“雙碳”即碳達峰和
碳中和,目前“雙碳”以及“數字中國”都已經寫入國家發展戰略。在此背景下,肩負兩項重要使命的運營商面臨著巨大挑戰,但機遇與挑戰并存。
5G網絡作為新型基礎設施建設的重要組成部分,不僅是運營商當前發展的主要任務,也是“數字中國”戰略的重要載體。盡管5G建設如火如荼、日臻成熟,但5G設備的高能耗卻成了運營商的主要痛點,5G設備的能耗達到4G設備的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“雙碳”目標的國家戰略相悖。因此,在發展5G業務的同時降低5G網絡能耗,成為運營商的燃眉之急。
本文主要從5G網絡規劃、建設、運行、評估優化4個方面,探討在發展5G業務的同時如何更好地打造一張
綠色低碳、低能耗的5G網絡,即研究如何用更低的能耗傳輸更多的數據。
5G網絡規劃需融入綠色低碳理念4G之前的站址規劃流程是:以現網業務相關數據對新增站址進行預測,然后對備選站址的建設難易程度進行評估,最后確定站址,即按照業務驅動規劃、落地的規劃助力業務發展的模式滾動進行。這種模式的優點是以用戶為中心,以業務發展為導向,缺點是這種不計成本的發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”發展戰略背道而馳。
因此,必需要將綠色低碳、低能耗的理念融入5G網絡的規劃中,具體執行時不僅要按照傳統的模式輸出站址,同時也要建立可以實現綠色低碳、低能耗的能源目標網站址庫,該站址庫不僅包括一般站址(如桿體、天面、機房、機柜站址),也要包含可建設綠色
清潔能源(如風能、核能、水能、光能甚至氫能等)的儲備站址。綜合傳統規劃以及能源目標網輸出的5G站址,才是綠色低碳的5G站址,如圖1所示。
5G相比之前的網絡具備提供更高速率的能力,在規劃時將綠色低碳的能源目標網融入其中,可以在規劃層面實現用更低的能耗傳輸更多數據的目標。
5G基站布放應配套建設綠色清潔能源目前在5G常用的建設模式中,無論是用于建設室外宏站的BBU+RRU+天線模式、BBU+AAU模式,還是用于室內建設的傳統BBU+RRU+分布天線(泄漏電纜)、BBU+Rhub+PRRU新型數字化室分的模式,都可以歸結為基帶端(BBU)+射頻端(AAU或者RRU)的建設模式。
基帶端即BBU端,5G網絡優先選擇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省了運營商的租賃成本,也是實現更低能耗的有效途徑。BBU集中于機柜可降能耗的原因在于——空調冷氣近距離接觸設備;而BBU集中于機房,空調首先對機房內的氣體進行冷卻,再通過降溫后的氣體對設備進行冷卻,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基站之間的數據交互時延更低,更有利于5G網絡的進一步演進,而且5G網絡BBU數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5G基站能夠大大降低能耗。在BBU端,可以根據站址所處自然環境,在風能資源較為充分的地方采用風力發電+機柜的方式集中部署BBU,采用風力發電+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。采用綠色清潔能源為5G網絡供電,能夠實現“零
碳排放”。
5G網絡運營節能方法優選運營中的5G網絡主流的節能方法有符號關斷、通道關斷、載波關斷、深度休眠4種。
符號關斷
符號在時域上是信息傳輸的基本單位,一直處于不間斷工作狀態,當符號上沒有數據承載時,5G基站繼續發送符號就會產生無效能耗。如果在沒有發送數據的符號上啟動符號關斷功能,則可以實現降低能耗的目的。
另外,若符號上有數據發送,但是符號承載的數據量極少,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據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,然后再開啟符號關斷功能,從而實現能耗的進一步降低。具體原理如圖2和圖3所示。
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通道關斷
處于工作狀態的射頻通道,在空載或者業務量較低時可以關斷,從而實現降低能耗的目的。這種方式的應用可能會降低設備的陣列增益以及賦型增益,進而對5G網絡的質量產生一定的影響,特別是輕載下的用戶,一旦啟動通道關斷,可能出現掉線的情況。因此,啟用該功能節能時,網絡一定要有可以承載遷移數據的載波或者通道,只有這樣才不至于影響用戶對5G網絡的感知。
通道關閉的原理如圖4所示。S1的部分通道關閉后由S2的載波或者通道承接原有業務,實際也可以是S1的其它載波或者其它通道承接原有業務。
載波關斷
當5G基站至少存在兩個載波時,如果某個載波承載的業務量較低(一般監控PRB利用率),則可以啟動載波關斷功能,適當關閉一個或者多個載波。載波關斷會影響5G的覆蓋效果,與通道關閉相似,載波關斷有一個前提條件——當一個或者多個載波關斷后,剩余載波能夠接收原來載波承載的業務,只有這樣才不會引起用戶感知的下降。載波關斷按照以下優先級啟用:用于承載容量的高頻載波其關閉的優先級最高,用于承載覆蓋層的低頻載波其關閉優先級最低,這樣做的意義是為有效保證業務遷移后的連續性,同時不至于影響用戶對5G網絡的感知。載波關斷的原理如圖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、時鐘恢復單元、部分電源和控制邏輯外,其它功能模塊全部啟用關閉模式。該方式雖節能效果最佳,但無法通過指令喚醒。特別是突發業務需求出現時,極易造成用戶感知的下降。
運營中的5G網絡開啟節能模式的必要條件是觸發節能門限(一般跟蹤PRB利用率以及RRC連接數等KPI指標)以及定位節能的精準時間窗口,只有精確地預測出這兩個參數,才可以實現在保證網絡有效節能的同時,用戶對5G網絡的感知不會降低。這兩個參數的精準確定一般用AI算法就可實現,在對5G現網運營的業務數據進行大數據分析的同時進行預測,進而決定何時、何地、選用什么樣的方式,可以更有效地實現5G網絡的節能降耗。
根據5G網絡評估數據優化基站節能模式5G網絡評估優化指的是在網絡運營中,密切監控各個基站的運
行情況,針對能耗長期處于高位且業務承載不足的設備,替換為適合自己的設備,例如對于64通道的AAU如果發現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5G業務的承載。
另外,針對早期5G網絡建設的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先改為機柜進行BBU集中,多臺已經集中的BBU通過共用基帶板實現更高程度的集中。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備供電,使得能耗進一步降低,5G網絡更接近綠色低碳運營。
“雙碳”和“數字中國”戰略給運營商帶來了前所未有的機遇和挑戰。規劃、建設、運行、評估優化是基站設備全生命周期的4個重要環節,本文詳盡分析了4個環節中減碳降耗的方法。未來,隨著新技術、新工藝、新材料的逐步推廣使用,硬件設備節能降耗的效果將愈加明顯,這樣既有利于運營商的可持續發展,也對國家重大戰略的實現具有重要意義。
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