“雙碳”即碳達峰和
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(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營商的主要痛點,5G設(shè)備的能耗達到4G設(shè)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(biāo)的國家戰(zhàn)略相悖。因此,在發(fā)展5G業(yè)務(wù)的同時降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗,成為運營商的燃眉之急。
本文主要從5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、運行、評估優(yōu)化4個方面,探討在發(fā)展5G業(yè)務(wù)的同時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)對新增站址進行預(yù)測,然后對備選站址的建設(shè)難易程度進行評估,最后確定站址,即按照業(yè)務(wù)驅(qū)動規(guī)劃、落地的規(guī)劃助力業(yè)務(wù)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(wù)發(fā)展為導(dǎo)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(biāo)網(wǎng)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(shè)綠色
清潔能源(如風(fēng)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(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(diào)冷氣近距離接觸設(shè)備;而BBU集中于機房,空調(diào)首先對機房內(nèi)的氣體進行冷卻,再通過降溫后的氣體對設(shè)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(shù)據(jù)交互時延更低,更有利于5G網(wǎng)絡(luò)的進一步演進,而且5G網(wǎng)絡(luò)BBU數(shù)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(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(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)運營節(jié)能方法優(yōu)選運營中的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,5G基站繼續(xù)發(fā)送符號就會產(chǎn)生無效能耗。如果在沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的符號上啟動符號關(guān)斷功能,則可以實現(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(guān)斷
處于工作狀態(tài)的射頻通道,在空載或者業(yè)務(wù)量較低時可以關(guān)斷,從而實現(xiàn)降低能耗的目的。這種方式的應(yīng)用可能會降低設(shè)備的陣列增益以及賦型增益,進而對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,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基站至少存在兩個載波時,如果某個載波承載的業(yè)務(wù)量較低(一般監(jiān)控PRB利用率),則可以啟動載波關(guān)斷功能,適當(dāng)關(guān)閉一個或者多個載波。載波關(guān)斷會影響5G的覆蓋效果,與通道關(guān)閉相似,載波關(guān)斷有一個前提條件——當(dāng)一個或者多個載波關(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,極易造成用戶感知的下降。
運營中的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)時間窗口,只有精確地預(yù)測出這兩個參數(shù),才可以實現(xiàn)在保證網(wǎng)絡(luò)有效節(jié)能的同時,用戶對5G網(wǎng)絡(luò)的感知不會降低。這兩個參數(shù)的精準(zhǔn)確定一般用AI算法就可實現(xiàn),在對5G現(xiàn)網(wǎng)運營的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析的同時進行預(yù)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(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(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(jīng)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(shè)備供電,使得能耗進一步降低,5G網(wǎng)絡(luò)更接近綠色低碳運營。
“雙碳”和“數(shù)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(shè)、運行、評估優(yōu)化是基站設(shè)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(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。
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