“雙碳”戰(zhàn)略下的5G全生命周期網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究

“雙碳”即碳達(dá)峰和碳中和，目前“雙碳”以及“數(shù)字中國”都已經(jīng)寫入國家發(fā)展戰(zhàn)略。在此背景下，肩負(fù)兩項(xiàng)重要使命的運(yùn)營商面臨著巨大挑戰(zhàn)，但機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

 

5G網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，不僅是運(yùn)營商當(dāng)前發(fā)展的主要任務(wù)，也是“數(shù)字中國”戰(zhàn)略的重要載體。盡管5G建設(shè)如火如荼、日臻成熟，但5G設(shè)備的高能耗卻成了運(yùn)營商的主要痛點(diǎn)，5G設(shè)備的能耗達(dá)到4G設(shè)備的2~3倍，如此高的能耗不僅極大地增加了運(yùn)營商的運(yùn)營成本，也與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的國家戰(zhàn)略相悖。因此，在發(fā)展5G業(yè)務(wù)的同時(shí)降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗，成為運(yùn)營商的燃眉之急。

 

本文主要從5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、評估優(yōu)化4個(gè)方面，探討在發(fā)展5G業(yè)務(wù)的同時(shí)如何更好地打造一張綠色低碳、低能耗的5G網(wǎng)絡(luò)，即研究如何用更低的能耗傳輸更多的數(shù)據(jù)。

 

5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)對新增站址進(jìn)行預(yù)測，然后對備選站址的建設(shè)難易程度進(jìn)行評估，最后確定站址，即按照業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)規(guī)劃、落地的規(guī)劃助力業(yè)務(wù)發(fā)展的模式滾動(dòng)進(jìn)行。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是以用戶為中心，以業(yè)務(wù)發(fā)展為導(dǎo)向，缺點(diǎn)是這種不計(jì)成本的發(fā)展模式使運(yùn)營商的自身利益被忽視。

 

進(jìn)入5G時(shí)代，5G基站的功耗是4G的2~3倍，如果沿用4G的建網(wǎng)模式，運(yùn)營商的運(yùn)營成本特別是電費(fèi)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(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃中，具體執(zhí)行時(shí)不僅要按照傳統(tǒng)的模式輸出站址，同時(shí)也要建立可以實(shí)現(xiàn)綠色低碳、低能耗的能源目標(biāo)網(wǎng)站址庫，該站址庫不僅包括一般站址（如桿體、天面、機(jī)房、機(jī)柜站址），也要包含可建設(shè)綠色清潔能源（如風(fēng)能、核能、水能、光能甚至氫能等）的儲(chǔ)備站址。綜合傳統(tǒng)規(guī)劃以及能源目標(biāo)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)具備提供更高速率的能力，在規(guī)劃時(shí)將綠色低碳的能源目標(biāo)網(wǎng)融入其中，可以在規(guī)劃層面實(shí)現(xiàn)用更低的能耗傳輸更多數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

 

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

 

基帶端即BBU端，5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)延，而且降低了基站機(jī)房的租賃成本，同時(shí)還是降低能耗的有效途徑，尤其是針對機(jī)房制冷能力趨于飽和的站點(diǎn)進(jìn)行BBU集中，這顯得尤為重要。

 

BBU集中優(yōu)先選擇在機(jī)柜中集中部署，相比在機(jī)房進(jìn)行BBU集中，機(jī)柜集中的方式不僅極大節(jié)省了運(yùn)營商的租賃成本，也是實(shí)現(xiàn)更低能耗的有效途徑。BBU集中于機(jī)柜可降能耗的原因在于——空調(diào)冷氣近距離接觸設(shè)備；而BBU集中于機(jī)房，空調(diào)首先對機(jī)房內(nèi)的氣體進(jìn)行冷卻，再通過降溫后的氣體對設(shè)備進(jìn)行冷卻，機(jī)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(diǎn)多臺(tái)BBU的方式集中，另一種是以多站點(diǎn)一臺(tái)BBU的方式集中。多站一框的BBU集中方式，其集中程度可以達(dá)到一塊基帶板同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)5G站點(diǎn)的效果，不僅使5G基站之間的數(shù)據(jù)交互時(shí)延更低，更有利于5G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步演進(jìn)，而且5G網(wǎng)絡(luò)BBU數(shù)量的壓縮也帶來了能耗的進(jìn)一步降低。

 

5G的射頻端通常采用AAU或者RRU+天線的方式，實(shí)現(xiàn)降低能耗要盡量避免長距離供電，因?yàn)橥ㄟ^線纜長距離傳輸會(huì)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(shí)采用刀片儲(chǔ)能模塊作為備電；次選刀片供電系統(tǒng)以及刀片儲(chǔ)能模塊為RRU/AAU供電。

 

充分利用綠色清潔能源建設(shè)5G基站能夠大大降低能耗。在BBU端，可以根據(jù)站址所處自然環(huán)境，在風(fēng)能資源較為充分的地方采用風(fēng)力發(fā)電+機(jī)柜的方式集中部署B(yǎng)BU，采用風(fēng)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(chǔ)能的方式為BBU或者AAU/RRU供電。

 

同時(shí)，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(dòng)力的時(shí)候，儲(chǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)。采用綠色清潔能源為5G網(wǎng)絡(luò)供電，能夠?qū)崿F(xiàn)“零碳排放”。

 

5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營節(jié)能方法優(yōu)選運(yùn)營中的5G網(wǎng)絡(luò)主流的節(jié)能方法有符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠4種。

 

符號關(guān)斷

 

符號在時(shí)域上是信息傳輸?shù)幕締挝?，一直處于不間斷工作狀態(tài)，當(dāng)符號上沒有數(shù)據(jù)承載時(shí)，5G基站繼續(xù)發(fā)送符號就會(huì)產(chǎn)生無效能耗。如果在沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的符號上啟動(dòng)符號關(guān)斷功能，則可以實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

 

另外，若符號上有數(shù)據(jù)發(fā)送，但是符號承載的數(shù)據(jù)量極少，針對這種情況可以先對符號進(jìn)行聚合，即通過將該符號上的數(shù)據(jù)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(guān)斷功能，從而實(shí)現(xiàn)能耗的進(jìn)一步降低。具體原理如圖2和圖3所示。

本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
通道關(guān)斷

 

處于工作狀態(tài)的射頻通道，在空載或者業(yè)務(wù)量較低時(shí)可以關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。這種方式的應(yīng)用可能會(huì)降低設(shè)備的陣列增益以及賦型增益，進(jìn)而對5G網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，特別是輕載下的用戶，一旦啟動(dòng)通道關(guān)斷，可能出現(xiàn)掉線的情況。因此，啟用該功能節(jié)能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)一定要有可以承載遷移數(shù)據(jù)的載波或者通道，只有這樣才不至于影響用戶對5G網(wǎng)絡(luò)的感知。

 

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

 

載波關(guān)斷

 

當(dāng)5G基站至少存在兩個(gè)載波時(shí)，如果某個(gè)載波承載的業(yè)務(wù)量較低（一般監(jiān)控PRB利用率），則可以啟動(dòng)載波關(guān)斷功能，適當(dāng)關(guān)閉一個(gè)或者多個(gè)載波。載波關(guān)斷會(huì)影響5G的覆蓋效果，與通道關(guān)閉相似，載波關(guān)斷有一個(gè)前提條件——當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)載波關(guān)斷后，剩余載波能夠接收原來載波承載的業(yè)務(wù)，只有這樣才不會(huì)引起用戶感知的下降。載波關(guān)斷按照以下優(yōu)先級啟用：用于承載容量的高頻載波其關(guān)閉的優(yōu)先級最高，用于承載覆蓋層的低頻載波其關(guān)閉優(yōu)先級最低，這樣做的意義是為有效保證業(yè)務(wù)遷移后的連續(xù)性，同時(shí)不至于影響用戶對5G網(wǎng)絡(luò)的感知。載波關(guān)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(shí)鐘恢復(fù)單元、部分電源和控制邏輯外，其它功能模塊全部啟用關(guān)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(wù)需求出現(xiàn)時(shí)，極易造成用戶感知的下降。

 

運(yùn)營中的5G網(wǎng)絡(luò)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(shù)等KPI指標(biāo)）以及定位節(jié)能的精準(zhǔn)時(shí)間窗口，只有精確地預(yù)測出這兩個(gè)參數(shù)，才可以實(shí)現(xiàn)在保證網(wǎng)絡(luò)有效節(jié)能的同時(shí)，用戶對5G網(wǎng)絡(luò)的感知不會(huì)降低。這兩個(gè)參數(shù)的精準(zhǔn)確定一般用AI算法就可實(shí)現(xiàn)，在對5G現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)營的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的同時(shí)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而決定何時(shí)、何地、選用什么樣的方式，可以更有效地實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降耗。

 

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)評估數(shù)據(jù)優(yōu)化基站節(jié)能模式5G網(wǎng)絡(luò)評估優(yōu)化指的是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中，密切監(jiān)控各個(gè)基站的運(yùn)行情況，針對能耗長期處于高位且業(yè)務(wù)承載不足的設(shè)備，替換為適合自己的設(shè)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(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的承載。

 

另外，針對早期5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的BBU端，盡可能采用BBU集中的方式進(jìn)行改造。如果為機(jī)房站點(diǎn)則優(yōu)先改為機(jī)柜進(jìn)行BBU集中，多臺(tái)已經(jīng)集中的BBU通過共用基帶板實(shí)現(xiàn)更高程度的集中。同時(shí)，運(yùn)營中的5G站點(diǎn)如果條件具備，可以進(jìn)一步改造為采用綠色清潔能源為基站設(shè)備供電，使得能耗進(jìn)一步降低，5G網(wǎng)絡(luò)更接近綠色低碳運(yùn)營。

 

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