淺析5G基站智能節(jié)能的解決方案

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定

摘要：提出一種5G基站智能節(jié)能方案，用于降低5G基站設(shè)備能耗、節(jié)省5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本、實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信行業(yè)節(jié)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(tǒng)一配置4G/5G基站節(jié)能策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)選定區(qū)域內(nèi)小區(qū)的歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基站業(yè)務(wù)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，并生成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略分別執(zhí)行各基站的節(jié)能任務(wù)。在節(jié)能任務(wù)執(zhí)行后，基站智能節(jié)能方案將根據(jù)區(qū)域內(nèi)反饋的節(jié)能效果、網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)變化、用戶感知質(zhì)量變化等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果。所提方案可對(duì)基站業(yè)務(wù)量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，并自動(dòng)生成節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)基于多制式網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級(jí)智能節(jié)能，使節(jié)能策略能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化。

 

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

 

0 引言

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模逐年增加，通信設(shè)備對(duì)能源的需求與日俱增，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗在運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本(OPEX,Operating Expense)占比已高于15%。經(jīng)過5G試商用網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試驗(yàn)證，5G單站功耗是4G單站功耗的3～4倍，運(yùn)營(yíng)商面臨基站設(shè)備能耗大幅增加OPEX費(fèi)用的運(yùn)營(yíng)壓力。當(dāng)通信行業(yè)邁入5G時(shí)代，通信設(shè)備的智能節(jié)能對(duì)降低5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)通信行業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。

傳統(tǒng)的基站設(shè)備節(jié)能方案依賴于主設(shè)備廠家在硬件、軟件等產(chǎn)品設(shè)計(jì)和持續(xù)優(yōu)化能力。硬件方案，新設(shè)備可以通過使用新工藝、新材料、新設(shè)計(jì)等**技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)降低設(shè)備硬件的基本能耗。軟件節(jié)能方案，通過智能符號(hào)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(xiàn)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(jié)能策略的配置，更需要綜合考慮節(jié)能策略。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)智能化、云化架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合大數(shù)據(jù)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(xiàn)節(jié)能策略智能化選擇、參數(shù)配置自動(dòng)化、效果評(píng)估化，從而達(dá)到運(yùn)行效率綜合節(jié)能效率的“雙優(yōu)目標(biāo)”。

 

1 5G基站能耗分析

為了滿足5G豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的要求，3GPP R15規(guī)范定義了NR新空口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)5G基站設(shè)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(duì)軟件、硬件處理能力要求更高，5G基站的功耗需求也更大。

5G有源天線處理單元(AAU,Active Antenna Unit)與傳統(tǒng)的4G射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU,Radio Remote Unit)設(shè)備有很大差別，例如AAU內(nèi)部集成了天線陣列、支持高達(dá)64個(gè)射頻通道以及部分基帶功能等，這些使得AAU內(nèi)部在功放模塊、數(shù)字基帶、收發(fā)機(jī)等器件的功耗數(shù)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(jù)5G基站功耗的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，基站設(shè)備中AAU設(shè)備(64T64R AAU)在5G基站設(shè)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(shè)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(shè)備基礎(chǔ)功耗平均占比58%，動(dòng)態(tài)功耗平均占比42%。基站的靜態(tài)功耗與基站設(shè)備硬件有關(guān)，可以通過硬件平臺(tái)升級(jí)來降低設(shè)備的基礎(chǔ)功耗?；净A(chǔ)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(shè)備快速喚醒等硬件節(jié)能方案，主要依靠主設(shè)備廠家不斷演進(jìn)硬件工藝、提高集成度來完成。動(dòng)態(tài)功耗(主要是AAU設(shè)備功耗)隨業(yè)務(wù)負(fù)荷波動(dòng)，功耗變化與AAU設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷(業(yè)務(wù)量)變化相關(guān)，通過軟件功能優(yōu)化可提高動(dòng)態(tài)能耗的利用率。軟件功能節(jié)能方式包括符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區(qū)休眠、電源管理等。本文主要從軟件節(jié)能方案角度出發(fā)，通過AI算法預(yù)測(cè)忙閑時(shí)段的業(yè)務(wù)量，智能化設(shè)定不同基站的節(jié)電時(shí)間、節(jié)電方式，控制空閑基站的耗電量。

 

2 基站智能節(jié)能方案

傳統(tǒng)的軟件節(jié)能方案主要依賴于話務(wù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、跨網(wǎng)絡(luò)、靈活智能的節(jié)能管理天候跨網(wǎng)絡(luò)智能化節(jié)能，管理效率與節(jié)能小區(qū)數(shù)量成反比，管理難度高、節(jié)能效果欠佳。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能大幅提升及AI技術(shù)的日益成熟，智能節(jié)能技術(shù)將解決節(jié)能方案的實(shí)現(xiàn)瓶頸，可通過在網(wǎng)管系統(tǒng)增加AI模塊用于智能節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)4G/5G多制式網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同，支持網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級(jí)、單基站、單扇區(qū)不同顆粒度的智能節(jié)能，并且達(dá)到實(shí)時(shí)、靈活的基站能耗管理目標(biāo)。

基站智能節(jié)能方案主要通過自動(dòng)采集4G/5G基站的業(yè)務(wù)量、性能數(shù)據(jù)、工參數(shù)據(jù)、運(yùn)行指標(biāo)、告警數(shù)據(jù)、B域數(shù)據(jù)等，按場(chǎng)景、區(qū)域、基站性質(zhì)對(duì)基站進(jìn)行分級(jí)管理，利用AI算法對(duì)歷史業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過業(yè)務(wù)量模型對(duì)基站進(jìn)行業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)，根據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)結(jié)果為基站制定差異化的節(jié)能策略，自動(dòng)生成節(jié)能任務(wù)通過指令下發(fā)基站，在業(yè)務(wù)空閑時(shí)實(shí)施符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區(qū)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(jié)能模式切換為正常模式，從而達(dá)到天候、跨廠家、多網(wǎng)協(xié)同的系統(tǒng)級(jí)節(jié)能效果。

2.1 數(shù)據(jù)采集與分析

數(shù)據(jù)采集需要按照基站業(yè)務(wù)過程、信令交換原則等，通過對(duì)接不同的數(shù)據(jù)來源庫(kù)，以一定粒度獲取需要的數(shù)據(jù)源，包括PM、MR、工參、基站配置等數(shù)據(jù)。然后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取解析、關(guān)聯(lián)匯聚，將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到節(jié)能方案所需的數(shù)據(jù)庫(kù)表格中。另外，需要對(duì)數(shù)據(jù)的規(guī)模進(jìn)行探索分析，對(duì)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)采取不同的存儲(chǔ)方式和處理工具。為了方便后續(xù)為基站節(jié)能提供支撐服務(wù)，需要通過各種技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織或分析，包括缺失數(shù)值的處理、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)降維等。

圖1 基站功耗分析示意圖

數(shù)據(jù)采集和分析的過程中需要建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和監(jiān)控體系。在數(shù)據(jù)采集之后，需對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，確定數(shù)據(jù)的可用性，以免因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題影響后續(xù)節(jié)能策略的分析。在數(shù)據(jù)處理的過程中需要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的步驟、時(shí)間等，避免因數(shù)據(jù)處理過程的中斷或錯(cuò)誤導(dǎo)致后續(xù)節(jié)能分析的錯(cuò)誤。

 

3 安科瑞5G基站電氣監(jiān)控云平臺(tái)概述

基站智慧用電云平臺(tái)通過對(duì)5G宏站和室分站點(diǎn)加裝交/直流智能監(jiān)控設(shè)備、無線采集設(shè)備以及系統(tǒng)管理平臺(tái)，完成夜間無業(yè)務(wù)時(shí)段的下電操作，減少電能消耗，降低運(yùn)營(yíng)成本支出，以及提升通信設(shè)備供電線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)功能；系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)的供電線路歷史電氣性能數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、匯總、分析，找出故障原因，給出解決建議對(duì)策，減少后續(xù)同類故障的發(fā)生率，提升供電線路運(yùn)維管控能力。

 

4 5G基站電氣監(jiān)控云平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)架構(gòu)圖

5 5G基站電氣監(jiān)控云平臺(tái)功能

Acrel Cloud-6000 5G基站電氣監(jiān)控云平臺(tái)軟件人機(jī)界面友好，擁有數(shù)據(jù)匯總、系統(tǒng)體檢、分析報(bào)告、能耗統(tǒng)計(jì)、能耗報(bào)表等功能。

 

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

顯示具體設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史曲線供查詢；

提供分合閘功能供用戶對(duì)儀表進(jìn)行操作；

提供參數(shù)設(shè)置功能，用戶能對(duì)儀表內(nèi)置的報(bào)警值和保護(hù)開關(guān)等進(jìn)行操作。

 

對(duì)不同的基站設(shè)置不同的分合閘策略，下發(fā)周期可以按照年~月~周~日來進(jìn)行選擇，提供下發(fā)命令的日志供用戶進(jìn)行查詢。

對(duì)設(shè)備可以設(shè)置對(duì)應(yīng)的進(jìn)線和出線關(guān)系，來對(duì)每一個(gè)基站的使用功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以分析基站的使用負(fù)載。從而可以分析不同區(qū)域的基站使用情況。

對(duì)各個(gè)基站的溫度進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)溫度高于范圍內(nèi)，會(huì)開啟空調(diào)，其實(shí)時(shí)間會(huì)關(guān)閉空調(diào)。

 

6 產(chǎn)品選型及典型配置方案

 

6.1 設(shè)備概述

DTSD1352 - xSyD系列導(dǎo)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(cè)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。可直接或間接測(cè)量電壓電流、功率、功率因數(shù)、相角、不平衡度、諧波等參數(shù)。

具體功能如下：

●x路三相和y路單相回路全電參量測(cè)量，電流互感器外置；

●監(jiān)測(cè)各相電壓/電流、零序電流、頻率；

●監(jiān)測(cè)各相功率、總功率（有功、無功、視在）；

●監(jiān)測(cè)各相功率因數(shù)、總功率因數(shù)；

●監(jiān)測(cè)電壓/電流相角、電壓/電流不平衡度；

●監(jiān)測(cè)電壓、電流總諧波及2-31分次諧波；

●當(dāng)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；

●支持過壓、過流、斷相、DI聯(lián)動(dòng)等報(bào)警輸出；

●4時(shí)區(qū)14時(shí)段的費(fèi)率設(shè)置；

●四象限電能，12個(gè)月復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；

●31天四象限和復(fù)費(fèi)率電能凍結(jié)，正反向電能計(jì)量；

●兩路無源開關(guān)量輸入、兩路開關(guān)量輸出、RS485通訊；兩路有源開關(guān)量輸入，用于識(shí)別油機(jī)和市電接入。

6.2 交流配置方案

 

6.3 安裝實(shí)例

 

6.4 產(chǎn)品選型

 

6.5 設(shè)備概述

AMC16-DETT 基站直流電能計(jì)量模塊主要是針對(duì)有共享需求，且開關(guān)電源無分用戶電量計(jì)量功能的基站而

設(shè)計(jì)的。儀表可進(jìn)行六個(gè)回路的直流電的計(jì)量，自帶電源給霍爾傳感器供電，同時(shí)可通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)零漂校準(zhǔn)，具有遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、實(shí)時(shí)電量計(jì)量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲(chǔ)及處理、信息交互等功能。直流電能計(jì)量模塊可計(jì)量三家運(yùn)營(yíng)商的直流用電量，提供基站節(jié)能詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，為直流配電設(shè)備提供可靠的分項(xiàng)計(jì)量解決方案。

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

6.6 具體功能

●監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)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(jì)量：起動(dòng)電流：額定電壓下，計(jì)量模塊的負(fù)載電流值在不超過電流1%時(shí)，模塊啟動(dòng)潛動(dòng)電流：當(dāng)計(jì)量模塊的電流線路中無電流，加于電壓線路上的電壓為額定值的85%～125%時(shí)，模塊計(jì)算器不應(yīng)有1個(gè)以上的數(shù)字變化；

●報(bào)警：直流電壓輸出過低告警、直流電壓輸出過高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計(jì)量支路錯(cuò)誤告警、內(nèi)部程序錯(cuò)誤告警、時(shí)鐘錯(cuò)誤告警、存儲(chǔ)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RS485通信接口對(duì)計(jì)量模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程校時(shí)；

●存儲(chǔ)：有歷史電能數(shù)據(jù)和歷史告警信息的存儲(chǔ)功能，內(nèi)存為2MB。

6.7 直流配置方案

 

 

7 結(jié)束語(yǔ)

安科瑞5G基站配電解決方案，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)零漂校準(zhǔn)，具有遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、實(shí)時(shí)電量計(jì)量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲(chǔ)及處理、信息交互等功能。為基站節(jié)能提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，為直流、交流配電設(shè)備提供分項(xiàng)計(jì)量解決方案。

 

參考文獻(xiàn)

[1] 李露,李福昌,曹亙,呂婷.5G基站智能節(jié)能方案研究.

[2] 孟一翔.移動(dòng)通信基站節(jié)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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

 

作者簡(jiǎn)介：

張娟，現(xiàn)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(yīng)用。