5G基站配套節(jié)能技術(shù)研究

趙 涵，郭云崢，李 奧，高興旺，何 茜

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

據(jù)工信部公開信息顯示，截至2021年6月末，我國已建成5G基站96.1萬個，占全球70%，5G連接數(shù)已超過3.65億，占全球80%。下一步，我國還將繼續(xù)大力推進5G、千兆網(wǎng)絡(luò)等新一代信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。目前，經(jīng)過通信主設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，5G基站主設(shè)備的電能耗較建設(shè)初期下降了20%，但仍在一個較高的電能耗水平。在國家“雙碳”戰(zhàn)略大背景下，推動信息通信行業(yè)的節(jié)能降耗，尤其是降低5G基站能耗總體水平尤為重要，需要探討如何進一步降低5G基站能耗。

1 5G基站能耗組成與現(xiàn)狀

1.1 5G基站能耗組成

5G通信基站能耗包括電耗和油耗兩部分，其中電能是通信基站的最主要用能方式，包括通信主設(shè)備能耗、配套設(shè)施能耗兩部分。通信主設(shè)備能耗包含傳輸設(shè)備（PTN/SPN等）功耗、無線設(shè)備（AAU、BBU）功耗。其中無線設(shè)備功耗占比較大，根據(jù)主流廠家的設(shè)備情況，AAU的額定功耗為1 300 W，BBU的額定功耗為1 100 W，其中AAU功耗的增長是5G基站能耗增大的重要原因。5G基站主設(shè)備的能耗約占基站全部能耗總量的50%左右。

5G基站配套設(shè)施主要包括空調(diào)、電源、建筑圍護等基礎(chǔ)設(shè)施?？照{(diào)系統(tǒng)能耗由室內(nèi)冷負荷及空調(diào)實際能效決定，而室內(nèi)冷負荷主要來源于圍護結(jié)構(gòu)熱量、室內(nèi)外換氣熱量、電源發(fā)熱量和主設(shè)備發(fā)熱量。據(jù)研究統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)的能耗量約占基站全部能耗總量的40%[1]。5G基站電源系統(tǒng)一般由交流供電系統(tǒng)、直流配電供電系統(tǒng)組成，其能耗主要源于供電架構(gòu)、電源設(shè)備的自身損耗、線纜損耗等能量損失。據(jù)研究統(tǒng)計，基站電源系統(tǒng)的能耗約占基站全部能耗總量5%～10%[2]。

1.2 5G基站能耗現(xiàn)狀

根據(jù)《中國移動碳達峰碳中和行動計劃白皮書》披露，“十三五”期間，中國移動實施多項節(jié)能措施，累計節(jié)電近100億kW·h，減少二氧化碳排放約630萬t。據(jù)統(tǒng)計，2021年某運營商5G基站能耗總量占全部能耗總量的一半。

目前，信息通信行業(yè)已開展設(shè)備級節(jié)能、站點級節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能3大技術(shù)領(lǐng)域研究，分先單站硬件、再單站軟件、最終網(wǎng)絡(luò)協(xié)同3個部署階段降低基站功耗，但主要研究仍集中在通信主設(shè)備的節(jié)能上，尚未形成明確的配套設(shè)備節(jié)能解決思路[3]。中國移動目標“十四五”期間新增5G基站單站能耗較2020年下降20%。為全面推進5G基站的節(jié)能減碳，需要同時降低5G基站配套設(shè)備的能耗，加快研究5G基站配套設(shè)備節(jié)能技術(shù)方案、應(yīng)用場景建議與路標要求。

2 5G基站配套節(jié)能技術(shù)介紹

5G基站配套設(shè)備的能耗主要來源于空調(diào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的能耗，因此配套設(shè)備的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能方案研究也主要圍繞兩方面進行。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

5G基站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能主要考慮提高空調(diào)實際能效、避免冷量浪費等方面，目前比較成熟的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要有：機柜級制冷技術(shù)、自然冷源利用技術(shù)（熱管技術(shù)與智能新風(fēng)系統(tǒng)）、液冷技術(shù)等。

（1）機柜級制冷技術(shù)是將空調(diào)室內(nèi)機模塊化后集成于通信設(shè)備機柜上，將高功耗設(shè)備集中收容于機柜內(nèi)，再對其進行精準封閉制冷，通過冷媒將柜內(nèi)設(shè)備熱量轉(zhuǎn)移至機房外?？山鉀Q5G網(wǎng)絡(luò)采用CRAN方式組網(wǎng)時，BBU集中安裝造成的機房局部熱點、空調(diào)制冷能耗居高不下、不同進出風(fēng)類型設(shè)備無法共柜安裝等問題。采用機柜級制冷技術(shù)改造后，柜內(nèi)設(shè)備出風(fēng)口溫度最高不超過50 ℃，整站PUE由1.4降低至1.2。

（2）智能新風(fēng)系統(tǒng)是將新風(fēng)設(shè)備同空調(diào)聯(lián)動，充分利用室外自然冷空氣對基站機房環(huán)境進行降溫，減少空調(diào)運行時間，從而實現(xiàn)節(jié)能。通信基站使用智能新風(fēng)系統(tǒng)后，實際案例測算，可節(jié)省電量6 000～10 000 kW·h/臺/年。

（3）熱管技術(shù)包含重力熱管技術(shù)和動力熱管技術(shù)，動力熱管包括氣相動力熱管和液相動力熱管。重力熱管技術(shù)是利用液體重力與氣體浮力作為冷卻設(shè)備中制冷劑流動的驅(qū)動力，在不開啟壓縮機的情況下實現(xiàn)制冷。氣相動力熱管技術(shù)是將驅(qū)動設(shè)備設(shè)置在氣體管路上驅(qū)動制冷劑氣體，構(gòu)建氣相動力熱管循環(huán)；液相動力熱管技術(shù)是將驅(qū)動設(shè)備設(shè)置在液體管路上驅(qū)動制冷劑液體，構(gòu)建液相動力熱管循環(huán)。采用熱管技術(shù)全年平均PUE可控制在1.2以下。

（4）液冷技術(shù)包含冷板式、浸沒式、噴淋式技術(shù)。冷板式液冷技術(shù)是將冷卻水從特制的注水口流入，經(jīng)過密閉的散熱管流進主機，帶走CPU、內(nèi)存和硬盤等熱量后再流出，采用冷板式液冷技術(shù)PUE可達到1.3～1.6。②浸沒式液冷技術(shù)是將服務(wù)器泡在液體里，系統(tǒng)是由機柜和液冷機組成，機柜里采用特殊的工程液體為熱傳遞介質(zhì)，采用浸沒式液冷技術(shù)PUE可達到1.05～1.2。③噴淋式液冷技術(shù)是直接將絕緣環(huán)保的液體冷卻介質(zhì)精準噴淋到服務(wù)器內(nèi)部的發(fā)熱器件或與其接觸的散熱器上，冷卻液迅速吸收芯片熱量并通過液冷系統(tǒng)傳遞到戶外，采用噴淋式液冷技術(shù)PUE可達到1.05～1.2。

2.2 電源系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

5G基站電源系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要從改變供電系統(tǒng)架構(gòu)、降低設(shè)備自身損耗、線損、提高系統(tǒng)能效等多方面實現(xiàn)，主要包括基站一體化能源柜、自冷型電源技術(shù)、智能升壓、智能開斷、智能休眠、750V高壓直流拉遠供電、高效整流模塊、第三代半導(dǎo)體技術(shù)、智能鋰電、氫燃料電池、固態(tài)電池等節(jié)能技術(shù)。

（1）基站一體化能源柜主要由智能MIMO（多輸入多輸出）電源單元、智能鋰電池單元和機柜組成，為基站通信設(shè)備提供安裝空間和不間斷供電，具備高密度、全面模塊化、數(shù)字化、智能化等多重性能。與傳統(tǒng)方案相比，建設(shè)周期縮短約90%，投資降低約30%，占地減少約60%，能效提升8%～17%。

（2）自冷型電源技術(shù)是一種采用48 V輸出的小容量直流電源系統(tǒng)，采用無風(fēng)扇自然散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，轉(zhuǎn)換效率高，一體化設(shè)計，體積小，就近取電、供電，節(jié)省機房、空調(diào)，具有很好的節(jié)能、節(jié)地優(yōu)勢。采用自冷型電源技術(shù)日節(jié)電10 kWh以上。

（3）智能升壓技術(shù)是通過電源系統(tǒng)本身或額外增加智能升壓電源模塊，調(diào)節(jié)DC/DC電路的控制脈沖，適當提高輸出電壓，獲得需要的電壓輸出制式。通過智能升壓，可以在不改變供電電纜線徑的情況下，將傳統(tǒng)-48 V直流拉遠的供電距離提升100%～120%，同時降低線路損耗30%～50%[4]。

（4）智能開斷技術(shù)是用微電子、計算機技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器/繼電器二次系統(tǒng)。其主要特點是由電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨立采集運行數(shù)據(jù)。智能開斷技術(shù)可降低設(shè)備功耗100%。

（5）智能休眠技術(shù)是開關(guān)電源根據(jù)負載電流大小，通過智能“軟開關(guān)”技術(shù)，自動調(diào)整工作整流模塊的數(shù)量，使部分模塊處于休眠狀態(tài)，把整流模塊調(diào)整到最佳負載率下工作，降低系統(tǒng)的帶載損耗和空載損耗，實現(xiàn)節(jié)能。通過啟用智能休眠，節(jié)能效率提升約1%～2%。

（6）750 V高壓直流拉遠供電系統(tǒng)從穩(wěn)定的交流電，經(jīng)局端設(shè)備轉(zhuǎn)換為直流電（750 V），遠端設(shè)備將750 V轉(zhuǎn)換為48 V進行供電。以遠端總負載5 kW為例，與220 V的交流集中遠供對比，200 m的線路損耗降低約4.3%，600 m線路損耗降低約30.6%，且可以實現(xiàn)2 000 m以上的拉遠供電。

（7）氫燃料電池是把氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種質(zhì)子交換膜燃料電池。氫燃料電池整個工作過程只產(chǎn)生了電能、水和少量的熱量，基本無污染物產(chǎn)生。燃料電池發(fā)電效率高，約為50%。使用燃料電池作為備用電源，基站溫度可設(shè)定在32 ℃或更高，節(jié)約大量的空調(diào)能耗。

2.3 綠色電力應(yīng)用

綠色電力的應(yīng)用可使5G基站實現(xiàn)電力清潔化、降低能耗，由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的壽命及可靠性相對較差，推薦利用太陽能資源，主要包含站點疊光、離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)[5]。

站點疊光是利用站點閑置的地面、屋頂?shù)瓤臻g，新增光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能綠色可再生能源進行發(fā)電，作為原有供電系統(tǒng)的補充，可以減少傳統(tǒng)化石能源發(fā)電的資源消耗，減少二氧化碳排放。假設(shè)部署疊光站點地區(qū)日均光照有效時長為5 h，配置1 kW的太陽能板進行疊光，日節(jié)電量5 kW·h。

離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)是在光照資源較好的地區(qū)，利用太陽能資源，獨立建設(shè)太陽能供電系統(tǒng)，為通信基站或機房進行供電，不并網(wǎng)。采用獨立離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)100%節(jié)約市電。

3 基站配套節(jié)能技術(shù)應(yīng)用推薦

按照各節(jié)能技術(shù)的特點、節(jié)能效果及成熟度，分場景、分時間推薦5G基站配套可應(yīng)用的節(jié)能方案。

3.1 現(xiàn)階段可應(yīng)用節(jié)能技術(shù)

現(xiàn)階段可規(guī)模應(yīng)用的空調(diào)節(jié)能技術(shù)有機柜級制冷技術(shù)、智能新風(fēng)技術(shù)、重力熱管技術(shù)以及液相動力熱管技術(shù)；可規(guī)模應(yīng)用的電源節(jié)能技術(shù)有基站一體化能源柜、自冷型電源技術(shù)、智能升壓、智能開斷、智能休眠、高效整流模塊、智能鋰電、站點疊光以及離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)。各技術(shù)的應(yīng)用場景如表1所示。

表1 現(xiàn)階段可應(yīng)用節(jié)能技術(shù)應(yīng)用場景

3.2 未來可應(yīng)用節(jié)能技術(shù)

未來可規(guī)模應(yīng)用的空調(diào)節(jié)能技術(shù)有氣相動力熱管（氣泵）技術(shù)、液冷技術(shù)；可規(guī)模應(yīng)用的電源節(jié)能技術(shù)有750 V高壓直流拉遠供電、氫燃料電池、固態(tài)電池以及第三代半導(dǎo)體技術(shù)。各技術(shù)的應(yīng)用場景如表2所示。

表2 未來可應(yīng)用節(jié)能技術(shù)應(yīng)用場景

4 結(jié) 論

2021年，我國提出“3060”雙碳目標，在2030年前實現(xiàn)碳達峰，在2060年前實現(xiàn)碳中和，5G基站作為能耗與碳排放的重要設(shè)施，其節(jié)能降耗需更加關(guān)注，需同時關(guān)注主設(shè)備、配套設(shè)備、建筑圍護等多個環(huán)節(jié)，采用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，利用平臺手段，多方面、多角度全面進行節(jié)能與降碳排放。