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5G移动通信网络节能减排研究
【摘要】为了降低5G移动通信网络运行能耗,节约初期建设投资及运营成本,本文从网络规划、设备选型和电源配套设计多个维度提出对策,为建设绿色节能的5G通信网络提供参考。
【关键词】5G移动通信网络;节能减排技术
1引言
随着移动互联网和物联网的驱动,5G已成为电信行业的下一个重大机会点。在移动通信网络中,基站是耗电大户,大约80%的能耗来自广泛分布的基站。有统计显示,基站站点能耗费用(电费)占到网络运营成本的16%之多。为优化成本结构和促进社会效益,针对基站站点的节能减排已成运营商的一大努力目标。目前5G部署采用的是CU/DU合设,AAU上塔安装的部署方式。从5G试验网的统计数据来看,1套5G系统中CU/DU用电功耗约1.5kW,单个AAU功耗约1.2kW。1套5G系统用电功耗相当于4G系统(单个BBU300W,单个RRU500W)的3倍左右。引起5G基站能耗增大的因素主要有2个:5G小微基站部署数量的增大;大规模天线阵列MassiveMIMO技术。“超密集组网”和MassiveMIMO天线是5G网络的两大技术特征,密集的基站意味着更高的能耗,这是5G网络面临的一大成本挑战。而采用MassiveMIMO天线,5G设备用电功耗相比4G大幅增加。尽管5G微基站的能耗远低于传统宏站,但分布更加密集,会导致网络的总能耗上升。即使是在5G部署初期,并不考虑毫米波频段,采用小于6GHz频段与2G/3G/4G基站共站部署,5G单站用电功耗也将达到30kW以上。5G如此大的用电需求,对基站市电引入容量、直流开关电源系统、蓄电池容量配置都是极大的挑战。同时,对能源消耗以及后期运营成本也是非常大的挑战。毫不夸张地说,如果不采取节能减排措施,5G网络运营商将成为电力部门的“打工者”。因此,需要从网络规划、设备选型、电源配套设计多个维度着手打造绿色节能的通信网。
2网络规划
5G建网初期覆盖场景主要还是密集城区、市区等重点、热点区域,站址获取难度非常大。同时,因为5G无线采用高频段进行覆盖,站址密度非常大。因此,网络规划期应该充分考虑对市政路灯杆、监控杆、电力塔、建筑外立面等社会资源的利用,打造“宏微协同、室内外结合”的立体异构网。5G时代微站将在“宏微协同”的网络结构中作为业务承载的主体,成为网络的重要组成部分。在网络规划和设计过程中,需要考虑“多样化”的覆盖手段进行区域化网格设计。包含两方面内容:(1)区域细分:通过细分区域进行宏微、室内外协同覆盖分析,对原有系统进行整体覆盖分析。(2)精准定位:区域化宏微、室内外协同设计。先多系统协同规划、协同设计,再覆盖预测、对比调整。
3设备选型
设备选型主要从两方面着手:3.1精细化设备选型。根据覆盖区域大小,合理选择不同增益的射频单元设备,做到精细化设计。主要是结合覆盖场景,根据覆盖半径需求,精细化设备选型,降低设备整体投资。3.2多系统设备共享。在5G建设初期,5G系统设备不能与2G/3G/4G共用物理设备(如AAU)。设备厂家需积极开发具有共享功能的基站设备产品,目前部分设备厂家已经在积极研发相关设备。随着5G基站硬件的不断改进,以及通过软件化和智能优化,随着时间推移,5G能效将逐渐提升。
4电源配套设计
电源配套设计方面的节能减排,主要从电力引入、开关电源、蓄电池、空调、机房等方面着手。4.1电力引入。首先,密集城区、市区市电引入难度很大,可以根据具体覆盖场景采用“集群供电”模式结合高压直流远供或交流远供,实现集群供电(1带N),解决电力引入难题,实现节能降耗。“集群供电”主要应用于“线覆盖场景”(如道路、街道、隧道等)及“面覆盖场景”(如高层/低层住宅区、商业街区、工业园区、校园、景区等)。“集群供电”可以满足大多数5G覆盖场景的供电及备电需求。其次,在具备条件的基站采用新能源供电与市电结合的方式,降低市电改造费用及运营成本。“站点叠光”、梯次电池“削峰填谷”都是非常实用的方式。4.2开关电源。在自动休眠的基础上,使用新型高效整流模块,提高电源使用效率。可以采用直流升压模式,将常规-48V升压至-57V,减少线路上的损耗,减小供电电缆线径,可实现效率提升10%以上。相对于-48V直流升压方案,其好处主要体现在以下几个方面:(1)在负载一定、线径一定的情况下,升压方案可以降低线损,提升供电距离。(2)在负载一定、供电距离一定的情况下,可以减小电力电缆线径,降低供电线路的投资建设成本。(3)在供电距离一定、电力电缆线径一定的情况下,可以承载更大的负载。对于5G设备替代2G/3G/4G设备时,升压方案就可以支持原有电缆利旧(非100%场景,需根据具体项目核算确定),从而可以大
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