5G基站配套基础设施节能降耗技术研究

孙宝奇

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

在5G移动通信技术应用范围持续扩展、应用场景持续更新的形势下，通信企业有必要加大对5G基站配套基础设施的建设力度，为4G技术和5G技术的共同应用奠定设备基础。但是现阶段5G基站配套基础设施建设面临着能耗较高的问题，不但会增加对电能等资源的消耗量，还会提高通信企业的运营成本，不利于通信行业的可持续发展，对此通信企业需要采取专门的节能降耗技术。

1 5G基站配套基础设施能耗构成及现状

1.1 5G基站配套基础设施能耗构成

5G基站配套基础设施连接情况如图1所示，可以将5G基站配套基础设施能耗分为配套设施能耗和通信主设备能耗两部分。其中，配套设施能耗包括机房空调能耗、建筑围护能耗、通信电源能耗等。机房空调能耗由空调实际能效、室内冷负荷决定，占5G基站配套基础设施总能耗的40%左右。通信电源能耗包括线缆损耗、供电架构损耗、通信电源损耗，占5G基站配套基础设施总能耗的10%左右[1]。通信主设备能耗占5G基站配套基础设施总能耗的50%左右，包括分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、加密虚拟网络（Secret Private Network，SPN）等传输设备电源能耗及有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）、基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）等无线设备电源能耗。按照市场行情，大部分通信企业选择的AAU额定功耗为1 300 W、BBU额定功耗为1 100 W，可见无线设备电源能耗增多是5G基站配套基础设施能耗增加的主要原因。从通信主设备角度进行节能降耗，只需要应用功率较低的通信主设备即可。

图1 5G基站配套基础设施连接图

1.2 5G基站配套基础设施能耗现状

目前，通信行业已经开展了对于网络节能降耗技术、设备节能降耗技术以及站点节能降耗技术等5G基站配套基础设施节能降耗技术的研究，并且致力于通过单站硬件、单站软件、网络协同3个部署阶段展开5G基站配套基础设施节能降耗工作，已经获得了较为显著的节能降耗成果。可见，在未来通信行业中，各个通信企业需要持续加大对5G基站配套基础设施节能降耗技术的研发和应用力度，持续减少能源消耗[2]。

2 5G基站机房空调节能降耗技术

2.1 设置智能新风节能系统

智能新风节能系统属于间接的5G基站机房空调节能降耗技术，本质是通过交换机房内热空气、室外冷空气来降低机房温度。具体来讲，以室外自然风为冷源，在机房中安装上出风装置、下进风装置，通过温度传感器、湿度传感器检测室外空气温度、湿度，如果发现检测数值低于设定临界值，下进风中的风口、风机会自动启动，将室外冷空气吸入到机房内部。需要确保机房内存在正压风压，上出风装置才能够及时将机房内热空气排到室外[3]。据统计，在5G基站机房空调系统中应用智能新风节能系统，每台机房空调的年平均节约电量为6 000～10 000 kW·h。

2.2 设置蓄电池地埋机房

蓄电池属于5G基站机房空调系统中对温度要求较高的设施，在不改变机房空调系统原有结构的基础上，可以通过设置蓄电池地埋机房的方式来满足蓄电池对于机房温度的要求，从而提高蓄电池的应用寿命和放电量。蓄电池地埋类型包括铁锂电池、耐高温蓄电池，主要为12 V单体蓄电池。在完成蓄电池地埋后需要引出每个蓄电池的测试线，通过测试线完成对蓄电池地埋基坑温度的检测，为后续蓄电池维护工作的展开奠定基础。此外，为了避免潮湿、换气问题，可以在蓄电池地埋电池柜附近安装排水管、导气管[4]。

2.3 应用液冷技术

液冷技术包括冷板式液冷技术、浸没式液冷技术以及喷淋式液冷技术。其中，冷板式液冷技术指的是从特制注水口注入冷却水，冷却水通过散热管流经机房系统，能够将硬盘、中央处理器（Central Processing Unit，CPU） 等主机设施的热量带走，随后流出机房系统，具体应用流程如图2所示。浸没式液冷技术指的是将机房服务器浸泡在由机柜和液冷机构成的浸泡系统中，机柜中的工程液体能够实现对机房服务器热量的传递。喷淋式液冷技术指的是将具备绝缘环保性能的液体冷却介质喷淋到机房服务器内，吸收接触散热器、内部发热器件的芯片热量，并且将热量通过液冷系统传输到外部。据统计，在5G基站机房空调系统中应用液冷技术，能够将全年平均总能耗控制在1.05～1.2。

图2 冷板式液冷技术应用流程

2.4 应用热管技术

热管技术包括动力热管技术和重力热管技术。其中，动力热管技术包括液相动力热管技术与气相动力热管技术，前者指的是通过驱动设备推动液体管路上的制冷剂液体流动，形成液相动力热管循环模式；后者指的是通过驱动设备推动气体管路上的制冷剂气体流动，形成气相动力热管循环模式。重力热管技术指的是通过气体浮力、液体重力推动冷却设备中的制冷剂流动，在不应用压缩机的基础上完成制冷操作[5]。

2.5 采取机房隔热措施

机房隔热属于防太阳辐射技术，具体来讲，机房在太阳辐射下会出现表面温度升高情况，增加了建筑结构热负荷以及机房空调能耗，机房隔热措施的应用能够有效减少太阳辐射导致的机房外部热量，从而实现降低机房能耗的目的。机房隔热措施包括门窗隔热措施、外墙隔热措施、屋顶隔热措施以及平改坡措施。其中，门窗隔热措施指的是在门窗安装中应用具备隔热性能的遮阳板、双层玻璃，或者直接封堵门窗。外墙隔热措施、屋顶隔热措施指的是在外墙、屋顶铺设具备隔热性能的隔热网、藤蔓植物，或者在外墙、屋顶施工中应用隔热涂料。平改坡措施指的是将机房屋顶从平顶结构调整为坡顶结构，从而减少太阳辐射面积，提高屋顶通风效果[6]。

3 5G基站通信电源节能降耗技术

3.1 设计开关电源休眠模式

在设计5G基站通信电源系统开关装置整流模块容量时，需要同时考虑到设备负载电流、蓄电池组充电电流，从而形成开关电源休眠模式。现阶段，5G基站的实际负载电流、话务量很少能达到设计值，并且市电系统较为稳定、较少出现断电事故，这些都降低了蓄电池的充电频率和时间。据统计，大部分5G基站通信电源系统开关装置整流模块的负载率≤50%。开关电源休眠模式能够做到通过设备负载电流变化调整开关装置整流模块开启数量，令部分开关装置整流模块处于休眠状态，在满足开关装置整流模块负载率需求的基础上，使开关装置处于最佳的工作效率，从而实现节能目标。假设5G基站通信电源系统开关装置配置了6个50 A整流模块、1组500 A·h蓄电池，通过开关电源休眠模式能够关闭两个整流模块，得到的开关装置整流模块负载率为50%，5G基站通信电源系统的日平均节约电量为11.3 kW。据统计，在5G基站机房空调系统中应用开关电源休眠模式，能够将年平均节能效率提高1%～2%[5]。

3.2 应用直流远供技术

随着5G技术业务的持续发展，越来越多的小型5G基站开始进入到5G基站系统中，将构成宏微结合的超密集组网模式。如果继续应用传统供电方式为小型5G基站引入电力资源，便会增加5G基站通信电源系统的建设成本，不利于实现节能降耗目标[7]。直流远供技术指的是将供电条件较好、供电容量较大的大型5G基站作为集中式远程供电主节点，通过链型结构、星型结构为周边小型5G基站远程供电，从而实现对电力资源的共享。在上述直流远供模式下，可以通过网关远程关断技术关断业务负荷较小的小型5G基站，实现对供电系统的动态化控制及调整。

3.3 应用蓄电池市电削峰技术

5G基站通信电源系统对于市电引入容量需求较大，会增加存量站点市电增容的压力。由于阶梯电价政策，通信企业在峰值时段的电费成本会大幅度提高。上文中提到了50%左右的5G基站配套基础设施能耗为通信主设备能耗，通信主设备用电量需求设定往往按照设备的额定功率进行，导致每台通信主设备的实际用电量大部分为设定用电量需求的40%～50%，表示存量基站蓄电池组容量存在大量富余，大部分蓄电池常年处于不需要运行的状态，即为存量蓄电池。蓄电池市电削峰技术的应用有利于激活存量蓄电池的储能放电能力，具体能够在用电高峰期通过蓄电池组储能对市电进行补偿，并且同时完成5G基站配套基础设施供电。在用电低谷期，通过蓄电池组进行充电储能，实现错峰供电，降低5G基站通信电源系统在峰值时段的市电引入容量需求，节约电费成本。

3.4 应用智能升压技术

智能升压技术指的是在5G基站通信电源系统中增加智能升压电源模块，通过调节DC/DC电路控制脉冲的方式提高输出电压，实现对所需电压的输出制式管理。智能升压技术的应用不需要改变5G基站通信电源系统的电缆路径，能够将-48 V直流电源线路的线路损耗降低30%～50%，将电源线路的供电距离延长100%～120%[8]。

3.5 应用绿色电力

绿色电力在5G基站通信电源系统中的应用能够完成节能降耗、清洁电力资源等目标[9]。由于风力发电技术的应用可靠性和稳定性较差，现阶段广泛应用的绿色电力为太阳能发电电力资源，包括离网型太阳能供电系统与站点叠光系统。离网型太阳能供电系统指的是在光照较为充足的地区构建太阳能供电系统，通过太阳能为5G基站通信电源系统提供电力资源，并且不与常规电网进行并网，能够实现对常规电力资源的100%节约。站点叠光系统指的是在5G基站建筑物的屋顶、地面等空间构建光伏发电系统，通过太阳能补充5G基站通信电源系统常规电网电力资源。假设5G基站建设地区的日均光照有效时长为5 h，则1台1 kW太阳能板的日平均节约电量为5 kW[10]。此外，氢燃料电池也属于绿色电力的一种，能够通过氢气和氧气的化学反应生成电能，应用在蓄电池中。

4 结 论

5G基站机房空调节能降耗技术包括设置智能新风节能系统和蓄电池地埋机房、应用液冷技术和热管技术、采取机房隔热措施，5G基站通信电源节能降耗技术包括设计开关电源休眠模式、应用直流远供技术和蓄电池市电削峰技术、应用智能升压技术和绿色电力。这些技术普遍具有操作便捷、节能效果显著、不需要过多人工操作等应用优势，具有十分广阔的应用和推广价值。