能源互联网背景下5G网络能耗管控关键技术及展望

2021-12-03任肇澄

通信电源技术 2021年10期

关键词：能耗基站管控

任肇澄

（宜通世纪科技股份公司，广东阳江 529500）

0 引言

能源互联网出现之后，我国开始对绿色通信网络结构进行改革，在改革的过程中研究出了很多新型技术，如智能管理技术和综合运用信息技术等。这些技术可以将新型电力网络和能源节点有机结合在一起，最终达到共享网络和能量交换的目的[1]。

1 目前5G网络能耗问题的研究情况

要想真正实现能源互联网就必须要做好5G网络技术的研究。目前，我国5G技术越来越成熟，在这样的背景下，移动通信量的指数在不断上升，基站密度和能耗也在不断增加，人们在研究时最需要解决的问题就是如何构建节能绿色的5G网络[2]。

通过调查发现，5G网络问题主要出现在一些新兴负载高渗透的地区，现在人们在研究的过程中也开始将5G网络问题作为重点研究对象。作为电网运营商最大的动态能耗用户，5G网络在运营的过程中需要借助到很多技术的帮助，这些技术不仅可以起到优化用电负荷的作用，而且可以让电网服务商获得更多的经济利益。现在人们对5G技术也已经有了很多研究，并在研究的过程中发现了绿色无线通信的概念，同时还发现了影响供电能力的因素[3]。

随着互联网技术的不断普及，在2019年的时候我国手机网民的数量就已经达到了近9×108，人们在日常生活中用手机上网的比例高达99%。网络用户的增加导致传统的网络已经没有办法满足现在人们的上网需求。要想解决此问题，就必须要研究出一种节约能耗的网络，5G网络技术由此诞生。目前，5G技术是最新的蜂窝移动通信技术，最大的特点就是能够在降低成本的基础上节约能源，但是在使用的过程中会面临高额的电费问题，如中国联通在2018年支付了1.3×1010元的电费[4]。

1.1 基站能耗模型

基站即公用移动通信基站，是无线电台站的一种形式，在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

目前，在5G时代，“宏基站为主，小基站为辅”的组网方式是未来网络覆盖提升的主要途径。5G时期采用3.5 GHz及以上的频段，在室外场景下覆盖范围减小，加上由于宏基站布设成本较高，因此需要小基站配合组网。根据3GPP制定的规则，无线基站按照功能可划分为宏基站、微基站、皮基站以及飞基站4大类。移动设备要想顺利接入到互联网中就必须要借助到基站的帮助。目前，基站分为宏基站和小基站两种。

5G网络技术使用过程中，小基站的数量越多，网络质量越好。小基站和宏基站最大的区别就是数量巨大，所以消耗的能量也就远大于宏基站。基站就是常说的蜂窝网络，在使用的过程中可以为无线通信提供时间和空间的变化[5]。

1.1.1 组件模型

基站不仅是移动通信网络的主要核心，还是通信网络中最主要的能耗设备，其在使用过程中主要通过功率放大器和信号处理器来消耗巨大能源。功率放大器和信号处理器在使用的过程中会损耗大量的电路能量，电路损耗又细分为静态损耗和动态损耗两种[6]。

1.1.2 线性模型

在研究线性模型的过程中发现通过线性回归算法可以计算出5G基站的能耗情况，并且计算出来的数值非常接近于实际的数值。5G网络基站的能量消耗主要以仿射线的形式存在，总能量由功率和放大器效率决定。目前线性模型主要应用在基站休眠的策略中[7]。

1.1.3 异构网络模型

为了满足人们对通信信息的要求，基站的种类在不断地增加，其中应用最多的就是异构网络模型。异构网络模型不仅解决了城市网络覆盖问题，而且最大程度提高了网络的能量[8]。

1.2 5G网络能效模型

1.2.1 能量效率模型

目前，人们可以通过以下两种方法来评估无线网络能量的效率情况。一是单位面积能耗评估方法，二是单位比特能耗评估方法。两种评估方法各有各的特点和优势，其中单位比特能耗的评估方法已经被5G推进组所引用。

1.2.2 成本效率模型

成本效率模型是从系统动力学研究的角度出发的产物，主要通过研究能量效率来了解网络效率和碳排放量的情况。因为5G网络技术在使用的过程中会消耗大量的电能，所以在研究的过程中还需要注意考虑成本问题[9]。

2 5G网络能耗管控的意义

5G网络与4G网络相比不仅提高了传输的速度还提高了处理数据的能力。例如，在研究宏基站的过程中发现，单个有源天线的功率可以达到1 000 W左右，能量通过该数据能够预估出5G单基站的功耗和4G单基站相比能够降低2.5 kW。出现这种情况的主要原因是因为5G网络会在使用过程中将部署任务主要放在高频段中，虽然覆盖的范围和4G网络相同，但是接入的数量却大不相同。通过调查发现，2020年是5G网络大力建设与加速发展的一年，GSA统计显示，截至2020年12月中旬，全球已有58个国家的135家运营商建成5G商用网络，相比于2020年2月的78家增长了近1倍。而在“新基建”浪潮的助推下，我国5G网络建设更是超预期完成，截至目前，我国已建设超7×105个5G基站，覆盖全国所有地级以上城市[10]。

5G网络基站的能耗主要体现在基站、电源、机房空调以及传输4个部分。当5G基站作为地区共享设备时需要先开放和共享基站中的富余能量，以此来降低使用过程中的投资成本。在共享容量的基础上建设5G基站时可以最大限度地满足人民日益增长的需要。

5G运营商作为电网运营商时会自带负荷可调节性属性，负荷可调节性的最大特点是可以通过调节能耗管控技术来转移基站中的负荷，最终达到调整电力流的目的。在人们不懈的研究中总结出5G网络能耗管控的意义就是最大限度地降低整个过程中的运营成本。

3 5G网络能耗管控的关键技术

5G网络能耗管控的目的就是为了提高用户的体验感，可以从能源、5G网络、5G网络与能源协同等角度进行研究。在研究时发现，要想提升5G网络的服务效率，就需要先做好提升的方案，具体的方案内容为组件层、链路层以及网络层3种。本文将主要的研究方向放在了研究移动网络能耗的管控中。

3.1 基站休眠

传统的蜂窝网络在应用的过程中为了满足人们在高峰时段对网络的要求，一般都会在使用时先降低低峰时段的负载期，这样虽然能够满足人们的要求，但是会消耗大量的能量。在研究时发现，一般会将00:00ü06:00作为整个基站的休眠模式期，在这段时间里，人们会通过人工智能来调节基站的节能和性能，以此来起到调节基站发射功率的作用，最终达到基站覆盖面积的目的。

基站休眠技术在使用的过程中不仅可以考虑到大部分用户的需求，还会提高覆盖信号的范围，让更多的人应用到基站的服务。在研究时发现，HetNet可以通过绿色5G系统来关闭基站的一些功能，在关闭的过程中需要先做好策略联合的设计工作。此外，可以通过改变能量消耗来完成时间和空间的匹配工作，最终让低负荷进入到休眠状态[11]。

3.2 分布式清洁能源发电

目前，无线通信网络在使用过程中最好的部署方案就是借助到能量收集基站的帮助。在应用能量收集基站时可以更好地达到人们对基站能源的要求。能源互联网系统在使用的过程中可以先为基站提供一部分的清洁能源，这样既能在应用的过程中节约大量的成本，又能达到资源再利用的目的。分布式清洁能源发电的出现解决了很多地区清洁能源发电消纳困难的问题。需要注意的是，这些可再生能源在使用时会受到天气因素的影响，让可再生能源处于随机分布的状态，这时要想保证其稳定性，就需要通过配置来维持储能系统和配电网之间的关系。

人们在研究时发现了一种叫做合作可再生能源的管理方法，这种管理方法在使用的过程中可以起到优化能源收集工作的作用。另外还发现合作可再生能源管理可以提高运营商为指定区域基站供电的动力，也是目前收集和储存能量最好的方法。和传统的电网运行相比，能源互联网系统最大的优势就是可以在组件之间完成能量流动工作，这样就可以为减少电费成本提供更多的帮助。

3.3 储能应用

为了更好地让人们享受到5G网络的功能，人们在研究时也开始将研究方向朝着基站电力供应的多样化发展。2019年，我国的5G通信基站就已经能够达到人们要求的分布式储能系统要求，同时为了应对停电带来的风险，还会在基站内部安装相应的备用电源，最大限度发挥基站的作用。

现在大部分的分布式储能系统在应用时都直接由电网运营商自己完成配置工作，有极个别的也会由5G网络运营商自己完成配置工作。分布式储能技术在运用的过程中有以下3大特点。（1）有一定的波动性和间歇性，可以提高电网的稳定性，帮助可再生能源完成接入工作。（2）可以解决传统网络不能解决的负荷问题和资源限制问题，让所有的资源都可以发挥出自己的作用。（3）具有一定的可调度性，提高资源的质量和互动性，在降低成本的基础上获得最多的经济利益。