鐵路5G-R基站綠色化運行分析

張羽白，孫啟民，張 馳

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 公網5G綠色發展概況

隨著全球5G 通信系統的快速發展，如何保證5G 網絡能耗適時可控是5G 可持續發展的關鍵。3GPP R18 希望通過標準定義的節能模式，幫助運營商實現全網統一的節能策略部署。下一代移動網絡聯盟也表示2022 年制定全球綠色網絡行業標準，利用標準化的5G 優勢推動全球綠色5G 可持續發展。

2019 年中國聯通發布《5G 智能節能技術白皮書》、2020 年中國移動發布《5G 基站節能技術白皮書》，均以5G 基站節能需求為目標，從設備級、站點級、網絡級3 個層面進行節能分析研究，提出相應的技術需求和應用場景建議。公網運營商5G 基站節能技術的總體目標為降低基站功耗，通過基站與配套設備的降耗、綠色新能源的試點推廣應用及機房的整體溫控策略，實現更加綠色、高效、可持續發展的5G 網絡，滿足5G 發展及網絡運營要求。

國內通信設備廠家也針對5G 節能措施及可持續發展進行了相關研究。2020 年中興通訊股份有限公司發布《Power Pilot 4G/5G 網絡節能降耗技術白皮書》，著重分析在5G 網絡與存量的 2G/3G/4G網絡并存的情況下5G 網絡節能措施，重點研究了話務負荷和網絡容量之間的匹配方案，提出網絡能耗和網絡性能之間的匹配措施。2021 年華為發布《綠色5G 白皮書》，提出建立綠色能效評估體系推動綠色5G 網絡發展的策略，分析影響網絡能效的關鍵因素，從天線、設備以及分析硬件功耗與負載之間的曲線關系等措施實現綠色5G 的可持續發展。

2 鐵路專用移動通信系統綠色化運行發展分析

目前鐵路專用移動通信主要為GSM-R 系統，已廣泛覆蓋全國高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路、其他新建鐵路及部分普速鐵路，GSM-R 基站機房內主要耗電設備及碳排放因素包括以下幾方面。

1）基站設備自身耗電。

2）機房配套設施耗電，包括空調、開關電源及其他配套設備，其中以空調的耗電量最大。由于傳統機房內的溫控措施主要依賴空調，沒有新風系統以及其他制冷措施，且空調沒有智能管控手段，導致空調一直處于滿負荷工作狀態。

3）外部供電主要依賴傳統方式，新能源供電占比低。

中國國家鐵路集團有限公司當前正在開展5G專用移動通信系統（5G-R）的技術研究工作。未來將逐步開展鐵路5G-R 的規模建設，由于無線頻率等因素，鐵路5G-R 系統相比于GSM-R，將出現更小基站間距、更大基站數量、更高站點能耗以及更高的運營維護成本，研究切實可行的鐵路5G-R 基站綠色化運行方案既是國家雙碳政策的需要，也是推進鐵路通信系統綠色可持續發展的需要。

推進鐵路5G-R 基站綠色化運行應秉行保證鐵路通信業務不受影響的情況下同時符合產業政策、可持續發展的原則。鐵路通信業務為鐵路行車指揮提供通信保障，具有同一線路不同小區話務量差異大，不同線路不同覆蓋區域話務量差異大，室內場景話務量閑時長于室外場景，大型車站、辦公樓話務量潮汐效應明顯等特征?？紤]到鐵路線路的特殊性、業務多樣性以及運行維護特點，推進鐵路5G-R 基站綠色化運行可在借鑒公網綠色化發展策略的基礎上結合鐵路業務特性進行分析，重點從基站節能控制、新能源技術在基站領域應用以及基站機房空調智能管控、新風節能技術融合應用等方面進行研究。

2.1 基站節能控制技術

針對基站節能控制策略應在滿足鐵路應用業務服務質量指標要求的前提下，分析5G-R 基站業務量與功耗之間的關系，梳理5G-R 業務需求建立5G-R 基站業務負荷預測模型，從設備級、站點級和網絡級3 個層面進行基站節能策略研究。

2.1.1 設備級節能控制

5G-R 基站設備能耗中占比較大的器件主要有功率放大器、數字中頻模塊、小信號模塊和基帶板，在滿載情況下，這部分器件的功耗可以占到基站設備整體功耗的90%左右，設備級節能技術的研究主要聚焦于對以上部件的改進，如更高制程的芯片工藝，采用高集成度ASIC 芯片代替FPGA 芯片，用小型化氮化鎵（GaN）功率放大器代替LDMOS 功率放大器等。

2.1.2 站點級節能控制

通過基站能耗分析并結合業務負荷預測模型進行軟件節能控制，從而實現站點級的節能目標。主要措施包括符號關斷、通道關斷、載波關斷、功放調壓和深度休眠等。依據《鐵路5G 專網業務和功能需求暫行規范》和《鐵路5G 專用移動通信（5GR）系統總體技術暫行要求》，梳理5G-R 基站部署的典型場景，包括鐵路區間場景、大型車站場景、大型貨場場景等，分別分析這些典型場景的5G-R 部署特征、業務特征及業務服務質量需求等特征，分析節能技術對鐵路不同應用場景的適應性。

2.1.3 網絡級節能控制

網絡級節能控制可通過采取相應技術手段降低站點密度，加大站距并提高系統覆蓋效率，從而實現網絡級能耗的降低。例如針對5G-R 基站密度大等問題，可通過采用智能超表面（RIS）技術針對特定弱場進行補強，從深度上拓寬覆蓋區域；或采用透鏡天線、釘狀定向天線等技術提高天線的發射效率，從廣度上拓寬覆蓋區域。

2.2 基站新能源技術

在確保鐵路安全運營的前提下，根據各類綠色能源的特性，結合鐵路沿線基站機房的環境條件，研究新能源技術在基站領域的應用方案，通過新能源的利用減少傳統用電，從而減少因5G-R 基站機房用電引起的碳排放。

基站新能源技術研究應重點結合基站所在區域的新能源如太陽能、風能等的分布特點進行分析，針對5G-R 基站建設地點的地理位置及氣候條件，分析太陽能、風能、風光互補等綠色能源為5G-R基站機房供電的可行性，對區域內綠色能源進行統計分析，掌握其資源穩定度及強度等數據，如對太陽能資源進行輻射量等級及穩定度等級分析，對風能資源進行風向、風速、功率密度等分析。依據分析結果，在確?；痉€定供電的前提下對基站新能源技術提出相應的研究方案。鐵路基站新能源技術研究主要包括如圖1 所示相關內容。

圖1 基站新能源技術研究主要內容Fig.1 Main contents of base station new energy technology research

2.3 基站機房空調智能管控技術、新風節能技術融合應用

根據GSM-R 網絡基站機房的建設經驗，針對5G-R 基站機房的建設要求進行研究，重點評估5G-R 基站機房的資源配置、設備能耗、機房布局及熱力分布、站點氣候條件等關鍵因素，并重點研究基站機房內智能空調、自清潔新風系統部署方案、節能管控策略以及智能化節能管控技術、高熱區域的溫控措施，同時結合新能源技術進行基站機房新能源技術、空調智能管控與新風節能技術的融合應用研究。

針對上述研究，可建設基于融合應用方案及節能管控技術研究的基站機房能耗一體化智能管控平臺。基站機房能耗一體化智能管控平臺應具備能耗監測、熱力分布監測、節能策略管控等功能?；谠撈脚_可實現機房內的資源臺賬可視化管理、設備能耗監測及趨勢分析、熱力分布監測及趨勢分析，實現節能管控策略的自動學習及人工輔助設定，實現空調與新風系統的智能管控，同時可支持5G-R基站的設備級、站點級及網絡級能效評估，驗證融合應用方案及管控技術的節能降耗效果，為基站節能技術研究及基站節能控制策略的制定提供數據支撐，從而進一步實現綠色基站機房的節能目標?？照{智能管控及新風節能技術融合應用研究主要內容如圖2 所示。

3 結束語

鐵路5G-R 作為鐵路下一代通信技術，容量更大、靈活性與兼容性更強等特性，未來將被大規模部署，逐步替代GSM-R 系統。當前針對鐵路5G-R基站綠色化運行進行分析研究，未來將綠色化運行策略納入基站設備要求，既有利于鐵路通信系統的可持續發展，又便于在鐵路5G-R 建設初期形成綠色節能的基站設備供應產業鏈，為構建鐵路5G-R綠色基站標準體系打下基礎。在鐵路5G-R 基站綠色化運行過程中，通過不斷改進升級逐步形成鐵路5G-R 綠色基站標準化體系，一方面可使得標準化助力行業發展，另一方面也將有利于中國鐵路綠色移動通信建設標準的推廣和發展。分析研究鐵路5G-R 基站綠色化運行既是國家雙碳戰略目標所需，也是中國鐵路可持續綠色發展奏響交通運輸行業行穩致遠的“主旋律”。