5G基站配套節能技術研究

趙 涵，郭云崢，李 奧，高興旺，何 茜

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

據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連接數已超過3.65億，占全球80%。下一步，我國還將繼續大力推進5G、千兆網絡等新一代信息通信基礎設施建設。目前，經過通信主設備技術創新、網絡建設架構優化調整，5G基站主設備的電能耗較建設初期下降了20%，但仍在一個較高的電能耗水平。在國家“雙碳”戰略大背景下，推動信息通信行業的節能降耗，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，包括通信主設備能耗、配套設施能耗兩部分。通信主設備能耗包含傳輸設備（PTN/SPN等）功耗、無線設備（AAU、BBU）功耗。其中無線設備功耗占比較大，根據主流廠家的設備情況，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基站主設備的能耗約占基站全部能耗總量的50%左右。

5G基站配套設施主要包括空調、電源、建筑圍護等基礎設施?？照{系統能耗由室內冷負荷及空調實際能效決定，而室內冷負荷主要來源于圍護結構熱量、室內外換氣熱量、電源發熱量和主設備發熱量。據研究統計，空調系統的能耗量約占基站全部能耗總量的40%[1]。5G基站電源系統一般由交流供電系統、直流配電供電系統組成，其能耗主要源于供電架構、電源設備的自身損耗、線纜損耗等能量損失。據研究統計，基站電源系統的能耗約占基站全部能耗總量5%～10%[2]。

1.2 5G基站能耗現狀

根據《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能措施，累計節電近100億kW·h，減少二氧化碳排放約630萬t。據統計，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，信息通信行業已開展設備級節能、站點級節能、網絡級節能3大技術領域研究，分先單站硬件、再單站軟件、最終網絡協同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備的節能上，尚未形成明確的配套設備節能解決思路[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基站的節能減碳，需要同時降低5G基站配套設備的能耗，加快研究5G基站配套設備節能技術方案、應用場景建議與路標要求。

2 5G基站配套節能技術介紹

5G基站配套設備的能耗主要來源于空調系統和電源系統的能耗，因此配套設備的節能技術和節能方案研究也主要圍繞兩方面進行。

2.1 空調系統節能技術

5G基站空調系統的節能主要考慮提高空調實際能效、避免冷量浪費等方面，目前比較成熟的空調系統節能技術主要有：機柜級制冷技術、自然冷源利用技術（熱管技術與智能新風系統）、液冷技術等。

（1）機柜級制冷技術是將空調室內機模塊化后集成于通信設備機柜上，將高功耗設備集中收容于機柜內，再對其進行精準封閉制冷，通過冷媒將柜內設備熱量轉移至機房外。可解決5G網絡采用CRAN方式組網時，BBU集中安裝造成的機房局部熱點、空調制冷能耗居高不下、不同進出風類型設備無法共柜安裝等問題。采用機柜級制冷技術改造后，柜內設備出風口溫度最高不超過50 ℃，整站PUE由1.4降低至1.2。

（2）智能新風系統是將新風設備同空調聯動，充分利用室外自然冷空氣對基站機房環境進行降溫，減少空調運行時間，從而實現節能。通信基站使用智能新風系統后，實際案例測算，可節省電量6 000～10 000 kW·h/臺/年。

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

（4）液冷技術包含冷板式、浸沒式、噴淋式技術。冷板式液冷技術是將冷卻水從特制的注水口流入，經過密閉的散熱管流進主機，帶走CPU、內存和硬盤等熱量后再流出，采用冷板式液冷技術PUE可達到1.3～1.6。②浸沒式液冷技術是將服務器泡在液體里，系統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，采用浸沒式液冷技術PUE可達到1.05～1.2。③噴淋式液冷技術是直接將絕緣環保的液體冷卻介質精準噴淋到服務器內部的發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傳遞到戶外，采用噴淋式液冷技術PUE可達到1.05～1.2。

2.2 電源系統節能技術

5G基站電源系統節能技術主要從改變供電系統架構、降低設備自身損耗、線損、提高系統能效等多方面實現，主要包括基站一體化能源柜、自冷型電源技術、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、第三代半導體技術、智能鋰電、氫燃料電池、固態電池等節能技術。

（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，為基站通信設備提供安裝空間和不間斷供電，具備高密度、全面模塊化、數字化、智能化等多重性能。與傳統方案相比，建設周期縮短約90%，投資降低約30%，占地減少約60%，能效提升8%～17%。

（2）自冷型電源技術是一種采用48 V輸出的小容量直流電源系統，采用無風扇自然散熱結構設計，轉換效率高，一體化設計，體積小，就近取電、供電，節省機房、空調，具有很好的節能、節地優勢。采用自冷型電源技術日節電10 kWh以上。

（3）智能升壓技術是通過電源系統本身或額外增加智能升壓電源模塊，調節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-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）智能開斷技術是用微電子、計算機技術和新型傳感器建立新的斷路器/繼電器二次系統。其主要特點是由電力電子技術、數字化控制裝置組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開關。新型傳感器與數字化控制裝置相配合，獨立采集運行數據。智能開斷技術可降低設備功耗100%。

（5）智能休眠技術是開關電源根據負載電流大小，通過智能“軟開關”技術，自動調整工作整流模塊的數量，使部分模塊處于休眠狀態，把整流模塊調整到最佳負載率下工作，降低系統的帶載損耗和空載損耗，實現節能。通過啟用智能休眠，節能效率提升約1%～2%。

（6）750 V高壓直流拉遠供電系統從穩定的交流電，經局端設備轉換為直流電（750 V），遠端設備將750 V轉換為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能直接轉化為電能的一種質子交換膜燃料電池。氫燃料電池整個工作過程只產生了電能、水和少量的熱量，基本無污染物產生。燃料電池發電效率高，約為50%。使用燃料電池作為備用電源，基站溫度可設定在32 ℃或更高，節約大量的空調能耗。

2.3 綠色電力應用

綠色電力的應用可使5G基站實現電力清潔化、降低能耗，由于風力發電系統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、離網型太陽能供電系統[5]。

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

離網型太陽能供電系統是在光照資源較好的地區，利用太陽能資源，獨立建設太陽能供電系統，為通信基站或機房進行供電，不并網。采用獨立離網型太陽能供電系統方案，可實現100%節約市電。

3 基站配套節能技術應用推薦

按照各節能技術的特點、節能效果及成熟度，分場景、分時間推薦5G基站配套可應用的節能方案。

3.1 現階段可應用節能技術

現階段可規模應用的空調節能技術有機柜級制冷技術、智能新風技術、重力熱管技術以及液相動力熱管技術；可規模應用的電源節能技術有基站一體化能源柜、自冷型電源技術、智能升壓、智能開斷、智能休眠、高效整流模塊、智能鋰電、站點疊光以及離網型太陽能供電系統。各技術的應用場景如表1所示。

表1 現階段可應用節能技術應用場景

3.2 未來可應用節能技術

未來可規模應用的空調節能技術有氣相動力熱管（氣泵）技術、液冷技術；可規模應用的電源節能技術有750 V高壓直流拉遠供電、氫燃料電池、固態電池以及第三代半導體技術。各技術的應用場景如表2所示。

表2 未來可應用節能技術應用場景

4 結 論

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