蓋，以及繁華商業(yè)區(qū)、人群密集區(qū)、教科文衛(wèi)體等重點區(qū)域的深度覆蓋，所以大部分站點安裝至少兩套不同頻段設備，廣度覆蓋設備（以下簡稱覆蓋層）：F頻段、FDD900頻段作為基本網絡覆蓋;深度覆蓋設備（以下簡稱容量層）：D頻段、部分E頻段室分小區(qū)、FDD1800頻段作為高流量情況下的容量吸收。

2.2.2物聯網“硬”關斷RRU供電的節(jié)能思路

根據用戶流動及上網行為特征，夜間23：00-8：00期間，大部分小區(qū)處于零低流量狀態(tài)，尤其是容量層小區(qū)，僅覆蓋特殊場景（如旅游景區(qū)、大學校園、商務中心區(qū)（CBD）、大型商場和火車站）的站點，每天流量時段只出現在固定的8-10個小時。基站用于容量分擔的頻段小區(qū)負荷很低，因此，在凌晨業(yè)務低時段，是否可在保證覆蓋效果的同時，對容量層TDDD頻段或FDD1800等無線設備射頻單元（RRU），可通過物聯網遠程控制RRU單元的供電，從而控制關斷/開啟RRU單元，減少能耗占比最大的RRU（功放單元部署在RRU）工作時間來降低能耗，實現節(jié)能目標。

3物聯網“硬”關斷方案基本原理

3.1物聯網“硬”關斷RRU方案系統原理圖

物聯網“硬”關斷RRU方案系統原理圖如圖1所示：

3.2物聯網“硬”關斷RRU供電方案執(zhí)行流程圖

物聯網“硬”關斷RRU供電方案執(zhí)行流程圖如圖2所示：

4節(jié)能方案實施

項目由硬件平臺和軟件平臺組成，其中硬件平臺分為后端云主機服務器，以及前端物聯網終端、常閉型繼電器;軟件平臺采用Linux操作系統下Python開發(fā)的應用服務程序;

4.1硬件平臺選型

4.1.1云主機配置

項目運行的云主機選用中國移動廣西公司公有云，硬件配置如表2：

4.1.2物聯終端產品選型

物聯終端控制器選用市場成熟產品——濟南有人物聯網技術公司USR-IO424T產品，采用ModbusRTU協議數據處理，支持ModbusTCP/RTU協議自動轉換，支持4路繼電器輸出、socket連接遠程服務器和TCPClient;

4.2軟件架構配置（表3）

4.2.1CentOS7.1linux操作系統

目前主流三大Linux服務器操作系統之一，穩(wěn)定性、安全性高，可維護性好;

4.2.2開發(fā)語言

云端服務應用選用Python進行開發(fā)，python最大優(yōu)勢是豐富的第三方開發(fā)庫可快速開發(fā)后臺應用程序;項目中使用了Apscheduler等第三方開發(fā)庫。

前端網頁選用JavaScript開發(fā)，采用第三方JavaScript庫eChart實現數據統計圖表、地圖展示的數據可視化功能。

4.2.3Web框架——Bottle

項目采用B/S方式管理物聯終端，在PC維護終端和手機可以用瀏覽器方式查詢、觸發(fā)物聯終端狀態(tài)，因此選用了Bottle+Twisted組合的web網絡架構：

Bottle是一個快速、簡潔、輕量級的基于WSIG的微型Web框架，除了Python的標準庫外，其不依賴任何其他模塊，它雖然輕量但仍然支持模型（Model），視圖（View）和模板（Template）即MVT開發(fā)模式。

物聯終端USR-IO424T是一款支持Socket連接遠程服務器的終端，為此我們選Twisted，一款用Python編寫的異步網絡架構開發(fā)三方庫，很好地支持了大量USR-IO424T終端接入云主機后臺服務程序;

圖3的軟硬件系統功能示意圖，清晰展示了基于物聯網的“硬”關斷節(jié)能方案的軟件模塊功能，以及與硬件配合共同完成指定動作的能力;

4.3交互頁面的實現

云主機通過Bottle框架提供web服務，向維護人員提供管理所有物聯終端的能力，維護人員維護終端或智能手機登錄交互頁面，使用四個模塊對所有物聯終端進行狀態(tài)查詢、命令下發(fā)：

監(jiān)控中心：可瀏覽所有物聯終端的數量、狀態(tài)的統計數據，地圖展示終端大致物理位置;

數據管理：提供物聯終端IMEI碼、SN碼的批量導入系統數據庫、批量設置定時關斷/開啟繼電器的時間的功能;

設備管理：提供對單個物聯終端的查詢、下發(fā)關斷/開啟繼電器指令的功能;

定時管理：修改單個物聯終端的定時關斷/開啟繼電器的時間，如果該基站需要延遲到零點后關斷;

5節(jié)能效果分析

移動通信基站節(jié)能效果一般無法通過實驗室仿真進行測試，我們采用實際掛電表測量某試點4G基站耗電量的方式，來檢驗3種工作模式（正常、休眠、停閉）下的節(jié)能效果;

節(jié)能效果對比如圖4所示，停閉模式節(jié)能效率明顯優(yōu)于“軟”關斷方式;

按2019年商業(yè)用電0.6元/kwh計算，單站年減少電費支出0.6x28x365=6132元;物聯終端USR-IO424T市場采購價約220元，每月3GB通信流量費約10元，首次安裝費用約60元，首年投入成本約400元，第二年開始降為120元，可見無線接入基站采用基于物聯網“硬”關斷方案，所帶來的節(jié)能經濟效益相當可觀。

6結束語

節(jié)能減排是國家提倡的長期工作目標，綠色環(huán)保是中國移動時刻踐行的原則，中國移動不斷研究節(jié)能新產品和新技術，為行業(yè)以及全社會貢獻節(jié)能減排、綠色環(huán)保的一份力量。本文通過分析移動通信網絡能耗特點，利用物聯網技術，結合4G、5G組網特點，提出了一種針對分布式移動通信基站中RRU單元的節(jié)電方案，通過實際測量對比方案實施前后消耗的電能，充分表明該方案具有較好的節(jié)能效果，可進一步推廣部署。

參考文獻

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[4]陸澤豐.鐵塔公司通信基站專項規(guī)劃思路探索[J].信息通信，2017（8）：253-254.

作者簡介：黃春進（1975-），男，壯族，廣西龍州人，碩士，中級工程師，現就職于中國移動通信通信集團廣西有限公司桂林分公司，研究方向為SDN、NFV、物聯網應用;

唐勇（1980-），男，壯族，廣西平南人，本科，中級工程師，現就職于中國移動通信通信集團廣西有限公司桂林分公司，主要從事高低用電力、通信電源、專業(yè)空調等設備的維護與管理工作。