5G时代通信站点低碳化演进思路

王 未，李玉昇，陈志江，赵晓丹，李 奥，赵贺朋，邸涵宇

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100033）

0 引 言

2019年中国正式进入5G商用元年。与4G相比，5G具有更高速率、更低时延、更大连接等特点。5G通信基站向高频段发展，单基站覆盖的范围变小，并且与4G相比，覆盖相同面积所需基站数量增加[1]。此外，由于5G通信大带宽、低时延、广连接的要求，5G设备功耗约为4G设备的3～4倍，5G站点的大量建设导致了通信行业碳排放量的增长。

2022年5月，中华人民共和国工业和信息化部（以下简称工信部）在2022世界电信和信息社会日大会上透露，目前我国已建成5G基站近160万个。工信部此前透露，2022年的建设目标是5G基站总数年底达到200万个。未来基站仍将以每年几十万个的数量不断增加。在5G站点的建设过程中，需要新建土建机房来收纳5G设备，该过程会产生碳排放。在运行过程中，5G设备大量耗电同样会产生大量碳排放。单个基站按5 kW的功耗计算，200万个基站全年的碳排放量约为6 800×104t。因此，如何实现建设与运行过程中的低碳化是目前面临的重要问题。

1 室外化建设方式

5G无线站点的主要设备包括通信设备和配套设备，通信设备有有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）、室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）、传输设备等，配套设备包括电源、电池、空调等。以上设备安装在机房中，从而为通信设备提供基本的运行环境。然而，建设土建机房的过程中会产生较多碳排放量。随着设备的集成度越来越高，目前通信设备均已小型化，传统的机房建设模式会存在内部空间大量空余，且站点电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）较高。据统计，目前站点PUE在1.6～ 2.0。

降低建站过程的碳排放最为有效的方法是摒弃传统的机房形态，演进为机柜形态，实现通信设备的整体室外化，如图1所示。

图1 室外型柜式站点

显而易见，由机房转变为机柜可以使建造材料大大减少，碳排放量至少可减少70%。同时，将设备大量集中实现高密化，可大大减少空间空余，对于设备散热能耗的减少具有十分重要的作用，使站点PUE降低至1.4以下[2]。保守估计，对于5 kW功耗的站点，PUE由1.6降低至1.4，全年可减少碳排放量约15 t。此外，可利用室外型站点的高度空间叠加太阳能光伏，从而提升清洁能源使用率。单个柜式站点的占地面积大约可安装10块400 W光伏板，全年的发电量约可减少碳排放量3.4 t。因此，5G站点的室外化具有极大的减碳潜力。

2 运行能耗分析

在站点运行过程中，通信设备会消耗大量电能来实现正常运行。同时，配套设备尤其是空调为实现设备的辅助散热会大量消耗电能，从而保证设备的正常温度环境。据统计，通信设备用电量占站点总用电量的50%以上，空调设备用电量占总用电量的40%左右，包括监控、照明等其他设备所占的比例较小[3]。因此，降低能耗主要从降低通信设备能耗和空调能耗入手。

通信设备的主要节能技术手段是各类关断技术，主要方法是在部分时间段数据流量较小时或无流量时，进行部分功能的关断。如对于学校、体育馆、美术馆等场所的夜间，业务流量的减少十分明显，可通过关断有效实现通信设备节能，但通信设备的节能仍依赖业务，短期内无法在保证业务的条件下做大幅节能。

而对于空调设备节能，是当前最为有效的降低站点能耗的手段。传统的空调方式采用冷热量抵消的方式实现室内温度控制，存在大量能量浪费，其原理如图2所示。

图2 传统制冷方式原理

对于功耗为6 kW的发热设备，其产生的热量接近6 kW，只有将这部分热量消除，才能保障设备温度保持稳定，否则会持续升温导致设备停机。具体而言，传统的电压缩式制冷系统通过压缩机做功，将电能转换为冷量投入室内部分，按照能量守恒，同时会产生热量投入室外部分。对于6 kW热量，需要产生6 kW的冷量进行抵消，按照一般空调能效，消耗电能2 kW·h。同时，在此过程中，机房内由于存在冷量流失、气流组织、控制方式等诸多问题，导致实际空调耗电量会大于2 kW·h，达到6 kW·h甚至更高。

3 能效提升关键方法

在热量高密集中、设备温度承受能力提高的情况下，处理设备热量的方式完全可以由冷热抵消的方式转变为温差传递的方式，如图3所示。

图3 新型散热方式原理

目前，通信设备的正常工作环境温度的上限可达到55 ℃。对于柜外环境温度，很少超过35 ℃。因此，设备与环境间长期存在大于20 ℃的温差。具体而言，机柜的围护结构为设备提供了基本的防护功能，但也阻挡了设备向外部环境散热。如果能够采用一种有效方式构建柜内、柜外传热的路径，便可利用自然方式实现热量由高温区域向低温区域的转移，目前，通过重力热管技术便可以实现，且处理6 kW的热量耗电仅有0.4 kW·h，为传统制冷方式的1/5[4,5]。

通过对通信站点在全年的实际运行情况进行测算可以得出，室外型站点建设方式结合自然冷源利用运行方式具有十分显著的能效提升潜力，如表1所示。以寒冷地区的北京市为例，对于5 kW设备功耗的站点，相比于传统制冷方式室外机柜，全年可节省耗电量超过7 000 kW·h，减少碳排放量5.4 t。综合分析可以得出，室外型站点、太阳能光伏、重力热管技术的结合应用可减少碳排放量超过23.8 t，若应用于100万个5G站点，可减少碳排放量超过2 380×104t，减碳效益十分显著。

表1 不同应用场景下节能量测算

4 结 论

针对如何降低5G站点的碳排放量的问题进行了深入分析，并提出了相应减碳方法，分析了各类方法的减碳潜力，具体结论如下：设备的高密化为站点的室外化提供了可能，首先可以减少建造环节的碳排放，并且设备的高密化大大提升运行能效，站点PUE由1.6降低至1.4，对于功耗为5 kW的典型站点，全年可减少碳排放量约15 t；室外型站点能效的提升可进一步减少碳排放，目前最为有效的方式是采用热管技术替代传统的电压缩式制冷技术，用热量传递的散热方式替代冷热抵消的散热方式，更多地利用自然冷源而不是电能实现设备散热，可进一步减少碳排放量5.4 t;充分利用室外型站点的空间建设太阳能光伏，在通信设备的供电系统中更多地引入绿色能源，可减少碳排放量3.4 t。综合以上技术，5 kW通信站点可减少碳排放量共计超过23.4 t，在全国不同气候区均有应用价值，可成为未来站点低碳化的有效手段。