“双碳”战略下的5G全生命周期网络节能研究

“双碳”即碳达峰和碳中和，目前“双碳”以及“数字中国”都已经写入国家发展战略。在此背景下，肩负两项重要使命的运营商面临着巨大挑战，但机遇与挑战并存。

 

5G网络作为新型基础设施建设的重要组成部分，不仅是运营商当前发展的主要任务，也是“数字中国”战略的重要载体。尽管5G建设如火如荼、日臻成熟，但5G设备的高能耗却成了运营商的主要痛点，5G设备的能耗达到4G设备的2~3倍，如此高的能耗不仅极大地增加了运营商的运营成本，也与实现“双碳”目标的国家战略相悖。因此，在发展5G业务的同时降低5G网络能耗，成为运营商的燃眉之急。

 

本文主要从5G网络规划、建设、运行、评估优化4个方面，探讨在发展5G业务的同时如何更好地打造一张绿色低碳、低能耗的5G网络，即研究如何用更低的能耗传输更多的数据。

 

5G网络规划需融入绿色低碳理念4G之前的站址规划流程是：以现网业务相关数据对新增站址进行预测，然后对备选站址的建设难易程度进行评估，最后确定站址，即按照业务驱动规划、落地的规划助力业务发展的模式滚动进行。这种模式的优点是以用户为中心，以业务发展为导向，缺点是这种不计成本的发展模式使运营商的自身利益被忽视。

 

进入5G时代，5G基站的功耗是4G的2~3倍，如果沿用4G的建网模式，运营商的运营成本特别是电费成本势必大幅增加，也与国家的“双碳”发展战略背道而驰。

 

因此，必需要将绿色低碳、低能耗的理念融入5G网络的规划中，具体执行时不仅要按照传统的模式输出站址，同时也要建立可以实现绿色低碳、低能耗的能源目标网站址库，该站址库不仅包括一般站址（如杆体、天面、机房、机柜站址），也要包含可建设绿色清洁能源（如风能、核能、水能、光能甚至氢能等）的储备站址。综合传统规划以及能源目标网输出的5G站址，才是绿色低碳的5G站址，如图1所示。

 

5G相比之前的网络具备提供更高速率的能力，在规划时将绿色低碳的能源目标网融入其中，可以在规划层面实现用更低的能耗传输更多数据的目标。

 

5G基站布放应配套建设绿色清洁能源目前在5G常用的建设模式中，无论是用于建设室外宏站的BBU+RRU+天线模式、BBU+AAU模式，还是用于室内建设的传统BBU+RRU+分布天线（泄漏电缆）、BBU+Rhub+PRRU新型数字化室分的模式，都可以归结为基带端（BBU）+射频端（AAU或者RRU）的建设模式。

 

基带端即BBU端，5G网络优先选择BBU集中的方式部署，BBU集中不仅减少了基站之间的信息交互时延，而且降低了基站机房的租赁成本，同时还是降低能耗的有效途径，尤其是针对机房制冷能力趋于饱和的站点进行BBU集中，这显得尤为重要。

 

BBU集中优先选择在机柜中集中部署，相比在机房进行BBU集中，机柜集中的方式不仅极大节省了运营商的租赁成本，也是实现更低能耗的有效途径。BBU集中于机柜可降能耗的原因在于——空调冷气近距离接触设备；而BBU集中于机房，空调首先对机房内的气体进行冷却，再通过降温后的气体对设备进行冷却，机房制冷效率不仅低，而且能耗也大。

 

BBU集中有两种方式，一种是以多站点多台BBU的方式集中，另一种是以多站点一台BBU的方式集中。多站一框的BBU集中方式，其集中程度可以达到一块基带板同时带动多个5G站点的效果，不仅使5G基站之间的数据交互时延更低，更有利于5G网络的进一步演进，而且5G网络BBU数量的压缩也带来了能耗的进一步降低。

 

5G的射频端通常采用AAU或者RRU+天线的方式，实现降低能耗要尽量避免长距离供电，因为通过线缆长距离传输会增加不必要的能耗。给射频端供电的单元要尽量靠近RRU/AAU端，优先选取将RRU和供电单元集成在一起的供电方式，同时采用刀片储能模块作为备电；次选刀片供电系统以及刀片储能模块为RRU/AAU供电。

 

充分利用绿色清洁能源建设5G基站能够大大降低能耗。在BBU端，可以根据站址所处自然环境，在风能资源较为充分的地方采用风力发电+机柜的方式集中部署BBU，采用风力发电+刀片电池的方式为AAU或者RRU供电；对于太阳能资源比较丰富的地方，宜采用太阳能发电+储能的方式为BBU或者AAU/RRU供电。

 

同时，还可以采用以绿色清洁能源为主的供电方式，在其无法提供足够能源动力的时候，储能电池单元要具备迅速供电的能力，以保障5G基站的正常运转。采用绿色清洁能源为5G网络供电，能够实现“零碳排放”。

 

5G网络运营节能方法优选运营中的5G网络主流的节能方法有符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠4种。

 

符号关断

 

符号在时域上是信息传输的基本单位，一直处于不间断工作状态，当符号上没有数据承载时，5G基站继续发送符号就会产生无效能耗。如果在没有发送数据的符号上启动符号关断功能，则可以实现降低能耗的目的。

 

另外，若符号上有数据发送，但是符号承载的数据量极少，针对这种情况可以先对符号进行聚合，即通过将该符号上的数据整合到有空余资源的符号上，使得有更多的符号处于空载状态，然后再开启符号关断功能，从而实现能耗的进一步降低。具体原理如图2和图3所示。

本文@内/容/来/自:中-国-碳^排-放-交易&*网-tan pai fang . com
通道关断

 

处于工作状态的射频通道，在空载或者业务量较低时可以关断，从而实现降低能耗的目的。这种方式的应用可能会降低设备的阵列增益以及赋型增益，进而对5G网络的质量产生一定的影响，特别是轻载下的用户，一旦启动通道关断，可能出现掉线的情况。因此，启用该功能节能时，网络一定要有可以承载迁移数据的载波或者通道，只有这样才不至于影响用户对5G网络的感知。

 

通道关闭的原理如图4所示。S1的部分通道关闭后由S2的载波或者通道承接原有业务，实际也可以是S1的其它载波或者其它通道承接原有业务。

 

载波关断

 

当5G基站至少存在两个载波时，如果某个载波承载的业务量较低（一般监控PRB利用率），则可以启动载波关断功能，适当关闭一个或者多个载波。载波关断会影响5G的覆盖效果，与通道关闭相似，载波关断有一个前提条件——当一个或者多个载波关断后，剩余载波能够接收原来载波承载的业务，只有这样才不会引起用户感知的下降。载波关断按照以下优先级启用：用于承载容量的高频载波其关闭的优先级最高，用于承载覆盖层的低频载波其关闭优先级最低，这样做的意义是为有效保证业务迁移后的连续性，同时不至于影响用户对5G网络的感知。载波关断的原理如图5所示。

 

深度休眠

 

深度休眠指的是RRU或者AAU的硬件资源除保留最基本的光接口通信模块、时钟恢复单元、部分电源和控制逻辑外，其它功能模块全部启用关闭模式。该方式虽节能效果最佳，但无法通过指令唤醒。特别是突发业务需求出现时，极易造成用户感知的下降。

 

运营中的5G网络开启节能模式的必要条件是触发节能门限（一般跟踪PRB利用率以及RRC连接数等KPI指标）以及定位节能的精准时间窗口，只有精确地预测出这两个参数，才可以实现在保证网络有效节能的同时，用户对5G网络的感知不会降低。这两个参数的精准确定一般用AI算法就可实现，在对5G现网运营的业务数据进行大数据分析的同时进行预测，进而决定何时、何地、选用什么样的方式，可以更有效地实现5G网络的节能降耗。

 

根据5G网络评估数据优化基站节能模式5G网络评估优化指的是在网络运营中，密切监控各个基站的运行情况，针对能耗长期处于高位且业务承载不足的设备，替换为适合自己的设备，例如对于64通道的AAU如果发现速率瓦特比长期处于低位，则考虑替换为32通道AAU或者更低通道的RRU+天线的模式，实现5G业务的承载。

 

另外，针对早期5G网络建设的BBU端，尽可能采用BBU集中的方式进行改造。如果为机房站点则优先改为机柜进行BBU集中，多台已经集中的BBU通过共用基带板实现更高程度的集中。同时，运营中的5G站点如果条件具备，可以进一步改造为采用绿色清洁能源为基站设备供电，使得能耗进一步降低，5G网络更接近绿色低碳运营。

 

“双碳”和“数字中国”战略给运营商带来了前所未有的机遇和挑战。规划、建设、运行、评估优化是基站设备全生命周期的4个重要环节，本文详尽分析了4个环节中减碳降耗的方法。未来，随着新技术、新工艺、新材料的逐步推广使用，硬件设备节能降耗的效果将愈加明显，这样既有利于运营商的可持续发展，也对国家重大战略的实现具有重要意义。