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

文章來(lái)源:通信世界網(wǎng)碳交易網(wǎng)2022-06-08 09:13

“雙碳”即碳達(dá)峰和碳中和,目前“雙碳”以及“數(shù)字中國(guó)”都已經(jīng)寫(xiě)入國(guó)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(yíng)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(yíng)商當(dāng)前發(fā)展的主要任務(wù),也是“數(shù)字中國(guó)”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(yíng)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(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本,也與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的國(guó)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(yíng)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(píng)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(duì)新增站址進(jìn)行預(yù)測(cè),然后對(duì)備選站址的建設(shè)難易程度進(jìn)行評(píng)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(hù)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(yíng)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(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本特別是電費(fèi)成本勢(shì)必大幅增加,也與國(guó)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(kù),該站址庫(kù)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(wú)論是用于建設(shè)室外宏站的BBU+RRU+天線(xiàn)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(xiàn)(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(duì)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(yíng)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B(niǎo)BU集中于機(jī)房,空調(diào)首先對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的氣體進(jìn)行冷卻,再通過(guò)降溫后的氣體對(duì)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(lái)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(xiàn)的方式,實(shí)現(xiàn)降低能耗要盡量避免長(zhǎng)距離供電,因?yàn)橥ㄟ^(guò)線(xiàn)纜長(zhǎng)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(duì)于太陽(yáng)能資源比較豐富的地方,宜采用太陽(yáng)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(wú)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(yíng)節(jié)能方法優(yōu)選運(yùn)營(yíng)中的5G網(wǎng)絡(luò)主流的節(jié)能方法有符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠4種。
 
符號(hào)關(guān)斷
 
符號(hào)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(hào)上沒(méi)有數(shù)據(jù)承載時(shí),5G基站繼續(xù)發(fā)送符號(hào)就會(huì)產(chǎn)生無(wú)效能耗。如果在沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)的符號(hào)上啟動(dòng)符號(hào)關(guān)斷功能,則可以實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。
 
另外,若符號(hào)上有數(shù)據(jù)發(fā)送,但是符號(hào)承載的數(shù)據(jù)量極少,針對(duì)這種情況可以先對(duì)符號(hào)進(jìn)行聚合,即通過(guò)將該符號(hào)上的數(shù)據(jù)整合到有空余資源的符號(hào)上,使得有更多的符號(hào)處于空載狀態(tài),然后再開(kāi)啟符號(hào)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(lái)/自:中-國(guó)-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(duì)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(hù),一旦啟動(dòng)通道關(guān)斷,可能出現(xiàn)掉線(xiàn)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(hù)對(duì)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(lái)載波承載的業(yè)務(wù),只有這樣才不會(huì)引起用戶(hù)感知的下降。載波關(guān)斷按照以下優(yōu)先級(jí)啟用:用于承載容量的高頻載波其關(guān)閉的優(yōu)先級(jí)最高,用于承載覆蓋層的低頻載波其關(guān)閉優(yōu)先級(jí)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(hù)對(duì)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(wú)法通過(guò)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(hù)感知的下降。
 
運(yùn)營(yíng)中的5G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟節(jié)能模式的必要條件是觸發(fā)節(jié)能門(mén)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(cè)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(hù)對(duì)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(duì)5G現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(cè),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(píng)估數(shù)據(jù)優(yōu)化基站節(jié)能模式5G網(wǎng)絡(luò)評(píng)估優(yōu)化指的是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中,密切監(jiān)控各個(gè)基站的運(yùn)行情況,針對(duì)能耗長(zhǎng)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(duì)于64通道的AAU如果發(fā)現(xiàn)速率瓦特比長(zhǎng)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(xiàn)的模式,實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的承載。
 
另外,針對(duì)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(guò)共用基帶板實(shí)現(xiàn)更高程度的集中。同時(shí),運(yùn)營(yíng)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(yíng)。
 
“雙碳”和“數(shù)字中國(guó)”戰(zhàn)略給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、評(píng)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(lái),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(yíng)商的可持續(xù)發(fā)展,也對(duì)國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
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