绿色低碳站点极简改造方案研究

2023-01-31陈先凌郑骏文宋嘉皓王煜东

通信电源技术 2022年19期

陈先凌，郑骏文，宋嘉皓，王煜东，沈奇

（中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，浙江杭州 310012）

0 引言

随着5G网络建设的日趋完善，通信站点呈现多系统、多设备同步叠加运行状态。由于5G设备大功率、高能耗的特点，站点整体能耗大幅提升，高昂的电费支出给运营商网络运营成本管控带来巨大挑战。在“双碳”战略背景下，要加快信息服务业绿色转型，做好大中型数据中心、网络机房绿色建设和改造，建立绿色运营维护体系等。基于此，针对移动通信网络设施的绿色节能改造已成为运营商当前的重要任务。移动通信站点作为移动通信网络构成的主体，其整体能耗在全网能耗中占比约70%。通过对站点多系统间基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）的整合集中、机房配套设备的室外化改造等方式，可以减少用电设备数量，降低机房BBU侧能耗，实现站点能耗的大幅下降，同步降低机房租金成本。围绕站点BBU融合集中、配套设备室外化等方式，探索低碳节能型站点的极简改造方案。

1 网络现状与运维分析

1.1 网络建设模式

移动通信站点建设类型包含宏站点、微站、室分站等，移动通信网络建设总体原则是以宏站作为主要建设站点类型，通过规模部署宏站点实现无线网络连续覆盖，微站点、室分站主要作为补充和室内覆盖。当前无线网络部署采用集中式无线接入网（Centralized Radio Access Network，CRAN）与分布式无线接入网（Distributed Radio Access Network，DRAN）相结合的组网架构。其中新建5G网络以CRAN方式为主，早期建设2G、4G网络普遍为DRAN方式。CRAN以综合业务区为单元，将区域内各站点BBU集中至中心机房堆叠，实现传输资源利用、站点能耗与机房租赁成本控制的最优。DRAN架构下，站点机房的作用继续保留，站点无线设备及传输设备供电由站址机房保障[1]。DRAN与CRAN组网架构如图1（a）、图1（b）所示。

图1 DRAN与CRAN组网架构

1.2 电源配套现状

目前，常规宏站点电源配套设备主要包括交流配电箱、开关电源、蓄电池、空调以及动环监控等。依据站点组网方式、设备安装环境等因素，可以将站点电源配套建设形式大致分为以下几类。

（1）机房直供型。DRAN站点或CRAN站点近端、远端具备机房条件，通过交流引入，配置直流配电系统（开关电源+蓄电池）为机房内BBU与分组传送网（Packet Transport Networ，PTN）设备、室外遥控射频单元（Remote Radio Unit，RRU）与有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）设备提供电源保障。安装空调控制机房内温度，保障设备正常运行。此外，设置动环监控实时监控机房内设备、环境。

（2）室外一体化机柜直供型。DRAN站点或CRAN站点远端无机房，通过一体化机柜内集成空调模块、动环监控模块等对机柜内环境进行管理，利用嵌入开关电源、小型电池为BBU、分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、RRU等主设备提供电源保障。

（3）直流远供型。DRAN站点或CRAN站点远端无机房，交流引入受限，通过就近站点直流远供为站点设备进行直流供电，此类站点无需配置空调、动环监控设备。

（4）交流直供型。DRAN站点或CRAN站点远端通过配置交直流转换模块直接将交流转换为直流向RRU、AAU供电，同步配置室外型电池进行备电保障，此类站点无需配置空调、动环监控设备。

机房直供型模式是当前通信网络电源配套主要建设方式，室外一体化机柜直供型同样在现网中具备一定规模。

1.3 站点能耗分布

通信站点能耗主要由主设备和配套设备运行产生，其中主设备包含BBU、RRU、AAU、PTN等，配套设备包含空调、监控设备等。交流配电箱、开关电源、蓄电池作为站点配电系统设备，主要实现交直流转换、后备保障备电功能，其本身能耗较低。以某个具备4G及5G系统的站点为模型，单站点各类设备能耗占比如表1所示。

表1 现网站点各类设备能耗分布

根据表1，空调能耗在单站中占比最高，约为30%。根据模型分析，站点电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）约为 1.43。

1.4 网络运维痛点

移动通信网络以宏站点为主要建设类型，结合5G网络的大规模部署和4G网络优化调整的需求，移动通信网络运维成本的压力日益凸显，其中包括4G网络优化所需设备的调配支出、站点电费支出的大幅增长、大规模站点机房租金支出等。面对上述挑战，运营商亟需通过优化现网结构简化站点配套方案，通过设备室外搬迁打造极简型网络，实现BBU设备资源整合调配，降低网络运维支出。

2 站点极简改造方案

2.1 改造思路

极简改造主要面向租用铁塔机房或室外柜的宏站点，将站点BBU资源融合、DRAN模式改CRAN模式、机房内设备室外化等手段相结合[2]。

极简改造的主要思路包括以下3点：一是通过BBU融合腾出BBU框、基带板等设备资源，同时减少BBU设备整体能耗；二是通过CRAN改造整合传输设备资源，同时为机房的腾退提供条件；三是通过机房内设备室外化，减少空调、动环监控等机房内设备使用，实现降租金、节电费。站点传统建设方式与极简方式的对比如图2所示。

图2 站点传统建设方式与极简方式对比

2.2 改造原则

站点极简改造需以整合BBU及配套设备资源、降低站点能耗、节省站点电费及租金成本为目标，同时考虑投资效益、网络质量、扩容空间等因素。

（1）投资效益。改造站点的选择应综合分析改造投入成本和改造收益，合理评估节能效益，建议投资回收期不得超过5年。

（2）网络质量。改造过程中及改造后应保证网络安全，不应对网络质量和用户业务体验产生明显影响。

（3）扩容空间。方案设置最优，设备保证技术先进，具备面向未来网络演进的扩容能力，支撑网络可持续发展。

2.3 实施步骤

极简实施可归纳为3步，即资源融合、DRAN改CRAN、室外化供电改造。

（1）资源融合。通过对一个CRAN区域内全量涉及改造站点的BBU、基带板能力进行测算分析，按站点载波需求进行对应主设备配置，实现单BBU多基带板、单基带板能力最大化，去冗余、省设备、节能减排[3]。

（2）DRAN改CRAN。对改造站点尚未实现CRAN组网的系统进行CRAN改造，BBU搬迁至CRAN机房集中堆叠，拆除现有改造机房中传输设备，实现传输设备资源整合，同时变更租赁产品类型，减少租金。

（3）室外化供电改造。使用刀片电池代替开关电源，使用刀片锂电池代替铅酸电池，室外型光纤配线盒替代室内光纤配线箱，配套设施全部室外化，房内无热源，节能省租。

3 改造案例分析及建议

3.1 改造案例

3.1.1 案例一（铁塔机房+4G DRAN组网）

某站点为运营商单独租赁铁塔机房站点，站点建有 4G FDD900、4G FDD1800、4G LTE-F以及5G共4套系统，其中4G的3套系统为DRAN组网，5G为CRAN组网，机房中包含3台BBU、1台PTN、2组500 Ah铅酸电池、1套组合开关电源以及2台3P空调等设备。

具体改造方案如下：4G系统BBU搬迁融合，4G系统DRAN改CRAN，拆除传输设备，供电系统室外化，在机房外墙新增1套12 kW刀片电源，配置4组50 Ah刀片电池，退租铁塔机房。站点极简改造前后对比如图3所示。

图3 案例一极简改造前后对比

案例一站点改造前平均每天耗电量为115 kW·h，极简改造后平均每天耗电量为85 kW·h，每天节电量为30 kW·h。结合该地区温度变化，预估年度节电约10 950 kW·h。

3.1.2 案例二（铁塔室外柜+CRAN组网）

某站点为多运营商共同租赁铁塔室外柜站点，涉及4G LTE-F、5G这两套系统，均采用CRAN组网架构。其中，室外柜用于为天馈设备直流供电。

改造方案为:在单管塔身新增1套6 kW刀片电源，配置2组50 Ah刀片电池，退租铁塔室外柜。站点极简改造前后对比如图4所示。

图4 案例二极简改造前后对比

案例二站点日平均用电53.4 kW·h，改造后日平均用电41 kW·h，每天节省12.4 kW·h。结合该地区温度变化，预估年度节电约4 526 kW·h。

3.2 效益评估

上述案例改造投入包括设备费（刀片电源、刀片电池等）、材料费（线缆、支架等）以及服务费（施工、设计、监理等），改造收益主要包括节省的租金、电费、维护费等。极简改造案例投资效益评估分析如表2所示。

表2 极简案例改造效益分析表

根据不同类型的极简改造案例效益情况分析，极简改造投资回报周期可控制在3年以内，符合要求。

3.3 改造建议

站点的极简改造有利于网络的节能降耗、运维成本降低，但设备室外化等会带来一定的安全隐患。为了提升投资收益率并减少改造带来的隐患，供电备电方案综合考虑投资收益率、现场安装条件、站点现有交流稳定性以及后续扩容需求等，刀片电源需求测算采用设备额定功耗，刀片电池需求测算采用设备典型功耗，电池备电时长结合站点交流供电稳定性确定，实行“一站一策”。改造站点的选取在考虑投资收益率、节能效果的同时，需关注实施难度、现有机房租赁租期，避免造成额外开支[4,5]。此外，建议细化改造方案，做好改造过程中的设备保护工作，对刀片电源、刀片电池做好防盗、防雷接地规范处理。针对刀片电源及电池在墙体或塔桅安装的情况，做好承重评估，避免因设备安装出现墙体或塔桅倒塌的风险。