5G基站配套基礎設施節能降耗技術研究

摘要：近日，國家將5G基站配套基礎設施建設由三大運營商交給中國鐵塔股份有限公司，而5G網絡在產生大數據爆炸的同時，也存在著低功耗的挑戰。在中國互聯網發展初期，5G單基站的耗電量將是傳統4G基站的二到三倍。而5G的商用頻率將超過4G。因此，和傳統4G網絡一樣，網絡擴容所需要的站點量也將大大增加，電費翻了一番，這也將對運營商的成本構成發生重要變化。在2017年進行了節能5G的標準化技術研究，通過開發新材料、新技術、開發新芯片、更新軟件功能等技術創新，大大降低了5G基站的功耗水平。而5G關鍵技術的開發與廣泛應用也給一些產業的研發帶來了全新的發展機會，為更好地提高5G技術使用的有效性和穩定性，在5G基站同時使用二種節能模式將可以進一步減少5G基站的使用時間和維修成本，從而提升了五G技術的使用水平，并促進了5G技術的普及。

關鍵詞：5G;基站;基礎設施;技術研究;節能降耗

一、引言

中國的5G網絡逐步發展，基本建成覆蓋城區和幾個發達縣的6萬個基站。然而，由于更高的帶寬、更多的信道天線收發器和更高的傳輸功率等技術因素，5G基站的功耗仍然非常高。據實測，5G基站的功耗是4G基站的3-4倍，5G基站的年電費超過2萬元。降低5G的電費，減少運營商的成本，提高5G的投資效率，是運營商迫切需要解決的問題。目前，運營商和設備制造商專注于5G基站芯片設備、工藝、集成、功率控制和微站鎖定。從設備級、車站級和網絡級到節能，他們研究原理圖以降低成本和效率。多個網絡和其他重要設備之間的合作;5G機房空調系統的能耗也占實際電網的很大比例。為了全面提高5G整體能效比，實現5G聯網，探討了降低5G配套設施能耗的方法和對策。此外，它有助于可持續發展和高質量的5G業務和應用。

二、研究背景和問題探討

（一）5G時代核心技術應用的主導性優勢

為改善中國互聯網系統的信息傳遞效果，5G技術在信息傳輸速率和信息流容量等方面都有著根本優點，與4G技術的廣泛使用與發展不同，5G技術也提供了對數據傳輸速度的幾何改善。而對于同時使用毫米波和厘米波信道的數據傳輸模式，5G技術也存在著相對較少的信息延遲。比如，5G技術容許五百公里的高速移動，而4G技術則容許350公里的高速移動。所以，在高速鐵路等高速運輸車輛中，5G技術比4G技術更穩定，并獲得了良好的經驗。5G技術廣泛應用于各個領域，能夠穩定高效地傳輸和處理數據信息，大幅提高社會生產力水平，解決了4G網絡時代在手機信息技術應用中的幾個基礎問題。是重要的，相對。奠定技術創新基石，提升了未來中國互聯網的整體傳輸效能，并基本形成了五G信息技術應用的發展新生態圈階段。完善了互聯網信息技術的應用系統，5G技術信息傳遞延遲能夠適應現代互聯網使用者的生活需要，相對較低，并且能夠完成多平臺、多服務體系的信息耦合。在最初，自主操作系統技術的發展部分依賴于人工智能，這是一種整合了單個設備的系統。但是，由于啟動模式的信息傳輸速率相對較低，所以自主啟動技術的使用范圍并不大，無法在現代信息技術中應用。5G技術的使用能夠很有效地克服了信號傳輸速率緩慢、延時過大的問題，從而提升了自動化運營科技的發展水準，并補充了智能化運營技術的缺陷。基于5G技術具備降低了信號傳遞延時的實用優點，并能夠應用在自動駕駛、遠程監控等應用領域中。為我國網絡信息技術系統構建提供了優越的科技條件，將有效緩解我國信息技術發展水平和應用間的巨大差距，為未來網絡信息技術的應用和發展鋪平了道路。

（二）5G時代基站建設及技術發展面臨問題

5G信息傳播范圍的不足，5G技術在使用初期，和4G信號的信息流和傳輸速率一樣，5G技術主要通過毫米波實現信息傳播，但是由于毫米波信息傳播范圍不足，信息對障礙物的穿透力也不夠。在建筑物比較稠密的都市區域，由于5G信息傳播覆蓋范圍很小，因此不能使用單個的基站設備，而只能進行大規模信息傳播。但作為中國科技研發集團的杰出代表，華為公司迅速轉變了對5G技術的研究方向，從毫米波技術的應用到厘米波技術的發展，在一定程度上克服了5G信息傳播的范圍和覆蓋面問題。為克服了5G信息傳播穿透力不夠的問題，引入了厘米波信息傳輸方式，但和4G技術比較，5G技術在信息穿透領域還缺乏突出的核心技術優勢。在部分領域，通過采用疊加天線多頻度信號或者增強基站設備能力進行技術解決，能夠提前克服通過基站對5G信息傳播不穿透的技術困難。使用技術設備的成本也很高昂，從本質上來說，在使用了5G技術之后，就可通過增強地面天線高頻信號能力和硬件系統，來克服地面5G信號滲透能力不夠的問題，總能源消耗的比重也無法實現比較均衡。在5G技術發展初期，部分基站設備的實際耗電量大約為1200W，但5G主基站設備的大部分耗電量已經達到了3000W以上。同時基站天饋線的實際耗電量指數逐漸上升，進而提高了5G基站的使用成本和維修成本。至2018年，我國三家運營商在公共通信基站能耗上的總花費已經達到了二十多億元。以下數據僅按照5G、3G和4G公共通信基站的總耗電量統計。若根據目前的五G基站能耗指數把所有3G基站都換成了5G基站，前三個運營商的能耗將達到2018年全國總體能耗的十倍，能源成本將達到200多億元。因此，加強5G時代基站節能技術的應用不是降低能耗的重要途徑，而是控制5G技術應用成本、提高5G技術推廣能力的重要策略。

（三）當前5G時代基站節能主要方式

目前，我國5G基站有兩種節能模式：智能睡眠設備可以和人工智能協調控制，首先，可以按照5G設備在外圍地區使用的總網絡帶寬統計5G智能基站的睡眠，并可以按照數據的上限設置閾值數據。但是假如5G基站的總網絡帶寬使用時間在某個時段內無法超過閾值，那么5G基站設備就可能關閉某些信號通道從而減少5G基站的總網絡傳輸。盡管這些方式都能夠在一定程度上減少5G基站的總耗電量，但是都很容易影響5G應用設備的應用體驗。而人工智能協同管理的主要目的就是利用遠程控制技術，使運營商的服務器可以鏈接到基站設備，從而利用人工智能設備管理5G公用通信基站的總帶寬。按照5G在一定區域內的應用頻次和使用時段，可合理規劃5G基站的應用效率，從而減少了不必要的能量耗費。但人工智能技術的應用投資相對較高。5G基站的節能資源必須投入人工智能設備的維護和管理。因此，未來節能5G基站技術的應用必須從節能的角度分兩個方案來實現，進一步完善節能5G基站技術應用體系，解決節能5G基站存在的問題，有效彌補了5G基站在節能方面的不足，為下一代5G技術的推廣開辟了道路。

三、節能降耗措施研究

（一）機房空調節能措施

本實用新型節能技術主要用來為各種通信設施和相關裝置的平穩工作創造合適的溫濕度環境。根據統計，5G基站中央空調溫度在夏熱冬冷時設置約為26℃，而中央空調功率大約占基站總功率的40%。所以，網絡與基礎設施運營商的空調系統是能源管理的最大重點。而空調系統的節能方式可包括直接節能和間接節能。另外，通過采用創新的冷卻技術和建筑節能技術，也有助于降低中央空調系統的工作量和能耗。計算機房不直接耗費能量，但建筑設計和中央空調系統的功率有關，建筑維護構件上的負荷是影響中央空調系統功率的主要原因。除去通信設施的散熱功能以外，基站機房空調的冷卻能量也被機器內部的熱交換系統所消耗。根據統計，由建筑維護構筑物上的熱負載所產生的空調系統能耗大約占空調系統總功率的40%，而建筑維護構件的熱能原則約占公共通信基站總能源的16%。但事實證明，通過建筑節能措施可有效地減少中央空調系統的能源，而機械建筑的節能措施主要包括了防水、保溫、避坡等措施。

1.智能新風節能系統

最終的節能系統則是間接節能。整個艙內包括下進風口和上空調出風口。室內外空氣均由溫度和濕度感應器動態監控。當室內外氣溫均小于設定值，開啟送風機送風，使空調空氣由艙內直接吸入艙。在艙內，冷風與熱空氣相互轉換為熱量以減少室內外氣溫。同時，還需要開啟上部排氣設備，并保持對艙內空氣的超壓，以散發室內的熱量和室內的熱空氣。因此，降低了基站機房的內部溫度，縮短了空調的開啟時間，并存儲了電能。新風系統應用廣泛，但為了達到良好的節能效果，必須保證機房內外溫差小于5℃，使新風系統在一定時間內工作和冷卻。

2.艙隔熱對策

絕緣材料是太陽能發電技術，提高了外墻表面溫度，增加了建筑維修結構的熱負荷，增加了空調系統的能耗，可以減少太陽輻射，降低建筑保守結構的熱負荷，節約空調的能耗，有效減少傳遞到機艙的外部熱量。一般保溫措施包括屋頂保溫、外墻保溫以及門窗保溫。雙層玻璃可以用作門窗的隔熱材料，如隔熱、防曬和直接屏障。外墻和天花板的保溫層可涂上保溫涂料。陽光直射屋頂結構導致夏季屋頂溫度急劇上升，通過將艙屋頂改為平屋頂，并對屋頂進行良好通風，可有效降低建筑物屋頂維護結構的荷載，節約空調系統的能耗，適用于全年日照時間長、溫度高的地區。

3.電池室嵌入

隨著機房周圍5G基站設備溫度要求的降低，電池已成為機房環境要求最嚴格的設備。在不優化機艙氣候配置的情況下，可以通過使用電池嵌入技術、耐高溫電池和鐵鋰電池來實現電池所需的工作環境。地下室冬暖夏涼，通過嵌入電池柜內的通風管和排水管，改善了環境，解決了通風和濕度問題，建議使用單個12V電池埋地。埋好后，拉出每個電池的測試線，然后監測埋好的電池底座孔的溫度，以便于維修，該方案適用于以基坑為條件的村鎮農村基站。

（二）通信電源節能措施

作為通信系統的“心臟”，通信電源是通信基礎設施的關鍵，通信電源直接影響網絡的穩定和安全運行。根據供電方式的不同，基站的功耗主要包括開關電源和不間斷電源（UPS）。其主要功能是實現交直流轉換，濾除干擾波和高頻污染，為通信設備提供穩定的工作電壓。原則上，通信電源的能耗應接近于零。然而，在這個過程中，通信電源會產生濾波損耗和電磁處理，并產生功耗。據相關統計，基站通信電源的平均功耗為整個房間功耗的5%-10%。開關電源休眠，在技術設計中，在確定整流器模塊的容量時，基站的開關電源不僅應考慮設備的負載電流，還應考慮電池組10的CIO。在具有冗余充電電流和N模塊的基站的實際運行中，由于基站的不均勻和空閑運行，實際充電電流低于設計值，電源穩定，斷電次數較少，因此大多數電池組處于“睡眠”空閑狀態。電池的充電容量和持續時間非常小。據統計，開關電源大部分整流模塊的充電率和50%充電率均低于工作電流。智能休眠開關電源的思想是根據器件電流的變化動態控制整流模塊的數量，使開關電源以最佳效率工作，達到節能的目的。以運營商的5G基站為例，開關電源為60A，整流器模塊（容量30A）和500安培小時電池，如果通信設備的正常充電電流為100A，則充電率為50%，充電率為30%，開關電源的整流效率為92%。在沒有休眠技術的情況下，整流模塊的負載率約為33%。使用Hibernate技術確保N-1模塊配置，關閉兩個模塊，整流模塊的負載率約為50%。因此，各站的日節能量為1kW至3Kw，節能率為7.5%。因此，為了提高整流器的性能，降低能耗，需要一種具有智能休眠功能的高性能電路整流器。

（三）直流遠供系統

隨著5G規模的發展，小型站點形成了宏觀和微觀相結合的高密度網絡，采用傳統方法將城市能源和備用能源引入小型水電站?？刹捎霉こ掏顿Y大、整體節能效果差的直流遠程供電技術，選擇能量容量好的大型水電站作為中央遠程供電的主節點，結構可為多個小型外圍站、微型站和輕型緩沖站供電，實現城市電源、整流電源和備用電源的交換。該方法采用遠程切斷網絡管理技術，可根據各站的運行負荷實現智能動態切斷。其應用范圍廣泛，可應用于工業園區、大學城、大型住宅區、集群市場、路燈柱、高密度基站等場景。此外，還可以利用城市能源的引入、農村地區能源引入成本的增加以及偏遠地區和當地終端之間缺乏短途站的問題。

補充新能源的太陽能設施，與基站的電力一樣，太陽能和風能等可再生能源的使用可以降低基站的能源成本。然而，在江西省，由于缺乏一天的風能和多年的日照，根據當地條件，利用風能和太陽能系統補充風能和光資源，實現持續穩定的能源。由于太陽能和風能的季節互補性較差，且太陽能和風能資源匱乏，可使用三種互補能源系統，即“太陽能風能和商用柴油”，使用備用柴油發電機和商用能源。如果有電源線，則將主電源線插入備用系統。當主電源未連接時，備用柴油發電機用作一個系統，惡劣的天氣和風能的缺乏導致了新能源的缺乏。通過啟動本地電源和柴油發電機，可以確?；镜某掷m供電。該計劃適用于風能和太陽能豐富的地區，或當地能源不足的偏遠山區、湖泊和島嶼。由于這是一項巨大的初始投資，因此必須認真推廣和實施。

（四）蓄電池市電削峰技術

在高峰期，對5G電力的需求將逐漸增加，這將給進口電廠的成本帶來巨大壓力。根據運營和維護統計，基站庫存中的電池容量過剩，約有20%的基站全年關閉?？梢钥闯觯蠖鄶惦姵毓ぷ鲿r間較長，利用5G設備實際功耗隨數據流的動態變化特性，利用電池在峰值功耗時平衡主電源，同步為基站設備供電;在低能耗時代，地方政府對電池進行充電和儲能，穩定通信設備的負荷變化，穩定最大供電量，進一步降低城市高峰時段的能源需求，降低地方能源成本。

四、結束語

市場上銷售的設備開發完成后，5G基站設備的結構和外形逐步確定，具備商業開發條件。然而，由于硬件產業鏈的發展，5G基站設備的功耗仍然很高。能源消耗的顯著增加導致了節能、減排、成本和效率的降低?；拘枰澞堋?G 將進一步擴展到各縣基站的節能降耗也成為一個長期目標。主要設備及銷售，制定基礎設施、電網和電網使用的綜合節能措施，基于用戶流量和網絡負載的大型網絡和數據意味著土地分布，5G智能節能降耗綜合利用轉換，加強對節能工作的直接政治支持和管理。

作者單位：武紅鳳" "中國鐵塔股份有限公司忻州市分公司

參" 考" 文" 獻

[1]中國5G基站節能技術白皮書[R].2020.

[2]江西電信節能減排通信技術發展報告[R].2019.

[3]畢成5G無線網絡節能技術研究I電信工程技術與標準化，2020，33108：1-5

[4]呂婷，張猛，曹亙，等.5G基站節能技術研究[R].郵電設計技術，2020：46-50.

[5] 呂婷，曹亙，張濤.5G基站架構及部署策略研究[J].移動通信，2018（11）：72-77.