面向5G基站的綜合節(jié)能技術(shù)分析研究

摘要：5G通信基站能耗為4G基站的3～4倍。作為傳統(tǒng)的能耗大戶(hù)，5G通信基站的電能消耗將更加巨大。在“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展背景下，面對(duì)國(guó)內(nèi)上百萬(wàn)座的通信基站，做好基站的節(jié)能工作至關(guān)重要。因此，該文以5G基站的節(jié)能技術(shù)為研究方向，通過(guò)采用智能調(diào)節(jié)方法、加裝節(jié)能設(shè)備等措施實(shí)現(xiàn)5G基站綜合能耗的有效下降，進(jìn)而為5G基站的“綠色”運(yùn)營(yíng)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：5G通信基站；節(jié)能；智能調(diào)節(jié)；節(jié)能設(shè)備；綜合能耗；

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.020

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 914；TN 929.53" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Analysis and Research on Comprehensive Energy-Saving Technology

for 5G Base Stations

WAN Fang

（China Tower Corporation Changzhi Branch， Taiyuan 030000， China）

Abstract： The energy consumption of 5G communication base stations is 3～4 times that of 4G base stations. As a traditional high energy consumer， the commercial use of 5G communication base stations will consume even more electricity. In the context of carbon peaking and carbon neutrality， it is crucial to do a good job in energy conservation for millions of communication base stations in China. Therefore， this article takes the energy-saving technology of 5G base stations as the research direction， and effectively reduces the comprehensive energy consumption of 5G base stations by adopting intelligent adjustment methods and installing energy-saving equipment， thereby providing useful reference for the \"green\" operation of 5G base stations.

Keywords： 5G communication base station; energy saving; intelligent adjustment; energy-saving equipment; comprehensive energy consumption

0" "引言

2019年，5G技術(shù)在中國(guó)正式進(jìn)入商用。經(jīng)過(guò)4年的發(fā)展，我國(guó)5G基站的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到300萬(wàn)座，占整個(gè)通信基站數(shù)量為28%。傳統(tǒng)的通信基站其能耗相對(duì)較低，通信基站的節(jié)能技術(shù)相關(guān)研究緊迫性不足[1]。隨著5G通信基站的占比逐步提升，其單站功耗高和超密集部署等原因，導(dǎo)致其電能需求大幅提升。但是，各省市區(qū)域內(nèi)相關(guān)電力配套相對(duì)滯后。在某些城市區(qū)域，新增供電線(xiàn)路較為困難，基站的用電擴(kuò)容十分不易[2]。因此，5G基站的改造與供配電矛盾凸出。此外，隨著5G設(shè)備功耗成倍增加，空調(diào)降溫等設(shè)備功耗也明顯增加。綜上所述，5G基站的綜合功耗相對(duì)較高，其進(jìn)行綜合節(jié)能具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，本文以5G基站的綜合節(jié)能為研究方向，通過(guò)對(duì)影響5G基站耗能的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析，并針對(duì)性給出解決性措施。通過(guò)對(duì)5G通信基站供電技術(shù)的節(jié)能進(jìn)行探索，為構(gòu)建綠色、可持續(xù)的通信網(wǎng)絡(luò)提供有效技術(shù)路徑。

1" "5G基站能耗總體分析

在通信基站運(yùn)行過(guò)程中，基站的正常運(yùn)行需要外市電進(jìn)行供應(yīng)。5G基站的能耗主要包括核心設(shè)備和輔助設(shè)備兩大設(shè)備。其中，核心設(shè)備中囊括了BBU-AUU為核心的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。而輔助的設(shè)備又包括了空調(diào)、蓄電池等輔助核心設(shè)備正常運(yùn)行的配套設(shè)備[3]。5G基站供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

由圖1可知，整個(gè)基站的供電全部由380 V AC市電完成。通過(guò)集中的配電箱，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源、空調(diào)、照明等設(shè)施的集中供電。基站通信主設(shè)備全部由48 V DC完成。此外，通過(guò)加裝蓄電池或者鋰電完成短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急狀態(tài)的供電，保證通信基站在至少3 h以?xún)?nèi)不停電。BBU-AAU的主流基站設(shè)備功耗如表1所示。

通過(guò)表1可以分析出：5G設(shè)備本身的功耗是4G設(shè)備的1.9倍。考慮到一個(gè)基站通常實(shí)現(xiàn)“1個(gè)BBU+3個(gè)AAU”的組合模式，此種模式下最終5G設(shè)備的功耗約為4G設(shè)備的3～4倍。考慮到很多時(shí)段5G用戶(hù)的不飽滿(mǎn)性，實(shí)際負(fù)載于供應(yīng)負(fù)載嚴(yán)重不匹配。因此，通信設(shè)備的節(jié)能勢(shì)在必行。否則，高企的用電成本也會(huì)極大提高運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維成本。

根據(jù)權(quán)威的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有5G基站功耗單站平均功耗約為6 kW。其中，通信設(shè)備能耗占比46%，空調(diào)設(shè)備能耗占比46%，其他能耗占比為8%。因此，做好空調(diào)設(shè)備的相關(guān)節(jié)能意義十分重大。為了保證基站室內(nèi)18～24℃室溫，很多基站在進(jìn)行空調(diào)運(yùn)行時(shí)基本是執(zhí)行24小時(shí)開(kāi)機(jī)，尤其是在晚間等時(shí)段，其氣溫相對(duì)較低。因此，空調(diào)節(jié)能的潛力較大。

2" "5G基站節(jié)能技術(shù)分析研究

根據(jù)5G基站的使用特點(diǎn)，我們進(jìn)行針對(duì)性節(jié)能技術(shù)分析研究，包括智能通信設(shè)備節(jié)能調(diào)節(jié)技術(shù)、空調(diào)部分替代技術(shù)、可再生能源供電等技術(shù)。

2.1 智能通信設(shè)備節(jié)能調(diào)節(jié)技術(shù)

智能化是未來(lái)電氣設(shè)備的主流發(fā)展趨勢(shì)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的逐步成熟，智能化與5G基站的結(jié)合為5G基站的節(jié)能發(fā)展提供了新發(fā)展思路。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，5G基站的功耗數(shù)據(jù)可以全部傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心中。系統(tǒng)可以根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和實(shí)際需求進(jìn)行重點(diǎn)分析。例如，我們?cè)谀硡^(qū)域不發(fā)生重大變化的情況下，可以利用2個(gè)月的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況作為訓(xùn)練樣本，進(jìn)行預(yù)測(cè)程序編制。以此為依據(jù)，作為預(yù)測(cè)判據(jù)。例如，典型的居民住宅樓，白天時(shí)段由于通信用戶(hù)陸續(xù)離開(kāi)住宅，通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載呈現(xiàn)低負(fù)載水平。而到了18：00以后，隨著通信用戶(hù)的陸續(xù)歸家。在18：00～23：00的時(shí)段內(nèi)，通信網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為高負(fù)載，而到了23：00以后，通信網(wǎng)絡(luò)又逐步進(jìn)入到低負(fù)載階段。通過(guò)此種規(guī)律性變化，通過(guò)智能化調(diào)控技術(shù)的使用，通信基站的AAU開(kāi)啟數(shù)量可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[4]。相較于傳統(tǒng)的AAU全開(kāi)的模式，智能化的節(jié)能調(diào)節(jié)技術(shù)在保障周邊用戶(hù)正常使用的需求中，基站能耗可有效下降20%以上。我國(guó)5G基站規(guī)模接近300萬(wàn)個(gè)，智能節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用其經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和靈活調(diào)整功率，不僅可以降低通信基站的能源消耗，減少能源浪費(fèi)，還可以提高通信網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率。這不僅對(duì)運(yùn)營(yíng)商的成本控制和運(yùn)營(yíng)效率具有重要意義，也符合可持續(xù)發(fā)展的能源利用理念，為構(gòu)建綠色、高效的5G通信網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效的技術(shù)手段。因此，進(jìn)一步研究和應(yīng)用基于供需匹配的動(dòng)態(tài)功率調(diào)整策略，將為5G通信基站電力節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。通過(guò)不斷改進(jìn)和優(yōu)化動(dòng)態(tài)功率調(diào)整技術(shù)、結(jié)合智能化能源管理系統(tǒng)和節(jié)能型硬件設(shè)備等措施，我們可以進(jìn)一步提高通信基站的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與智能化的目標(biāo)。

2.2 空調(diào)部分替代技術(shù)

空調(diào)作為基站的重要溫控設(shè)備，其核心降溫作用是無(wú)可取代的。但是，為了降低空調(diào)的使用頻次，我們可以在非夏季時(shí)段高溫時(shí)段實(shí)現(xiàn)空調(diào)使用的部分替代，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫控設(shè)備的有效節(jié)能。目前，溫控設(shè)備的主要手段包括新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)、氟泵節(jié)能技術(shù)2種模式。

2.2.1 新風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在眾多節(jié)能技術(shù)中，利用自然現(xiàn)有條件進(jìn)行節(jié)能降溫是經(jīng)濟(jì)型最高的技術(shù)。新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的方式如圖2所示。它主要利用空氣對(duì)流的原理實(shí)現(xiàn)基站內(nèi)熱量的有效排出。在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置防塵網(wǎng)對(duì)顆粒物進(jìn)行過(guò)濾，它可有效應(yīng)用于濕度相對(duì)較低的北方區(qū)域。在出風(fēng)口設(shè)立排氣扇。當(dāng)排氣扇進(jìn)行對(duì)外抽氣時(shí)，也會(huì)加速室內(nèi)氣體迅速流入到室內(nèi)，進(jìn)而有效增強(qiáng)空氣對(duì)流，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)房溫度的下降。

5G基站內(nèi)通過(guò)溫度檢測(cè)裝置對(duì)基站內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)作為新風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟與否的重要條件。優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)性高、系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，較易維護(hù)；缺點(diǎn)是由于它與外界環(huán)境直接相通，對(duì)外界環(huán)境較為敏感，因此，針對(duì)某些工業(yè)園區(qū)不建議安裝此類(lèi)系統(tǒng)。所以在后續(xù)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)使用環(huán)境特點(diǎn)做出合適的選擇。

2.2.2 氟泵節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷技術(shù)的核心部件是壓縮機(jī)。壓縮機(jī)可有效實(shí)現(xiàn)制冷劑的定向循環(huán)，而氟泵技術(shù)的使用就是替代壓縮機(jī)進(jìn)行制冷劑的輸送。分析數(shù)據(jù)表明，在低溫情況下（室外溫度小于5℃）時(shí)，產(chǎn)生同樣的制冷量，氟泵的功耗約為壓縮機(jī)功耗的十分之一。因此，以氟泵節(jié)能技術(shù)為基礎(chǔ)，具有重大節(jié)能空間。在北方地區(qū)的冬季，氣溫普遍在0℃以下，利用氟泵節(jié)能技術(shù)替代空調(diào)系統(tǒng)可產(chǎn)生明顯的能耗下降。在室外氣溫高于15℃時(shí)，開(kāi)啟空調(diào)進(jìn)行制冷；當(dāng)氣溫介于5～15℃之間時(shí)，可將氟泵與壓縮機(jī)同時(shí)進(jìn)行使用。此模式下，空調(diào)處于降頻模式，能耗也會(huì)有所下降。氟泵節(jié)能技術(shù)其保證了室內(nèi)的密閉性，可應(yīng)用于外部環(huán)境較差的基站設(shè)計(jì)中。

2.3 可再生能源供電技術(shù)

隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的使用，“綠色能源”成為未來(lái)的重點(diǎn)關(guān)注方向。光伏發(fā)電俗稱(chēng)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)主要在基站機(jī)房房頂或者空地等區(qū)域放置光伏發(fā)電板，針對(duì)不同基站的運(yùn)行功率進(jìn)行光伏發(fā)電板的適配。為了充分獲取太陽(yáng)能，在進(jìn)行光伏電板的安裝時(shí)要充分考慮到各種物體產(chǎn)生的陰影遮擋進(jìn)而影響發(fā)電效率。光伏發(fā)電技術(shù)不僅可以滿(mǎn)足日常通信基站的日間供電，而且也可將獲取的多余電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能元件中。當(dāng)處于夜間時(shí)段時(shí)，蓄電池也可進(jìn)行放電動(dòng)作，進(jìn)而從總體上實(shí)現(xiàn)對(duì)外市電網(wǎng)電能的消耗。相較于太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電主要應(yīng)用于風(fēng)力資源較為富集的省份（如新疆、青海、內(nèi)蒙等省區(qū)）。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)性較大，通常處于0～50 V DC，無(wú)法直接使用。為此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常都需要加裝電源適配器，從而穩(wěn)定輸出12 V/24 V/48 V等滿(mǎn)足通信設(shè)備用電的電壓。在實(shí)際使用過(guò)程中，可根據(jù)基站地的地理?xiàng)l件，對(duì)以上技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)使用或者聯(lián)合使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

3" "結(jié)束語(yǔ)

隨著5G的快速發(fā)展，5G基站的數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì)，為了有效降低5G基站的使用能耗，本文通過(guò)采用智能通信設(shè)備節(jié)能調(diào)節(jié)技術(shù)、空調(diào)部分替代技術(shù)以及可再生能源供電技術(shù)等措施，實(shí)現(xiàn)5G基站綜合能耗的有效下降，為5G基站的“綠色發(fā)展”提供有益參考。

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