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5G基站差异化能源管理研究第22卷第2期2023年6月Vol.22 No.2Jun.2023湖南邮电职业技术学院学报Journal of Hunan Post andTelecommunication College5G基站差异化能源管理研究李兵*（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 410126）【摘要】5G基站设备高功耗及不同网络设备用电、备电差异化的特点，给通信基站建设、运营及能源管理带来了巨大挑战。在阐述通信基站供电系统总体架构的基础上，详细分析了5G基站差异化用电、差异化备电和基站节能等差异化能源管理方案，总结了各方案的优势与不足，并对5G基站差异化能源管理应用进行展望。【关键词】5G基站；差异化用电；差异化备电；基站节能；能源管理【doi:10.3969/j.issn.2095-7661.2023.02.009】【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】2095-7661（2023）02-0035-03Research on Differentiated Energy Management of 5G Base StationLI Bing（Hunan Planning&Design Institute of Posts&Telecommunications Co.,Ltd.,Changsha,Hunan,China 410126）Abstract:The high power consumption of 5G base station equipment and the differentiation of power utilization and backuppower for different network devices have brought huge challenges to the construction,operation,and energy management ofcommunication base station.On the basis of elaborating on the overall architecture of the communication base station power supplysystem,a detailed analysis was conducted on differentiated energy management schemes such as 5G base station differentiated powerconsumption,differentiated backup power,and base station energy conservation.The advantages and disadvantages of each schemewere summarized,and the application of 5G base station differentiated energy management was prospected.Keywords:5G base station;differentiated power consumption;differentiated backup power;base station energy conservation;energy management4G网络建设和覆盖持续完善，5G网络建设规模不断扩大，通信行业的能源使用管理面临挑战。一方面5G基站AAU等设备的高功耗成为5G建设和运营的巨大障碍，要对大量现有基站电源系统进行改造，网络运营成本也随着设备耗电量的增加而大幅度提升1。另一方面，运营商对5G网络设备备电与3G/4G网络设备备电时间要求不同，差异化网络建设需要进行差异化备电，低成本的差异化备电需求给现网基站电源系统改造带来一定挑战。与此同时，为响应国家“双碳”战略，建设资源节约型社会，应对不可再生能源枯竭和气候变化等挑战，节能降耗已成为通信行业发展的大趋势。针对近年来5G网络建设和运营过程中所面临的困难以及发展新趋势，5G基站能源管理可通过一种基于差异化用电、差异化备电和基站节能等多手段相结合的差异化能源管理方式，有效降低5G基站建设和运营成本，提升建设投资效益。1 5G基站供电系统总体架构通信基站供电系统由交流供电系统和直流供电系统组成，如图1所示，交流供电系统由市电引入、油机发电机、UPS和交流配电箱等部分组成，交流供电系统可以有3种交流电源，分别为市电、油机发电机自备交流电和 UPS后备交流电。直流供电系统由-48 V开关电源（含交流配电单元、监控模块、整流模块、直流配电单元）和蓄电池组成。收稿日期 2023-03-25作者简介 李兵（1989），男，湖南邵阳人，工程师，硕士，研究方向：无线通信。35湖南邮电职业技术学院学报第22卷图1通信基站供电系统示意图2 5G基站差异化能源管理方案与传统的单一化基站能源管理方案相比，综合利用差异化用电、差异化备电和基站节能等技术手段的差异化能源管理方案，在为5G基站提供能源保障的同时，可有效降低建设和运营成本。2.1 差异化用电通信基站市电容量由通信设备、蓄电池充电和空调共同决定，是三者最大负荷值之和。其中通信设备负载随业务量的波动呈周期性变化；蓄电池常规时间段充电负荷具有随机性，基站停电时段不充电，在恢复供电时段产生较稳定充电电流；空调负荷与气温强相关。基于设备、蓄电池、空调三类负载的变化规律，通过错峰充电、限流充电、储能电池削峰等差异化用电方式，可降低通信基站外市电容量需求2。2.1.1 蓄电池错峰充电在设备负载高峰时，优先保障设备供电，进行电池错峰充电，降低蓄电池充电电流，以降低市电容量需求。由于蓄电池错峰充电，蓄电池充电时间有所增加，对蓄电池备电可靠性有轻微影响。2.1.2 蓄电池错峰+限流充电在蓄电电池错峰充电的基础上，再降低电池充电电流，从而进一步降低市电容量需求。由于电池充电电流进一步减小，电池充电时间有较大幅度增加，对电池备电可靠性影响较大。2.1.3 蓄电池与空调错峰+储能电池高放低吸一方面利用空调工作间隙进行蓄电池充电，不需考虑蓄电池充电功率，以降低市电容量需求。另一方面在设备负载高峰时利用储能电池放电，在负载低谷时充电，减少通信设备负载波动，从而降低市电容量需求。此方式蓄电池充电时间由空调工作时间决定。2.1.4 储能电池高放低吸在通信负荷高峰并进行蓄电池充电时，储能电池放电，在其他时间段，储能电池充电，从而降低市电容量需求。储能电池只在蓄电池充电且设备负载高峰时开启，且大多数基站停电次数有限，因此此方式效益有限。几种差异化用电方式优劣情况如表1所示。表1差异化用电方式对比表用电方式蓄电池错峰充电蓄电池错峰+限流充电蓄电池与空调错峰+储能电池高放低吸储能电池高放低吸市电容量降低效果一般良好较好一般适用基站适用于停电次数较少的基站适用于停电次数较少的基站适用于停电次数较少，空调工作时间不长的基站适用于频繁停电的基站局限性电池充电时长略有增加，对电池可靠性有轻微影响电池充电时长较大幅度增加，对电池可靠性影响较大蓄电池充电时间由空调工作时间决定基站停电次数有限，投资效益低2.2 差异化备电2.2.1 独立备电独立备电即在现有基站基础上为5G系统独立新建一套开关电源系统，按需配置蓄电池容量，实现5G与现网3G/4G设备分开供电、备电。该方案对现网设备影响小，不存在系统割接等工作，但对机房安装空间有一定要求，需满足新增开关电源及蓄电池的安装空间的要求，且投资较大。2.2.2 差异化备电差异化备电通过新增智能开关电源，或对配电单元、空气开关等进行智能化升级改造，实现多运营商分级下电以及备电时长按不同用户需求进行独立设置3。1）智能开关电源。智能开关电源是一种新型一体化直流电源系统，具备分路负载精确计量、差异化用电与备电控制、错峰用电管理等功能，可实现多运营商差异化备电控制、多运营商用电量精准计量以及错峰用电控制管理等。适用于现网开关电源容量有限，不满足后期建设需求的场景。2）智能配电单元。智能配电单元是一种可远程和智能控制的切换、分配电能的设备，具备通断控制、精确电量计量等功能。通过通断控制功能，实现通信负载控制和差异化备电控制，不同用户可按需独立设置备电时长；通过精确电量计量功能，实现多家运营商用电量精准计量。适用于现网开关电源容量可满足后期需求，但不具备多级下电及分路计量等功能的场景。36第2期5G基站差异化能源管理研究3）智能空开。智能空开是一种新型电子式、可远程控制的空气开关，具备多运营商分级下电、远程开闭控制、精准分路计量等功能。针对不同备电需求，通过分级下电功能，实现不同运营商按需独立设置备电时长；通过空开远程开闭，实现不同运营商设备精准供电；通过精准分路计量，实现不同运营商用电数据精准计量。也适用于现网开关电源容量可满足后期需求，但不具备多级下电及分路计量等功能的场景。2.3 基站节能基站节能是指通过优化基站的硬件、软件、网络等方面的设计和运行，以降低基站能耗，提高基站能效，主要包括基站硬件设计优化、基站软件优化和基站智能控制等4-6。2.3.1 基站硬件设计优化5G基站硬件功耗是5G基站关键指标之一。基站硬件设计优化主要通过采用高效节能的硬件设备和组件，如节能型功放器、高效能的天线、低功耗的处理器等，来降低基站的能耗，但由于硬件生产工艺、制造成本等因素的制约，通过基站硬件设计优化的方法来实现基站节能的效果有限，存在较大的提升空间。2.3.2 基站软件优化基站软件优化是根据网络负荷情况，通过优化基站的软件算法、协议栈、调度策略等，减少基站的无效通信、降低基站的功耗。软件优化手段主要包括：1）功率控制算法优化。根据网络负载和信号质量等因素，通过动态功率调整、自适应功率控制、负载均衡功率控制等技术，动态调整基站射频发射功率，避免不必要的能耗。2）基站AI节能技术。利用机器学习、人工智能等技术，构建基站节能训练预测模型，利用海量历史数据对模型不断训练和修正，进而根据基站业务实际进行负载智能预测、节能场景识别、节能策略推荐等，从而实现智能化基站节能的效果。2.3.3 基站控制优化1）关断技术。符号关断：在网络负载较低时，通过关闭物理控制信道、同步信号、物理广播信道等信道上部分符号的射频发射功率来实现降低功耗的目的。适用于对时延要求不高的场景。通道关断：5G采用大规模阵列（Massive MIMO）技术，可通过在业务空闲时关闭部分射频通道的方式来降低基站功耗，可根据上下行资源块（RB）利用率进行通道开断，适用于夜间低负荷场景。载波关断：在网络较闲时、网络负载较低的情况下通过关闭载波的方式来降低天线发射功率，从而实现基站节能降耗的效果，适用于多载波场景。2）设备休眠。设备休眠是在业务空闲时，让部分基站设备进入深度休眠模式，相关器件直接关闭或部分功能关闭，从而降低基站功耗，实现基站设备节能。适用于利用分布式皮基站建设的商场、校园、地铁等室内潮汐场景。2.3.4 配套系统优化1）空调系统优化。采用高效制冷、温控控制、风量控制、协同控制、智能控制等技术，实现空调自动精准调整，减少空调的能耗。2）监控系统优化。优化监控系统数据采集，优化监控系统的告警机制，优化远程控制等技术，实时监测基站的运行状态和能耗情况，及时发现问题并采取远程控制等措施，避免不必要的能耗。3 结语因5G基站设备功耗大幅度提升以及多运营商差异化用电、备电需求，通信基站建设、运营以及能源使用管理面临困难。5G基站能源管理应综合考虑现网开关电源配置、蓄电池配置、用户需求和机房可安装位置空间等多方面因素，结合应用场景和基站现场实际情况，通过差异化用电、差异化备电和基站节能等相结合的差异化能源管理方式来降低通信网络建设和运营成本，提升网络建设和运营经济效益，推进通信基础设施节能减碳，践行绿色低碳发展新理念。5G基站差异化能源管理是降低通信网络建设和运营成本的有效方式，但受技术、成本等因素的制约