“雙碳”戰(zhàn)略下的5G全生命周期網絡節(jié)能研究

“雙碳”即碳達峰和碳中和，目前“雙碳”以及“數字中國”都已經寫入國家發(fā)展戰(zhàn)略。在此背景下，肩負兩項重要使命的運營商面臨著巨大挑戰(zhàn)，但機遇與挑戰(zhàn)并存。

 

5G網絡作為新型基礎設施建設的重要組成部分，不僅是運營商當前發(fā)展的主要任務，也是“數字中國”戰(zhàn)略的重要載體。盡管5G建設如火如荼、日臻成熟，但5G設備的高能耗卻成了運營商的主要痛點，5G設備的能耗達到4G設備的2~3倍，如此高的能耗不僅極大地增加了運營商的運營成本，也與實現(xiàn)“雙碳”目標的國家戰(zhàn)略相悖。因此，在發(fā)展5G業(yè)務的同時降低5G網絡能耗，成為運營商的燃眉之急。

 

本文主要從5G網絡規(guī)劃、建設、運行、評估優(yōu)化4個方面，探討在發(fā)展5G業(yè)務的同時如何更好地打造一張綠色低碳、低能耗的5G網絡，即研究如何用更低的能耗傳輸更多的數據。

 

5G網絡規(guī)劃需融入綠色低碳理念4G之前的站址規(guī)劃流程是：以現(xiàn)網業(yè)務相關數據對新增站址進行預測，然后對備選站址的建設難易程度進行評估，最后確定站址，即按照業(yè)務驅動規(guī)劃、落地的規(guī)劃助力業(yè)務發(fā)展的模式滾動進行。這種模式的優(yōu)點是以用戶為中心，以業(yè)務發(fā)展為導向，缺點是這種不計成本的發(fā)展模式使運營商的自身利益被忽視。

 

進入5G時代，5G基站的功耗是4G的2~3倍，如果沿用4G的建網模式，運營商的運營成本特別是電費成本勢必大幅增加，也與國家的“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略背道而馳。

 

因此，必需要將綠色低碳、低能耗的理念融入5G網絡的規(guī)劃中，具體執(zhí)行時不僅要按照傳統(tǒng)的模式輸出站址，同時也要建立可以實現(xiàn)綠色低碳、低能耗的能源目標網站址庫，該站址庫不僅包括一般站址（如桿體、天面、機房、機柜站址），也要包含可建設綠色清潔能源（如風能、核能、水能、光能甚至氫能等）的儲備站址。綜合傳統(tǒng)規(guī)劃以及能源目標網輸出的5G站址，才是綠色低碳的5G站址，如圖1所示。

 

5G相比之前的網絡具備提供更高速率的能力，在規(guī)劃時將綠色低碳的能源目標網融入其中，可以在規(guī)劃層面實現(xiàn)用更低的能耗傳輸更多數據的目標。

 

5G基站布放應配套建設綠色清潔能源目前在5G常用的建設模式中，無論是用于建設室外宏站的BBU+RRU+天線模式、BBU+AAU模式，還是用于室內建設的傳統(tǒng)BBU+RRU+分布天線（泄漏電纜）、BBU+Rhub+PRRU新型數字化室分的模式，都可以歸結為基帶端（BBU）+射頻端（AAU或者RRU）的建設模式。

 

基帶端即BBU端，5G網絡優(yōu)先選擇BBU集中的方式部署，BBU集中不僅減少了基站之間的信息交互時延，而且降低了基站機房的租賃成本，同時還是降低能耗的有效途徑，尤其是針對機房制冷能力趨于飽和的站點進行BBU集中，這顯得尤為重要。

 

BBU集中優(yōu)先選擇在機柜中集中部署，相比在機房進行BBU集中，機柜集中的方式不僅極大節(jié)省了運營商的租賃成本，也是實現(xiàn)更低能耗的有效途徑。BBU集中于機柜可降能耗的原因在于——空調冷氣近距離接觸設備；而BBU集中于機房，空調首先對機房內的氣體進行冷卻，再通過降溫后的氣體對設備進行冷卻，機房制冷效率不僅低，而且能耗也大。

 

BBU集中有兩種方式，一種是以多站點多臺BBU的方式集中，另一種是以多站點一臺BBU的方式集中。多站一框的BBU集中方式，其集中程度可以達到一塊基帶板同時帶動多個5G站點的效果，不僅使5G基站之間的數據交互時延更低，更有利于5G網絡的進一步演進，而且5G網絡BBU數量的壓縮也帶來了能耗的進一步降低。

 

5G的射頻端通常采用AAU或者RRU+天線的方式，實現(xiàn)降低能耗要盡量避免長距離供電，因為通過線纜長距離傳輸會增加不必要的能耗。給射頻端供電的單元要盡量靠近RRU/AAU端，優(yōu)先選取將RRU和供電單元集成在一起的供電方式，同時采用刀片儲能模塊作為備電；次選刀片供電系統(tǒng)以及刀片儲能模塊為RRU/AAU供電。

 

充分利用綠色清潔能源建設5G基站能夠大大降低能耗。在BBU端，可以根據站址所處自然環(huán)境，在風能資源較為充分的地方采用風力發(fā)電+機柜的方式集中部署B(yǎng)BU，采用風力發(fā)電+刀片電池的方式為AAU或者RRU供電；對于太陽能資源比較豐富的地方，宜采用太陽能發(fā)電+儲能的方式為BBU或者AAU/RRU供電。

 

同時，還可以采用以綠色清潔能源為主的供電方式，在其無法提供足夠能源動力的時候，儲能電池單元要具備迅速供電的能力，以保障5G基站的正常運轉。采用綠色清潔能源為5G網絡供電，能夠實現(xiàn)“零碳排放”。

 

5G網絡運營節(jié)能方法優(yōu)選運營中的5G網絡主流的節(jié)能方法有符號關斷、通道關斷、載波關斷、深度休眠4種。

 

符號關斷

 

符號在時域上是信息傳輸的基本單位，一直處于不間斷工作狀態(tài)，當符號上沒有數據承載時，5G基站繼續(xù)發(fā)送符號就會產生無效能耗。如果在沒有發(fā)送數據的符號上啟動符號關斷功能，則可以實現(xiàn)降低能耗的目的。

 

另外，若符號上有數據發(fā)送，但是符號承載的數據量極少，針對這種情況可以先對符號進行聚合，即通過將該符號上的數據整合到有空余資源的符號上，使得有更多的符號處于空載狀態(tài)，然后再開啟符號關斷功能，從而實現(xiàn)能耗的進一步降低。具體原理如圖2和圖3所示。

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通道關斷

 

處于工作狀態(tài)的射頻通道，在空載或者業(yè)務量較低時可以關斷，從而實現(xiàn)降低能耗的目的。這種方式的應用可能會降低設備的陣列增益以及賦型增益，進而對5G網絡的質量產生一定的影響，特別是輕載下的用戶，一旦啟動通道關斷，可能出現(xiàn)掉線的情況。因此，啟用該功能節(jié)能時，網絡一定要有可以承載遷移數據的載波或者通道，只有這樣才不至于影響用戶對5G網絡的感知。

 

通道關閉的原理如圖4所示。S1的部分通道關閉后由S2的載波或者通道承接原有業(yè)務，實際也可以是S1的其它載波或者其它通道承接原有業(yè)務。

 

載波關斷

 

當5G基站至少存在兩個載波時，如果某個載波承載的業(yè)務量較低（一般監(jiān)控PRB利用率），則可以啟動載波關斷功能，適當關閉一個或者多個載波。載波關斷會影響5G的覆蓋效果，與通道關閉相似，載波關斷有一個前提條件——當一個或者多個載波關斷后，剩余載波能夠接收原來載波承載的業(yè)務，只有這樣才不會引起用戶感知的下降。載波關斷按照以下優(yōu)先級啟用：用于承載容量的高頻載波其關閉的優(yōu)先級最高，用于承載覆蓋層的低頻載波其關閉優(yōu)先級最低，這樣做的意義是為有效保證業(yè)務遷移后的連續(xù)性，同時不至于影響用戶對5G網絡的感知。載波關斷的原理如圖5所示。

 

深度休眠

 

深度休眠指的是RRU或者AAU的硬件資源除保留最基本的光接口通信模塊、時鐘恢復單元、部分電源和控制邏輯外，其它功能模塊全部啟用關閉模式。該方式雖節(jié)能效果最佳，但無法通過指令喚醒。特別是突發(fā)業(yè)務需求出現(xiàn)時，極易造成用戶感知的下降。

 

運營中的5G網絡開啟節(jié)能模式的必要條件是觸發(fā)節(jié)能門限（一般跟蹤PRB利用率以及RRC連接數等KPI指標）以及定位節(jié)能的精準時間窗口，只有精確地預測出這兩個參數，才可以實現(xiàn)在保證網絡有效節(jié)能的同時，用戶對5G網絡的感知不會降低。這兩個參數的精準確定一般用AI算法就可實現(xiàn)，在對5G現(xiàn)網運營的業(yè)務數據進行大數據分析的同時進行預測，進而決定何時、何地、選用什么樣的方式，可以更有效地實現(xiàn)5G網絡的節(jié)能降耗。

 

根據5G網絡評估數據優(yōu)化基站節(jié)能模式5G網絡評估優(yōu)化指的是在網絡運營中，密切監(jiān)控各個基站的運行情況，針對能耗長期處于高位且業(yè)務承載不足的設備，替換為適合自己的設備，例如對于64通道的AAU如果發(fā)現(xiàn)速率瓦特比長期處于低位，則考慮替換為32通道AAU或者更低通道的RRU+天線的模式，實現(xiàn)5G業(yè)務的承載。

 

另外，針對早期5G網絡建設的BBU端，盡可能采用BBU集中的方式進行改造。如果為機房站點則優(yōu)先改為機柜進行BBU集中，多臺已經集中的BBU通過共用基帶板實現(xiàn)更高程度的集中。同時，運營中的5G站點如果條件具備，可以進一步改造為采用綠色清潔能源為基站設備供電，使得能耗進一步降低，5G網絡更接近綠色低碳運營。

 

“雙碳”和“數字中國”戰(zhàn)略給運營商帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。規(guī)劃、建設、運行、評估優(yōu)化是基站設備全生命周期的4個重要環(huán)節(jié)，本文詳盡分析了4個環(huán)節(jié)中減碳降耗的方法。未來，隨著新技術、新工藝、新材料的逐步推廣使用，硬件設備節(jié)能降耗的效果將愈加明顯，這樣既有利于運營商的可持續(xù)發(fā)展，也對國家重大戰(zhàn)略的實現(xiàn)具有重要意義。