綠色基站綜合節能技術驗證

董 欣，石 海，劉碩豪

（1.中國移動通信集團上海有限公司，上海200072；2.上海大學通信與信息工程學院，上海200072）

0 引 言

通信運營商作為服務型和能源消耗型企業，近年來節能減排的呼聲高漲，而運營商能源消耗最大的環節，就是公用無線通信基站。中國移動僅在上海就有5 000多個物理基站，每年消耗的電量數以百萬計。使用新的節能減排技術作為基站建設的設計導向，并對現有基站逐步改造優化，使之符合綠色環?；镜臉藴?，無疑將大大減少公用通信基站的能源消耗。

本設計通過分析基站的總體能耗分布，有針對性地提出了一套綠色基站綜合設計方案，并在運營商運行的基站上進行了試驗。工程試驗證明，各種新型節能技術有效減少了基站主設備能耗和環境控制能耗，綠色基站設計能耗與傳統基站相比減少了40%以上。

1 綜合節能技術

本工程試驗計劃運用的綠色基站綜合設計方案主要包括3類新型節能減排技術：主設備集成化設計，用以減少機柜數量；分布式環境控制策略，用以減少空調耗電；載頻及小區級軟硬件節能功能，用以減少空閑時段設備功耗。

1.1 集成化設備

基站主設備可以簡單的分為控制系統、載頻模塊、合路系統和天線系統。載頻（TRX）的數量是體現網絡容量的重要參照，目前大部分基站主設備單機柜的最大載頻數量為12個，對用戶需求較多的區域只能通過增加機柜數量來增載頻容量，從而增加了運行成本和能源消耗。高集成度設計的新型設備大大提高了單機柜的容量和處理能力，主設備單機柜最大容量達到24個載頻，新型雙載頻模塊的能耗開銷低于原來2塊載頻模塊的能耗開銷之和。

1.2 環境控制策略

本試驗主要利用智能通風通過室內外空氣交換進行自然冷卻降溫，以減少空調壓縮機的開啟時長。通過智能控制器，智能通風系統與基站原有空調機組可以聯動，在室外溫度低于30℃時，利用小功率風機替代大功率空調進行降溫，而空調機組僅在設定溫度值以上才開始工作；當智能通風系統出現故障時，系統會自動恢復機房空調運轉，以保障基站室內溫度穩定。智能通風系統的開啟和關閉控制條件如表1所示。其中，T1為通風機組開機溫度；T2為空調機組開機溫度。

表1 智能通風系統的開啟和關閉控制

1.3 軟硬件功能實現節能

除了選用集成度更高的模塊外，基站主設備還可以在用戶接入需求較少的時段，將用戶接入集中到某些特定的設備上，進而減少空閑設備的功率輸出，甚至關閉空閑設備，來達到減少能耗的目的。

密集城區話務模型下晝間大話務量需大量載頻支持，而到了夜間話務量又相對很低，話務負荷變化劇烈?；谪摵傻妮d頻關斷技術通過對載頻的時隙占用情況進行跟蹤監控，當總體話務負荷較小時，通過調整移動用戶的占用時隙將用戶集中到部分載頻上，進而關閉無時隙占用載頻上的脈沖成型電路，從而減少載頻功耗。

在載頻的功耗中，功放部分（PA）占了總量的60%，其功率輸出隨用戶占用時隙數量的增減而變化，用戶占用時隙越多，功放部分的輸出功率就越大；當時隙無業務占用時，功放部分雖然不用負擔生成突發脈沖的能耗，但卻仍然保持一定的電流輸出，以維持類似待機狀態，這種電流輸出即靜態功耗。PA關斷技術的核心就是在無話務的情況下，關閉原來用于待機的靜態功耗，以達到節能的目的。關斷后，載頻PA模塊的功耗為零。

BCCH（廣播控制信道）載頻的節電功能的原理是降低BCCH廣播載頻上，除BCCH時隙外的其他信道時隙的發射功率。運用該技術的標準配置基站在低話務（每線話務量小于0.3erl）下，理論上每天可以節省約100Wh的電力。

TRP，即話務優先分配技術能將用戶新的話務信道優先分配在BCCH載頻上。由于BCCH載頻無論是否有用戶占用，其發射功率都維持在相對穩定的程度上，因此該策略不會給系統帶來額外的耗電，相當于減少了TCH（話音信道）載頻的時隙發射的耗電量。該技術可以與基于負荷的載頻關斷技術同時開啟，并與BCCH載頻節電策略兼容。

2 工程實驗結果

運用上述各項基站節能技術，本設計在中國移動上海公司目前運行的公用無線通信基站網絡中進行了工程試驗。試驗主要按照相關技術的工程實施標準，建設了一個采用上述節能技術的公用無線通信基站。通過對該基站電能消耗、無線參數指標和基站內外環境的監測，取得相關數據，并與鄰近的一個環境條件相同的傳統基站進行對比，以得到綠色基站節能技術的實際使用效果。

2.1 基站模型的選擇

考慮到本次試驗運用的各項節能減排技術，適宜本設計試驗的基站應當盡可能地具備如下幾個特征：

（1）基站主設備種類和數量，按標準公用無線通信基站設計要求配置，使基站整體能耗需求接近普通基站需求；

（2）機房外部環境盡可能處于自然空氣流通的狀態之下，以確保一般環境溫度和晝夜溫差符合自然規律；

（3）機房所處建筑供電系統穩定，備用供電系統負荷達到一般基站的統計平均水平；

（4）基站覆蓋范圍內的移動用戶業務需求量達到一定水平，以確保相關數據對大部分其他基站同樣有效；

（5）基站在晝間和夜間的移動用戶業務需求量差距盡可能拉大，以最大程度地給予軟硬件節能算法發揮的空間。

參考上述要求，本試驗選擇了多個基站分別試驗各項節能技術，選取的基站主要集中在城鄉結合部區域密集居民點附近。這些基站均位于建筑頂層天臺，機房結構獨立，溫控設備有充分的安裝空間和工作條件。天線海拔高度接近市區一般基站的平均高度，覆蓋范圍適中。由于地處城鄉結合部，其覆蓋范圍內既有開闊地形，也有建筑密集、用戶需求量較大的居民區，用戶話務需求的時間特征明顯。鄰近周邊有一處條件類似的傳統基站，可以提供數據對比和試驗評估。

2.2 試驗結果評估

智能通風系統基站內通風機如圖1。試驗基站采用高集成度機架和雙載頻硬件設備。模塊能耗測試和基站用電負荷測試表明，載頻功放的效率提高了20%以上，功耗降低15%～30%。全站設備重量減少60%，在總的電力消耗方面僅相當于原基站主設備的50%～60%。

在本次試驗中，智能通風系統的開機溫度設定為27℃，空調機組的開機溫度設定為32℃，系統于3月底投入運行，觀察時段為4月至6月。試驗發現，使用通風機組后空調開機時長明顯減少，且具有極為明顯的季節特征。4月至6月通風機組替代空調機組工作的時間逐步減少，由每天平均21.5個小時削減到每天5.5個小時左右?？梢灶A見，在冬季室外氣溫極低的情況下，通風機組可以完全替代空調機組進行基站溫度控制。根據歷史維護資料，每年4月空調機組耗電量為每24小時90～95kWh。此次試驗測得通風機組的實際用電負荷為每24小時12kWh左右，而空調機組平均耗電量僅為每24小時42kWh，節約環境控制能耗43%。

圖1 智能通風系統基站內通風機

基于負荷的載頻關斷技術和基于時隙的PA關斷技術是本次試驗著重檢測的兩種節能軟硬件功能。試驗綜合開啟了兩種功能，并對基站的載頻能耗和網絡性能指標數據進行了持續收集和跟蹤。表2為單一小區載頻設備開啟節能功能后的耗電量對比。由表2可見，新功能節電效果顯著。同時，在對話務量、掉話率、切換成功率、無線接通率、無線接入性等指標進行監控，并與鄰近的傳統基站數據機型對比后，并未發現應用軟硬件節能功能的基站在網絡性能指標方面受到不良影響。圖2和圖3分別給出了綠色基站與傳統基站在話務負荷與掉話率指標的數據對比。由圖可見，兩者在掉話率基本相同的條件下，綠色基站承載的話務量將大于傳統基站的話務量。

表2 軟硬件功能節電效果

圖2 綠色基站和鄰近傳統基站話務負荷對比

圖3 綠色基站和鄰近傳統基站掉話率對比

3 結束語

本次試驗證明了各項節能技術的可行性、有效性和可操作性。高集成度基站主設備設計、智能通風系統和軟硬件節電功能的基本節能效率均可達到40%以上，且不會對用戶使用造成不良影響。由于主設備集成化設計在一定程度上減少了基站本身的整體散熱需求，從而降低了溫控系統的負荷，有利于智能通風系統的工作。這幾項技術在單一基站上綜合運用的效果值得期待。

［1］謝代鋒.智能熱交換器與空調系統構建的“綠色基站”解決方案與實踐［J］.信息通信技術，2009，4：39－42.

［2］黃成龍，楊文鵬.移動通信基站節能控制的理論與實踐［J］.西安工程大學學報，2008，22（2）：205－209.

［3］周 紅，樊耀東.基站節能技術綜合評估［J］.移動通信，2009，10（2）：92－94.