摘要：隨著5G時代的到來,通信業(yè)務(wù)種類和終端連接數(shù)呈爆發(fā)式增長,通信行業(yè)節(jié)能降耗面臨著挑戰(zhàn)。相比于已商用的4G技術(shù),5G需要支持更大的帶寬,更多的通道數(shù)以滿足ITU提出的性能需求,但這也導致了5G能耗的顯著增加.基站節(jié)能技術(shù)是通過在時和頻域上關(guān)閉相應(yīng)的發(fā)射資源來實現(xiàn)基站能耗的降低,為了避免節(jié)能技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶體驗的影響,在網(wǎng)絡(luò)運營過程中需要尋找節(jié)能效果和網(wǎng)絡(luò)性能間的相互平衡。本文提供了一套從監(jiān)測到管控用能的解決方案，可以良好的解決基站用能過高問題。
關(guān)鍵詞：5G基站；基站能耗管理；能耗監(jiān)控；
1 5G基站建設(shè)現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)已建成超71.8萬個5G基站，5G終端連接數(shù)超過了2億，運營商5G的投資也超過了幾千億，已經(jīng)基本將5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋到全國所有的地級以上城市，獨立組網(wǎng)模式正實現(xiàn)規(guī)模部署，還將充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)優(yōu)勢提供大寬帶、低延時等方面的服務(wù)。
疫情為國民經(jīng)濟摁下了暫停鍵，如果要實現(xiàn)盡快恢復(fù)，需要采取措施。基建有助于擴大需求、穩(wěn)增長、穩(wěn)就業(yè)。防疫期間，全民隔離讓全社會對數(shù)字技術(shù)的需求集中井噴。幾億人在線辦公，全國所有學生在線上課，還有幾乎所有的生活物資的交易，都是在網(wǎng)上實現(xiàn)的。在現(xiàn)實世界停擺的時候，數(shù)字世界建立了一套支撐現(xiàn)實世界的新“循環(huán)系統(tǒng)”。
有了云計算的支撐，大數(shù)據(jù)支撐的科學決策、各種算法支撐的人工智能，智聯(lián)網(wǎng)支撐的萬物互聯(lián)，以及在線才有擁有可能。由此，支撐了疫情期間的社會治理、資源調(diào)配，科學決策，組織協(xié)同。
在消費領(lǐng)域，5G+超高清、5G+AR/VR等技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，如游戲娛樂、賽事直播、居住服務(wù)等新技術(shù)應(yīng)用仍在探索和實踐中。諸如教育、醫(yī)療應(yīng)用等，可基于5G+人工智能+大數(shù)據(jù)技術(shù)下，以提供相應(yīng)服務(wù)。此外，這兩年的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展也是非常迅猛的，全國在建項目超過了1100個，有很多非常好的應(yīng)用場景得以實現(xiàn)，
2 5G基站用能情況
5G基站能耗是4G的3~5倍，單個5G基站，在沒有用戶接入的情況下，每小時耗電達到2.1千瓦；目前全市5G用戶少，按每天7小時無用戶計算，單站每月空耗用電就達到440度，每年達到5300度，通過廠家網(wǎng)管僅能關(guān)閉基站發(fā)射單元，減少1/3的能耗；5G基站用電很大，需要及時觀察5G基站電流電壓變化。
有統(tǒng)計指出，每GB流量約消耗2千瓦時的電量，也就是說下載一部1GB的電影相當于2000瓦吹風機連續(xù)工作1小時。若按每度電1元計算，下載一部1GB的電影，運營商需支付2元電費，如今無限流量套餐流量上限動輒40GB，而可預(yù)見的5G資費只會降不會升，可想而知，隨著5G流量需求暴增，運營商的電費成本壓力越來越大。
而在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，基站是耗電大戶，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。越加密集的基站意味著更高的能耗，這是5G網(wǎng)絡(luò)面臨的一大成本挑戰(zhàn)。
3 基站供電系統(tǒng)及用能分析
通常，基站的供電系統(tǒng)由市電引入，通過交流配電箱、開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為-48V直流后連接到基站設(shè)備，基站設(shè)備再通過饋線/光纖連接到鐵塔上的天線。
基站設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含：BBU、射頻（RF）單元、功率放大器（PA）、主電源、天線接口、扇熱系統(tǒng)等，其中BBU包含控制單元、傳輸單元和基帶處理單元等，主要負責信號濾波、OFDM、調(diào)制解調(diào)、頻域處理（符號映射/解映射和MIMO均衡等）、CPRI、DPD（數(shù)字預(yù)失真處理）等功能。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，可以基站功耗分為三大類型：傳輸功耗、計算功耗和額外功耗。
傳輸功耗：指功率放大器（PA）和射頻（RF）部分所消耗的電量，其主要執(zhí)行基帶信號與無線信號之間的信號轉(zhuǎn)換，饋電線的功耗包括在傳輸功耗之內(nèi)。
計算功耗：指BBU消耗的電量，包括數(shù)字部分處理、管理和控制、與核心網(wǎng)和其他基站間通信等相關(guān)功耗。
額外功耗：指從市電引入到基站直流供電的整個轉(zhuǎn)換過程中的額外損失的電量，也包括機房空調(diào)、制冷設(shè)備所消耗的電量。
對于傳統(tǒng)2G3G4G基站，由于基站的計算能力較小，通常傳輸功耗大于計算功耗，即BBU功耗小于PA和RF部分功耗，因此傳統(tǒng)基站提升能效的辦法主要集中在減少傳輸功耗，比如我們在閑時關(guān)閉部分載頻和射頻部分來實現(xiàn)節(jié)能減排。但5G時代情況不一樣了。密集分布的小/微基站和Massive MIMO天線，是5G基站的兩大主要特征。一方面，Massive MIMO本身是以更高的計算成本為代價降低傳輸功耗；而小基站覆蓋范圍小，PA更低，也意味著傳輸功耗更低。另一方面，由于5G傳輸速率將成倍提升，5G基站將處理海量數(shù)據(jù)，且隨著5G業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，5G BBU的計算功耗將逐漸上升。
因此，在5G時代，基站的計算功耗將大幅提升超過傳輸功耗。5G基站計算功耗上升，帶來的不僅是耗電問題，還有扇熱問題；同時，隨著5G邊緣計算和高速本地緩存的發(fā)展，未來那些掛在城市燈桿上的小基站將執(zhí)行越來越多的數(shù)據(jù)存儲和計算，這為5G部署提出了新的挑戰(zhàn)。
5 5G基站能耗監(jiān)控解決方案
基站智慧用電云平臺通過對5G宏站和室分站點加裝交/直流智能監(jiān)控設(shè)備、無線采集設(shè)備以及系統(tǒng)管理平臺，完成夜間無業(yè)務(wù)時段的下電操作，減少電能消耗，降低運營成本支出，以及提升通信設(shè)備供電線路狀態(tài)的實時監(jiān)測保護功能；系統(tǒng)后臺對存儲的供電線路歷史電氣性能數(shù)據(jù)進行梳理、匯總、分析，找出故障原因，給出解決建議對策，減少后續(xù)同類故障的發(fā)生率，提升供電線路運維管控能力。
5.1 方案主要特點
5.1.1 人防+物防
儀表24小時不間斷監(jiān)測，線路出現(xiàn)問題自動報警
維護檢修系統(tǒng)派單，狀態(tài)跟蹤，結(jié)果核查
5.1.2 數(shù)據(jù)融合分析
歷史數(shù)據(jù)保存便于問題排查
定點數(shù)據(jù)圖形化展示，通過走勢圖提供對未來情況的預(yù)測
5.1.3 遠程控制
針對每個基站的使用情況設(shè)定下電策略，根據(jù)現(xiàn)場情況對設(shè)備進行遠程操控
5.2 方案主要功能
5.2.1 首頁功能
5.2.2 實時監(jiān)控
5.2.3 隱患管理
5.2.4 設(shè)備啟停調(diào)節(jié)
對不同的基站設(shè)置不同的分合閘策略，下發(fā)周期可以按照年~月~周~日來進行選擇，提供下發(fā)命令的日志供用戶進行查詢。
5.2.5 設(shè)備信息管理
對設(shè)備可以設(shè)置對應(yīng)的進線和出線關(guān)系，來對每一個基站的使用功率進行實時監(jiān)測，可以分析基站的使用負載。從而可以分析不同區(qū)域的基站使用情況。
5.2.6 溫度控制管理
對各個基站的溫度進行設(shè)置，當溫度高于范圍內(nèi)，會開啟空調(diào)，其實時間會關(guān)閉空調(diào)
6 能耗監(jiān)控硬件設(shè)備選型
6.1 新建基站能耗監(jiān)控選型
6.1.1交流基站配置
配置方案 | 數(shù)量 | 實現(xiàn)功能 | 備注 | ||
儀表 | DTSD1352-xSyD | 1 | 檢測x個三相回路和y個單相回路的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、復(fù)費率電能、電能凍結(jié)、2-31次諧波、極值統(tǒng)計、RS485通訊、LCD顯示等。 | DTSD1352-xSyD（x、y為回路數(shù)） 通訊協(xié)議符合YD/T1363相關(guān)要求 | |
互感器 | 三相 互感器 | AKH-0.66/Z-15Y | x | 三個互感器為一整體，測量三相回路電流 | 三相回路采用三相互感器時 |
單相 互感器 | AKH-0.66/W-20Y | y | 單個互感器，測量單相回路電流 | 單相回路采用單相互感器時 | |
單相 互感器 | AKH-0.66/W-20Y | 3x+y | 單個互感器，測量單相回路電流 | 所有回路均采用單相互感器時 | |
6.1.2 直流基站配置
配置方案 | 數(shù)量 | 實現(xiàn)功能 | 備注 | |
儀表 | AMC16-DETT | 1 | 檢測6個直流回路的分路電壓、電流、功率、電能、復(fù)費率電能、以及總功率總電能、RS485通訊、LED狀態(tài)指示燈，具備市電檢測、±12V霍爾傳感器供電輸出等功能。 | 電流回路需要接入0-5V的霍爾傳感器 |
霍爾傳感器 | AHKC-EKA 50A/5V | x | 額定電流50A/5V，孔徑：φ20 | 通常用于分回路計量，數(shù)量不超過6個 |
AHKC-EKB 100A/5V | x | 額定電流100A/5V，孔徑：φ40 | 通常用于分回路計量，數(shù)量不超過6個 | |
AHKC-K 200A/5V | x | 額定電流200A/5V，孔徑：64*16mm | 通常用于總回路計量，數(shù)量不超過6個 | |
6.2 改造基站能耗監(jiān)控選型
6.2.1 交流基站配置
配置方案 | 數(shù)量 | 實現(xiàn)功能 | 備注 | |
儀表 | ADW350WA | 1 | 檢測3路單相回路或者1路三相回路的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、復(fù)費率電能、電能凍結(jié)、2-31次諧波、極值/RS485通訊等；帶有3路開關(guān)量輸出，2路測溫，以及2G/NB/4G等無線通訊方式。 | 3路開關(guān)量輸出（選配K） 2路測溫（選配T） RS485（選配C） GPRS無線通訊（選配2G） NB-IOT無線通訊（選配NB） 4G無線傳輸（選配4G） 其中2G、NB、4G三選一 |
互感器
| AKH-0.66/W-9N | 3 | 單個互感器，測量單相回路電流 | 電流規(guī)格為50A時 |
AKH-0.66/W-12N | 3 | 單個互感器，測量單相回路電流 | 電流規(guī)格為100A時 | |
6.2.2 直流基站配置
配置方案 | 數(shù)量 | 實現(xiàn)功能 | 備注 | |
儀表 | ADW350WD | 1 | 檢測3路單相回路的電壓、電流、有功功率、有功電能、復(fù)費率電能、電能凍結(jié)、極值/RS485通訊等；帶有3路開關(guān)量輸出，2路測溫，以及2G/NB/4G等無線通訊方式。 | 3路開關(guān)量輸出（選配K） 2路測溫（選配T） RS485（選配C） GPRS無線通訊（選配2G） NB-IOT無線通訊（選配NB） 4G無線傳輸（選配4G） 其中2G、NB、4G三選一 |
霍爾傳感器
| AHKC-BS | 3 | 測量單相回路電流 | 供電：DC±15V（允許波動±20%） |
7 案例分析
在廣州某區(qū)5G基站應(yīng)用，此站點共部署3個華為AAU，單項供電；電源輸入240V，8.9A，實時功耗在2.1KW。遠程控制設(shè)備采用帶4G全網(wǎng)通物聯(lián)網(wǎng)電表，220V輸入，額定電流60A，功耗13KW，采用電信4G網(wǎng)絡(luò)遠程控制，每分鐘上報一次。
安裝后測試，可以正常遠程開閉，實時遠程監(jiān)控用電情況。按每天關(guān)閉7小時（00:00-07:00），每月可節(jié)省14.17*30=425度電，相當于每月可節(jié)省510元電費（1.2元/度電）。
按照該地區(qū)共485個5G基站計算，則每月可節(jié)省485*510=24.735萬元。
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