江蘇安科瑞電器制造有限公司   江蘇無(wú)錫   214405

摘要：提出一種5G基站智能節能方案，用于降低5G基站設備能耗、節省5G網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)成本、實(shí)現移動(dòng)通信行業(yè)節能減排。所提方案是基于人工智能技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò )層面統一配置4G/5G基站節能策略，根據網(wǎng)絡(luò )選定區域內小區的歷史業(yè)務(wù)數據，構建基站業(yè)務(wù)負荷預測模型，并生成的網(wǎng)絡(luò )節能策略，根據網(wǎng)絡(luò )節能策略分別執行各基站的節能任務(wù)。在節能任務(wù)執行后，基站智能節能方案將根據區域內反饋的節能效果、網(wǎng)絡(luò )KPI指標變化、用戶(hù)感知質(zhì)量變化等數據，進(jìn)一步優(yōu)化節能參數，提高網(wǎng)絡(luò )節能效果。所提方案可對基站業(yè)務(wù)量進(jìn)行準確預測及天候實(shí)時(shí)監控，并自動(dòng)生成節能策略，實(shí)現基于多制式網(wǎng)絡(luò )智能協(xié)同的網(wǎng)絡(luò )區域級智能節能，使節能策略能夠適應網(wǎng)絡(luò )負荷變化。

 

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信基站; 霍爾傳感器; 電力儀表;節能方案;

 

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )建設規模逐年增加，通信設備對能源的需求與日俱增，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的能耗在運營(yíng)商的運營(yíng)成本(OPEX,Operating Expense)占比已高于15%。經(jīng)過(guò)5G試商用網(wǎng)絡(luò )的測試驗證，5G單站功耗是4G單站功耗的3～4倍，運營(yíng)商面臨基站設備能耗大幅增加OPEX費用的運營(yíng)壓力。當通信行業(yè)邁入5G時(shí)代，通信設備的智能節能對降低5G網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)成本，實(shí)現通信行業(yè)節能減排目標具有重要意義。

　　傳統的基站設備節能方案依賴(lài)于主設備廠(chǎng)家在硬件、軟件等產(chǎn)品設計和持續優(yōu)化能力。硬件方案，新設備可以通過(guò)使用新工藝、新材料、新設計等創(chuàng )新技術(shù)方案，實(shí)現降低設備硬件的基本能耗。軟件節能方案，通過(guò)智能符號關(guān)斷、休眠、通道關(guān)斷等軟件功能，在某些場(chǎng)景下實(shí)現降低基站能耗。硬件方案受限于器件、工藝的發(fā)展情況。軟件方案已支持單站的節能策略的配置，更需要綜合考慮節能策略。

　　隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )智能化、云化架構的發(fā)展趨勢，結合大數據技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)方案，5G網(wǎng)絡(luò )智能能耗管理可以實(shí)現節能策略智能化選擇、參數配置自動(dòng)化、效果評估化，從而達到運行效率綜合節能效率的“雙優(yōu)目標"。

 

　　為了滿(mǎn)足5G豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的要求，3GPP R15規范定義了NR新空口標準，對5G基站設備的硬件能力、軟件功能等都提出更高要求。例如，5G基站需要支持更大帶寬，在Sub 6 GHz頻段支持100 MHz帶寬，毫米波頻段支持400 MHz至800 MHz帶寬，大帶寬對軟件、硬件處理能力要求更高，5G基站的功耗需求也更大。

　　5G有源天線(xiàn)處理單元(AAU,Active Antenna Unit)與傳統的4G射頻拉遠單元(RRU,Radio Remote Unit)設備有很大差別，例如AAU內部集成了天線(xiàn)陣列、支持高達64個(gè)射頻通道以及部分基帶功能等，這些使得AAU內部在功放模塊、數字基帶、收發(fā)機等器件的功耗數值和功耗占比都有較大幅度增加。此外，AAU的功耗還要考慮時(shí)鐘模塊、電源模塊、濾波器等其它模塊增加的熱耗。根據5G基站功耗的測試數據分析，基站設備中AAU設備(64T64R AAU)在5G基站設備總能耗占比約90%，提高AAU的能效水平可降低單站總能耗。

　　基站設備功耗包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，如圖1所示。目前，5G基站設備基礎功耗平均占比58%，動(dòng)態(tài)功耗平均占比42%?；镜撵o態(tài)功耗與基站設備硬件有關(guān)，可以通過(guò)硬件平臺升級來(lái)降低設備的基礎功耗?；净A功耗的降低手段包括基帶資源共享、器件動(dòng)態(tài)關(guān)斷、AAU設備快速喚醒等硬件節能方案，主要依靠主設備廠(chǎng)家不斷演進(jìn)硬件工藝、提高集成度來(lái)完成。動(dòng)態(tài)功耗(主要是AAU設備功耗)隨業(yè)務(wù)負荷波動(dòng)，功耗變化與AAU設備業(yè)務(wù)負荷(業(yè)務(wù)量)變化相關(guān)，通過(guò)軟件功能優(yōu)化可提高動(dòng)態(tài)能耗的利用率。軟件功能節能方式包括符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區休眠、電源管理等。本文主要從軟件節能方案角度出發(fā)，通過(guò)AI算法預測忙閑時(shí)段的業(yè)務(wù)量，智能化設定不同基站的節電時(shí)間、節電方式，控制空閑基站的耗電量。

 

　　傳統的軟件節能方案主要依賴(lài)于話(huà)務(wù)統計經(jīng)驗，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)、跨網(wǎng)絡(luò )、靈活智能的節能管理天候跨網(wǎng)絡(luò )智能化節能，管理效率與節能小區數量成反比，管理難度高、節能效果欠佳。隨著(zhù)計算機硬件性能大幅提升及AI技術(shù)的日益成熟，智能節能技術(shù)將解決節能方案的實(shí)現瓶頸，可通過(guò)在網(wǎng)管系統增加AI模塊用于智能節能控制，實(shí)現4G/5G多制式網(wǎng)絡(luò )智能協(xié)同，支持網(wǎng)絡(luò )區域級、單基站、單扇區不同顆粒度的智能節能，并且達到實(shí)時(shí)、靈活的基站能耗管理目標。

　　基站智能節能方案主要通過(guò)自動(dòng)采集4G/5G基站的業(yè)務(wù)量、性能數據、工參數據、運行指標、告警數據、B域數據等，按場(chǎng)景、區域、基站性質(zhì)對基站進(jìn)行分級管理，利用AI算法對歷史業(yè)務(wù)量數據進(jìn)行建模，通過(guò)業(yè)務(wù)量模型對基站進(jìn)行業(yè)務(wù)預測，根據業(yè)務(wù)預測結果為基站制定差異化的節能策略，自動(dòng)生成節能任務(wù)通過(guò)指令下發(fā)基站，在業(yè)務(wù)空閑時(shí)實(shí)施符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區休眠、電源關(guān)斷等操作，在業(yè)務(wù)高峰時(shí)則自動(dòng)將節能模式切換為正常模式，從而達到天候、跨廠(chǎng)家、多網(wǎng)協(xié)同的系統級節能效果。

　　2.1 數據采集與分析

　　數據采集需要按照基站業(yè)務(wù)過(guò)程、信令交換原則等，通過(guò)對接不同的數據來(lái)源庫，以一定粒度獲取需要的數據源，包括PM、MR、工參、基站配置等數據。然后，對獲取的數據進(jìn)行提取解析、關(guān)聯(lián)匯聚，將原始數據存儲到節能方案所需的數據庫表格中。另外，需要對數據的規模進(jìn)行探索分析，對不同規模的數據采取不同的存儲方式和處理工具。為了方便后續為基站節能提供支撐服務(wù)，需要通過(guò)各種技術(shù)手段對數據進(jìn)行組織或分析，包括缺失數值的處理、數據編碼、數據標準化、數據降維等。

圖1 基站功耗分析示意圖

　　數據采集和分析的過(guò)程中需要建立數據質(zhì)量評估和監控體系。在數據采集之后，需對數據質(zhì)量進(jìn)行評估，確定數據的可用性，以免因數據質(zhì)量問(wèn)題影響后續節能策略的分析。在數據處理的過(guò)程中需要監控數據處理的步驟、時(shí)間等，避免因數據處理過(guò)程的中斷或錯誤導致后續節能分析的錯誤。

 

　　基站智慧用電云平臺通過(guò)對5G宏站和室分站點(diǎn)加裝交/直流智能監控設備、無(wú)線(xiàn)采集設備以及系統管理平臺，完成夜間無(wú)業(yè)務(wù)時(shí)段的下電操作，減少電能消耗，降低運營(yíng)成本支出，以及提升通信設備供電線(xiàn)路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測保護功能；系統后臺對存儲的供電線(xiàn)路歷史電氣性能數據進(jìn)行梳理、匯總、分析，找出故障原因，給出解決建議對策，減少后續同類(lèi)故障的發(fā)生率，提升供電線(xiàn)路運維管控能力。

 

平臺架構圖

　　Acrel Cloud-6000 5G基站電氣監控云平臺軟件人機界面友好，擁有數據匯總、系統體檢、分析報告、能耗統計、能耗報表等功能。

 

　　顯示基站的設備詳情和設備在線(xiàn)失聯(lián)狀態(tài)；

　　顯示具體設備的實(shí)時(shí)監測數據和歷史曲線(xiàn)供查詢(xún)；

　　提供分合閘功能供用戶(hù)對儀表進(jìn)行操作；

　　提供參數設置功能，用戶(hù)能對儀表內置的報警值和保護開(kāi)關(guān)等進(jìn)行操作。

 

　　對不同的基站設置不同的分合閘策略，下發(fā)周期可以按照年~月~周~日來(lái)進(jìn)行選擇，提供下發(fā)命令的日志供用戶(hù)進(jìn)行查詢(xún)。

　　對設備可以設置對應的進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)關(guān)系，來(lái)對每一個(gè)基站的使用功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，可以分析基站的使用負載。從而可以分析不同區域的基站使用情況。

　　對各個(gè)基站的溫度進(jìn)行設置，當溫度高于范圍內，會(huì )開(kāi)啟空調，其實(shí)時(shí)間會(huì )關(guān)閉空調。

 

 

　　DTSD1352 - xSyD系列導軌式多回路電力儀表主要用于多個(gè)三相回路的全電參量測量可同時(shí)接入x個(gè)三相回路、y個(gè)單相回路的電流輸入?？芍苯踊蜷g接測量電壓電流、功率、功率因數、相角、不平衡度、諧波等參數。

　　具體功能如下：

　　●x路三相和y路單相回路全電參量測量，電流互感器外置；

　　●監測各相電壓/電流、零序電流、頻率；

　　●監測各相功率、總功率（有功、無(wú)功、視在）；

　　●監測各相功率因數、總功率因數；

　　●監測電壓/電流相角、電壓/電流不平衡度；

　　●監測電壓、電流總諧波及2-31分次諧波；

　　●當月和上月的電壓、電流、功率極值記錄；

　　●電流、功率需量和實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)功率需量；

　　●200條事件記錄，記錄DIDO的動(dòng)作情況；

　　●支持過(guò)壓、過(guò)流、斷相、DI聯(lián)動(dòng)等報警輸出；

　　●4時(shí)區14時(shí)段的費率設置；

　　●四象限電能，12個(gè)月復費率電能統計；

　　●31天四象限和復費率電能凍結，正反向電能計量；

　　●兩路無(wú)源開(kāi)關(guān)量輸入、兩路開(kāi)關(guān)量輸出、RS485通訊；兩路有源開(kāi)關(guān)量輸入，用于識別油機和市電接入。

 

 

 

　　AMC16-DETT 基站直流電能計量模塊主要是針對有共享需求，且開(kāi)關(guān)電源無(wú)分用戶(hù)電量計量功能的基站而

　　設計的。儀表可進(jìn)行六個(gè)回路的直流電的計量，自帶電源給霍爾傳感器供電，同時(shí)可通過(guò)上位機軟件實(shí)現零漂校準，具有遙測、遙信、遙調、實(shí)時(shí)電量計量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。直流電能計量模塊可計量三家運營(yíng)商的直流用電量，提供基站節能詳細的數據依據，為直流配電設備提供可靠的分項計量解決方案。

　　模塊具有工業(yè)標準的RS485通訊接口,采用 YD/T1363.3-2014協(xié)議，符合中國鐵塔有限公司 Q/ZTT2205-2017《基站直流電能計量模塊技術(shù)要求》相關(guān)技術(shù)要求。

　　●監測設備系統時(shí)間、總電壓、輸出總電流、總功率、總電能、各分路電壓、各分路電流、各分路功率、各分路電能；LED指示燈顯示；RS485通訊

　　●計量：起動(dòng)電流：額定電壓下，計量模塊的負載電流值在不超過(guò)電流1%時(shí)，模塊啟動(dòng)潛動(dòng)電流：當計量模塊的電流線(xiàn)路中無(wú)電流，加于電壓線(xiàn)路上的電壓為額定值的85%～125%時(shí)，模塊計算器不應有1個(gè)以上的數字變化；

　　●報警：直流電壓輸出過(guò)低告警、直流電壓輸出過(guò)高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計量支路錯誤告警、內部程序錯誤告警、時(shí)鐘錯誤告警、存儲器故障告警、交流輸入停電告警；

　　●校時(shí)：支持廣播校時(shí)，可通過(guò)RS485通信接口對計量模塊進(jìn)行遠程校時(shí)；

　　●存儲：有歷史電能數據和歷史告警信息的存儲功能，內存為2MB。

 

 

　　安科瑞5G基站配電解決方案，通過(guò)上位機軟件實(shí)現零漂校準，具有遙測、遙信、遙調、實(shí)時(shí)電量計量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。為基站節能提供詳細的數據依據，為直流、交流配電設備提供分項計量解決方案。

 

[1] 李露,李福昌,曹亙,呂婷.5G基站智能節能方案研究.

[2] 孟一翔.移動(dòng)通信基站節能減排技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

 

韓歡慶，女，現任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事新建5G基站配電的研發(fā)與應用。