5G基站配套基礎設施節能降耗技術研究

孫寶奇

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在5G移動通信技術應用范圍持續擴展、應用場景持續更新的形勢下，通信企業有必要加大對5G基站配套基礎設施的建設力度，為4G技術和5G技術的共同應用奠定設備基礎。但是現階段5G基站配套基礎設施建設面臨著能耗較高的問題，不但會增加對電能等資源的消耗量，還會提高通信企業的運營成本，不利于通信行業的可持續發展，對此通信企業需要采取專門的節能降耗技術。

1 5G基站配套基礎設施能耗構成及現狀

1.1 5G基站配套基礎設施能耗構成

5G基站配套基礎設施連接情況如圖1所示，可以將5G基站配套基礎設施能耗分為配套設施能耗和通信主設備能耗兩部分。其中，配套設施能耗包括機房空調能耗、建筑圍護能耗、通信電源能耗等。機房空調能耗由空調實際能效、室內冷負荷決定，占5G基站配套基礎設施總能耗的40%左右。通信電源能耗包括線纜損耗、供電架構損耗、通信電源損耗，占5G基站配套基礎設施總能耗的10%左右[1]。通信主設備能耗占5G基站配套基礎設施總能耗的50%左右，包括分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）、加密虛擬網絡（Secret Private Network，SPN）等傳輸設備電源能耗及有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）等無線設備電源能耗。按照市場行情，大部分通信企業選擇的AAU額定功耗為1 300 W、BBU額定功耗為1 100 W，可見無線設備電源能耗增多是5G基站配套基礎設施能耗增加的主要原因。從通信主設備角度進行節能降耗，只需要應用功率較低的通信主設備即可。

圖1 5G基站配套基礎設施連接圖

1.2 5G基站配套基礎設施能耗現狀

目前，通信行業已經開展了對于網絡節能降耗技術、設備節能降耗技術以及站點節能降耗技術等5G基站配套基礎設施節能降耗技術的研究，并且致力于通過單站硬件、單站軟件、網絡協同3個部署階段展開5G基站配套基礎設施節能降耗工作，已經獲得了較為顯著的節能降耗成果。可見，在未來通信行業中，各個通信企業需要持續加大對5G基站配套基礎設施節能降耗技術的研發和應用力度，持續減少能源消耗[2]。

2 5G基站機房空調節能降耗技術

2.1 設置智能新風節能系統

智能新風節能系統屬于間接的5G基站機房空調節能降耗技術，本質是通過交換機房內熱空氣、室外冷空氣來降低機房溫度。具體來講，以室外自然風為冷源，在機房中安裝上出風裝置、下進風裝置，通過溫度傳感器、濕度傳感器檢測室外空氣溫度、濕度，如果發現檢測數值低于設定臨界值，下進風中的風口、風機會自動啟動，將室外冷空氣吸入到機房內部。需要確保機房內存在正壓風壓，上出風裝置才能夠及時將機房內熱空氣排到室外[3]。據統計，在5G基站機房空調系統中應用智能新風節能系統，每臺機房空調的年平均節約電量為6 000～10 000 kW·h。

2.2 設置蓄電池地埋機房

蓄電池屬于5G基站機房空調系統中對溫度要求較高的設施，在不改變機房空調系統原有結構的基礎上，可以通過設置蓄電池地埋機房的方式來滿足蓄電池對于機房溫度的要求，從而提高蓄電池的應用壽命和放電量。蓄電池地埋類型包括鐵鋰電池、耐高溫蓄電池，主要為12 V單體蓄電池。在完成蓄電池地埋后需要引出每個蓄電池的測試線，通過測試線完成對蓄電池地埋基坑溫度的檢測，為后續蓄電池維護工作的展開奠定基礎。此外，為了避免潮濕、換氣問題，可以在蓄電池地埋電池柜附近安裝排水管、導氣管[4]。

2.3 應用液冷技術

液冷技術包括冷板式液冷技術、浸沒式液冷技術以及噴淋式液冷技術。其中，冷板式液冷技術指的是從特制注水口注入冷卻水，冷卻水通過散熱管流經機房系統，能夠將硬盤、中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 等主機設施的熱量帶走，隨后流出機房系統，具體應用流程如圖2所示。浸沒式液冷技術指的是將機房服務器浸泡在由機柜和液冷機構成的浸泡系統中，機柜中的工程液體能夠實現對機房服務器熱量的傳遞。噴淋式液冷技術指的是將具備絕緣環保性能的液體冷卻介質噴淋到機房服務器內，吸收接觸散熱器、內部發熱器件的芯片熱量，并且將熱量通過液冷系統傳輸到外部。據統計，在5G基站機房空調系統中應用液冷技術，能夠將全年平均總能耗控制在1.05～1.2。

圖2 冷板式液冷技術應用流程

2.4 應用熱管技術

熱管技術包括動力熱管技術和重力熱管技術。其中，動力熱管技術包括液相動力熱管技術與氣相動力熱管技術，前者指的是通過驅動設備推動液體管路上的制冷劑液體流動，形成液相動力熱管循環模式；后者指的是通過驅動設備推動氣體管路上的制冷劑氣體流動，形成氣相動力熱管循環模式。重力熱管技術指的是通過氣體浮力、液體重力推動冷卻設備中的制冷劑流動，在不應用壓縮機的基礎上完成制冷操作[5]。

2.5 采取機房隔熱措施

機房隔熱屬于防太陽輻射技術，具體來講，機房在太陽輻射下會出現表面溫度升高情況，增加了建筑結構熱負荷以及機房空調能耗，機房隔熱措施的應用能夠有效減少太陽輻射導致的機房外部熱量，從而實現降低機房能耗的目的。機房隔熱措施包括門窗隔熱措施、外墻隔熱措施、屋頂隔熱措施以及平改坡措施。其中，門窗隔熱措施指的是在門窗安裝中應用具備隔熱性能的遮陽板、雙層玻璃，或者直接封堵門窗。外墻隔熱措施、屋頂隔熱措施指的是在外墻、屋頂鋪設具備隔熱性能的隔熱網、藤蔓植物，或者在外墻、屋頂施工中應用隔熱涂料。平改坡措施指的是將機房屋頂從平頂結構調整為坡頂結構，從而減少太陽輻射面積，提高屋頂通風效果[6]。

3 5G基站通信電源節能降耗技術

3.1 設計開關電源休眠模式

在設計5G基站通信電源系統開關裝置整流模塊容量時，需要同時考慮到設備負載電流、蓄電池組充電電流，從而形成開關電源休眠模式。現階段，5G基站的實際負載電流、話務量很少能達到設計值，并且市電系統較為穩定、較少出現斷電事故，這些都降低了蓄電池的充電頻率和時間。據統計，大部分5G基站通信電源系統開關裝置整流模塊的負載率≤50%。開關電源休眠模式能夠做到通過設備負載電流變化調整開關裝置整流模塊開啟數量，令部分開關裝置整流模塊處于休眠狀態，在滿足開關裝置整流模塊負載率需求的基礎上，使開關裝置處于最佳的工作效率，從而實現節能目標。假設5G基站通信電源系統開關裝置配置了6個50 A整流模塊、1組500 A·h蓄電池，通過開關電源休眠模式能夠關閉兩個整流模塊，得到的開關裝置整流模塊負載率為50%，5G基站通信電源系統的日平均節約電量為11.3 kW。據統計，在5G基站機房空調系統中應用開關電源休眠模式，能夠將年平均節能效率提高1%～2%[5]。

3.2 應用直流遠供技術

隨著5G技術業務的持續發展，越來越多的小型5G基站開始進入到5G基站系統中，將構成宏微結合的超密集組網模式。如果繼續應用傳統供電方式為小型5G基站引入電力資源，便會增加5G基站通信電源系統的建設成本，不利于實現節能降耗目標[7]。直流遠供技術指的是將供電條件較好、供電容量較大的大型5G基站作為集中式遠程供電主節點，通過鏈型結構、星型結構為周邊小型5G基站遠程供電，從而實現對電力資源的共享。在上述直流遠供模式下，可以通過網關遠程關斷技術關斷業務負荷較小的小型5G基站，實現對供電系統的動態化控制及調整。

3.3 應用蓄電池市電削峰技術

5G基站通信電源系統對于市電引入容量需求較大，會增加存量站點市電增容的壓力。由于階梯電價政策，通信企業在峰值時段的電費成本會大幅度提高。上文中提到了50%左右的5G基站配套基礎設施能耗為通信主設備能耗，通信主設備用電量需求設定往往按照設備的額定功率進行，導致每臺通信主設備的實際用電量大部分為設定用電量需求的40%～50%，表示存量基站蓄電池組容量存在大量富余，大部分蓄電池常年處于不需要運行的狀態，即為存量蓄電池。蓄電池市電削峰技術的應用有利于激活存量蓄電池的儲能放電能力，具體能夠在用電高峰期通過蓄電池組儲能對市電進行補償，并且同時完成5G基站配套基礎設施供電。在用電低谷期，通過蓄電池組進行充電儲能，實現錯峰供電，降低5G基站通信電源系統在峰值時段的市電引入容量需求，節約電費成本。

3.4 應用智能升壓技術

智能升壓技術指的是在5G基站通信電源系統中增加智能升壓電源模塊，通過調節DC/DC電路控制脈沖的方式提高輸出電壓，實現對所需電壓的輸出制式管理。智能升壓技術的應用不需要改變5G基站通信電源系統的電纜路徑，能夠將-48 V直流電源線路的線路損耗降低30%～50%，將電源線路的供電距離延長100%～120%[8]。

3.5 應用綠色電力

綠色電力在5G基站通信電源系統中的應用能夠完成節能降耗、清潔電力資源等目標[9]。由于風力發電技術的應用可靠性和穩定性較差，現階段廣泛應用的綠色電力為太陽能發電電力資源，包括離網型太陽能供電系統與站點疊光系統。離網型太陽能供電系統指的是在光照較為充足的地區構建太陽能供電系統，通過太陽能為5G基站通信電源系統提供電力資源，并且不與常規電網進行并網，能夠實現對常規電力資源的100%節約。站點疊光系統指的是在5G基站建筑物的屋頂、地面等空間構建光伏發電系統，通過太陽能補充5G基站通信電源系統常規電網電力資源。假設5G基站建設地區的日均光照有效時長為5 h，則1臺1 kW太陽能板的日平均節約電量為5 kW[10]。此外，氫燃料電池也屬于綠色電力的一種，能夠通過氫氣和氧氣的化學反應生成電能，應用在蓄電池中。

4 結 論

5G基站機房空調節能降耗技術包括設置智能新風節能系統和蓄電池地埋機房、應用液冷技術和熱管技術、采取機房隔熱措施，5G基站通信電源節能降耗技術包括設計開關電源休眠模式、應用直流遠供技術和蓄電池市電削峰技術、應用智能升壓技術和綠色電力。這些技術普遍具有操作便捷、節能效果顯著、不需要過多人工操作等應用優勢，具有十分廣闊的應用和推廣價值。