5G基站如何節能減排

■文/曾昭才

5G 網絡的載波頻率比4G 網絡的載波頻率高，然而，頻率越高，電磁波的衰減越大，這意味著5G 基站比4G 基站的信號覆蓋半徑小。要達到與4G 網絡相同的覆蓋范圍，5G 基站的布局密度要更大，而5G 單個站點功耗遠比4G 單個站點功耗要高。那么，如何建設5G 綠色網絡才能達到降低成本、節能減排的目的？

2019年6月6日，工信部正式向中國移動、中國電信、中國聯通及中國廣電發放5G 商用牌照，這標志著我國移動通信正式邁入5G 時代。5G 技術的商用帶來了新一輪大規模網絡建設。工信部統計顯示，截至2020年10月，我國已累計建設5G 基站超過70 萬個，5G 終端連接數超過1.8 億個。

5G 網絡有著大帶寬、低時延、廣連接的特點。然而，5G 帶來的新機遇與挑戰并存。為了達到與4G 網絡相同的覆蓋范圍，高頻率的5G站點布局密度需要更大。但是，5G 單個站點的功耗遠比4G 單個站點功耗要高，更大密度的站點布局意味著耗能大大增加。5G 基站網絡設備采用“AAU+BBU”架構：AAU 為射頻部分，是由射頻單元和天線整合的有源天線單元；BBU 是基帶處理單元。在傳統宏基站功耗構成中基站主設備功耗占比最高，而射頻部分的功耗又占了主設備功耗的90%。由此可見，基站節能是無線網節能降耗的基礎。

設備節能

為了滿足5G 發展需求，5G 設備需求量巨大。移動通信網絡業務存在明顯的潮汐效應，在時間、空間上均呈現出忙閑不均的特征，高峰時段是低谷時段的4 ～5 倍，甚至更大。盡管網絡業務忙閑不均，但是5G 設備一直處于運行狀態，每月電費成本較高。不過，也正是無線網業務這種潮汐效應的特征，為節能技術的應用提供了可能。

●符號智能關斷

5G 基站設備中，AAU 的射頻器件在沒有信號輸出時，也會產生靜態能耗。符號智能關斷功能可以通過對業務數據量的監控，在沒有有效數據發射時，智能調節功放系數或者關閉功放電源可以達到節能目的。

當AAU 檢測到部分下行符號無數據發送時，在此周期內關閉功放等射頻硬件，可以降低靜態功耗；當AAU 檢測到有數據發送時，功放立即進入工作狀態。符號關斷功能反應時間為微秒級，對用戶感知影響很小。符號關斷主要適用于低負荷場景，基站根據業務量的變化，判斷子幀是否有數據發送，實現智能化符號關斷。智能符號關斷技術的引入既可以降低設備功耗又能保證數據傳送的完整性。

●通道智能關斷

通道智能關斷是指系統監測到在某段特定時間小區用戶數較少的時候，關閉設備一定比例的發射通道。由于通道智能關斷功能在用戶減少的情況下關閉通道，基本不會影響用戶感知。

通道智能關斷的特性十分適用于64 通道的AAU 設備，基于業務量的變化，適時休眠部分射頻通道可以達到降低功耗的目的。當基站業務量增加時，打開已關閉的通道，即可恢復多通道狀態。

通道智能關斷應基于用戶覆蓋和容量的需求，動態實現最佳的通道關閉策略。選站準則應最大限度降低對用戶感知的影響，實施小區應滿足兩個條件：一是城市邊緣、高鐵、校園教學區和宿舍區等潮汐效應明顯的小區；二是針對郊區農村，無線資源利用率7 天平均低于10%的小區。

●深度休眠

基站關閉AAU 功放、絕大部分射頻以及數字通道，僅保留最基本的數字接口電路，使AAU 進入深度休眠狀態以達到降低功耗的目的（見圖1）。

圖1 基站深度休眠示意圖

深度休眠適用于5G 負荷不高的場景或者時段，深度休眠主要用于室分覆蓋站點，特別是商場、地鐵等典型潮汐場景。在業務空閑時，天線設備進入深度休眠模式，關閉功放、絕大部分射頻以及數字通道。當有業務請求或到達深度休眠終止時間的時候，設備恢復正常運行狀態。當宏基站沒有承載業務或到達深度休眠啟動時間時，AAU 啟動深度休眠，響應時間為秒級；當宏基站檢測到有業務請求時，AAU 自動從深度休眠恢復，恢復時間需要5 ～10分鐘。

深度休眠技術有利有弊，當設備啟動深度休眠時，雖然能減少基站功放能耗，但在一定程度上影響了用戶感知，需謹慎應用。

站點節能

站點節能關注的是整個基站的布局情況，一個好的基站布局能夠有效減少基站機房能耗，基站的外電配套與制冷系統在節能方面有著很大的挖掘空間。

●直供電改造

5G 網絡的載波頻率比4G 網絡的載波頻率高，而頻率越高，電磁波的衰減越大，這意味著5G 基站比4G 基站的信號覆蓋半徑小。要達到與4G 網絡相同的信號覆蓋范圍，5G 網絡需要建設更多數量的基站。這在基站選址上無疑增加了困難，受到設備安裝環境的限制，不免要尋求私人業主或者小區物業的幫助，從小區取電，而這些轉供電的電價普遍要比直供電電價高。直供電改造可以解決上述問題，直供電是指供電局直接供電，供電局直接向用電方收取費用。直供電改造是將轉供電改造成直供電，經直供電改造后，電費單價下降明顯。

●智能電表和用電綜合管理系統

5G 基站安裝智能電表，加強基站用電管理，建立能夠對智能電表實施遠程數據收集、抄收、檢測的用電綜合管理系統。通過管理系統對數據進行分析、分類整理，形成相應的管理報表，同時制定有針對性的用電管理制度，以達到節能降費的目的。

通過智能電表建立用電綜合管理系統，可以依據得到的數據建立5G 基站電量規律模型，該模型可以達到3 個目的：一是準確統計現有5G 基站能耗數據，監控站點能耗情況，找出并分析能耗發生異常變化的5G 基站；二是測試、評估站點所采用的各種節能技術帶來的實際節能效果；三是通過不同場景建立相應模型，可以分析得到不同場景下最優的節能措施和方法，作為5G 基站節能減排方案和降低公司成本提供決策的依據。

●制冷系統

基站配套節能也屬于站點級節能的一環，基站配套能耗主要占比是制冷系統，基站通信設備的功耗受環境溫度和業務負荷的影響。通常，環境溫度越高，器件的漏電流越大，基站的功耗也隨之增加。制冷系統目的就是讓基站通信設備保持在正常的工作溫度，保障通信設備在恒溫下運行，不因為溫度過高而宕機。

目前，基站主要還是采用傳統的空調制冷方式。為了排出機房內的熱量，基站空調幾乎需要全天不間斷運行，空調耗電量非常大，占整個基站能耗的四成左右，降低制冷系統的能耗是基站配套節能的關鍵點。

現有基站的空調應該優先選擇中國消費者協會認可的高能效指標空調，如采用二級能效空調作為節能空調。同時，機房可以考慮引入智能新風系統，以風機抽入室外新鮮冷空氣，經凈化處理后直接引入機房，為機房降溫，降低機房對空調的需求。

制冷系統可以進一步考慮使用新能源，如太陽能、風能、液冷降溫等，引入新能源能有效減少碳排放，是企業綠色持續發展的有效途徑。目前，新能源行業發展迅速，可以預見，不久以后新能源行業有望在基站節能方面大放光彩。

網絡節能

網絡節能技術主要從網絡架構思考節能方案，一個好的網絡架構有助于降低無線接入網的能耗、建設和運維成本，實現運營商的可持續的業務和利潤增長。

●集中式無線接入網

集中式無線接入網（C-RAN）是根據現有網絡條件和技術進步的趨勢所提出的新型無線網架構，也是一種基于集中化處理的綠色無線接入網結構。

采取C-RAN 方式集中部署BBU 設備，可以減少機房數量及其配套設備（如空調、備用電池），實現降低能耗的目標。在C-RAN 網絡架構下，射頻單元AAU 可以在室外直接部署安裝，BBU 集中放置在機房里實現資源共享，這樣可以大大減少對基站中心機房和基站配套的需求，從而降低整個無線接入網絡的部署成本。同時，由于基帶處理設備集中放置，能夠減少基站維護成本，方便維護人員管理。網絡節能技術主要從網絡架構思考節能方案，一個好的網絡架構有助于降低無線接入網的能耗、建設和運維成本，實現運營商的可持續的業務和利潤增長。

●接入網虛擬化

接入網虛擬化是集中式無線接入網的延伸演進，是比BBU 池組化更大的概念。接入網虛擬化是指除了基站射頻外，其他設備均實現網絡功能的虛擬化部署和編排。

采用網絡功能虛擬化（NFV）技術將網絡功能轉換到虛擬機中，容易實現資源的分配與分離，實現軟件功能與硬件能力的解耦，從而支撐5G網絡切片。不同業務按需使用不同的虛擬網絡功能（VNF），可以根據不同業務負荷靈活配置處理能力，同時還可以根據時延的需求將網絡功能設置在邊緣虛擬機或是核心虛擬機。

接入網虛擬化能夠大大減少機房數量，減少電力消耗，降低成本和運行維護開支。同時，基帶資源共享能夠實現動態的網絡負載均衡。

5G 基站建設數量還將持續增加，在節能減排方面有大量可挖掘的空間。在我國“雙碳”目標下，5G 基站節能減排更是迫在眉睫。這就需要我們對基站節能技術不斷探索，敢于嘗試，去建設一張綠色可持續發展的高性能5G 網絡。