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多网络制式下,移动通信如何节能降本?
来源:通信世界   日期:2021-6-8 9:50:24   阅读:246

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,节能减排、可持续发展已经成为中国社会发展的重大课题。

“十四五”规划提出坚持新发展理念、实现生产生活方式绿色转型的主要目标,以及降低能源消耗和经营成本等约束性指标。因此在多种制式的移动通信网络与其高能耗长期并存的现状下,应因地制宜,在节能减排、资源循环利用等方面制定负面清单和具体对策,网间协作节能降本,寻求最佳平衡点并稳中有降,实现移动网络高质量发展与节能降本双赢。

 

节能降本需求分析,移网发展与成本的矛盾

“十四五”时期,将推进新型基础设施建设,加快5G网络规模化部署,用户普及率提高到56%,推广升级千兆光纤网络。5G引领“新基建”,发展以5G为代表的“新基建”,将成为我国建设制造强国与网络强国的助推器。

共建共享为网络发展提速。201999日,中国联通与中国电信签署《5G网络共建共享框架合作协议书》。2020520日,中国移动与中国广电签署5G共建共享合作框架协议。2020520日,工信部、国资委联合发布《关于推进电信基础设施共建共享支撑5G网络加快建设发展的实施意见》,明确要求以深入推进5G共建共享为重点,强化统筹集约建设和存量资源共享,继续推进杆路、管道等传输资源共建共享;同时还特别强调推进跨行业共建共享,积极探索各种形式的共建共享需求。

随着“新基建”和“共建共享”按下加速键,以及5G网络建设的规模扩张和不断深入,未来5G基站数量将是4G1.52倍,而5G基站的建设成本高于4G基站,再加上5G基站运行能耗高的这一现状,实在是“烧钱”没商量。不仅如此,5G的融合应用和行业应用尚在探索试点阶段,市场渗透不足。目前,对于运营商而言,同时面临5G高投资运营成本和5G低营收,发展与成本的矛盾突出,5G的高能耗甚至成为了制约5G基站建设的首要原因,移动网络亟待降本增效。

5G网络高耗能分析

相较于4G5G基站的功耗明显上升。中国通信标准化协会的数据显示,目前主要运营商的5G基站主设备空载功耗约2.2kW2.3kW,满载功耗约3.7kW3.9kW,是4G单站的3倍左右。如图1所示,5G基站功耗可以分为AAUBBU两大部分,AAU的功耗约占整机功耗的90%,是基站功耗的主要组成部分。AAU的功耗按照功能模块可分为功放、小信号、数字中频和电源功耗。功耗随着业务负载的变化而变化,各功能模块的功耗比例也随之发生变化。在满载条件下,功放的功耗占比最高,约58%;在空载条件下,数字中频部分的功耗占比最高,约46%

 

 

1 5G基站功耗开销比例

 

由于5G4G传输速率大、天线数量多,功耗也随之增大。其中,射频单元能耗高,主要原因是5G小区带宽是4G5倍以上,收发通道数从原来的8通道变为32通道和64通道,并从传统的2流变为16流甚至更高,发射功率也从100W以上变为200W及以上。射频单元功耗增加显著,同时通道数多也带来基带计算量的增加,功耗也会上升,导致总功耗增加。

相比于4G,由于5G采用的是更高的频率,单站覆盖的范围更小,要实现更好更全的覆盖,就需要更密更多的基站。同时,5G的带宽增长了10倍,虽然能源效率提高了,但要实现这么大的数据流量,基站耗能还是会成倍增长。虽然一个小基站的能耗远低于一个传统的宏基站,但是要完成对一片区域的连续覆盖,就需要较大数量的5G小基站。据业界预测,5G基站数量最终将是4G基站的1.52倍。

当前,移动通信基站的机房均为全封闭机房,机房内的电源设备、发射设备、传输设备等都是较大的发热体。机房一定的工作环境温度主要靠空调来实现,为保障设备在恒温下运行,不因温度过高而宕机,制冷系统就要不间断地为基站降温,这也是导致运营成本居高不下的重要原因之一。基站自从诞生以来,基本上一直采用传统的空调制冷方式,且占据了基站总能耗的30%40%

综上所述,在5G通信系统中,基站可谓是“能耗大户”,大约80%的能耗来自于基站。相较于4G网络,5G不仅功耗提升了3倍以上,并且由于覆盖范围的减少,5G基站的数量又成倍增加,再加上配套机房设施制冷方面不可避免的耗能,总体上导致了5G高耗能的局面。

移动网络能耗分析

随着网络规模的不断扩大,各种制式的移动通信设备不断增加,为保障设备的不间断运行,电力等能源需求也日益增长。电力消耗在通信运营企业能源消耗中占很大比例。移动网络节能落到实处就是组成网络的每一个站点的节能,为进一步了解站点的能耗组成,如图2所示,根据对站点成本的综合分析,主设备、配套、电费的成本占比大,三者的降本是重点;而在电费方面,主设备和空调能耗占比高,二者的节能是关键。

 

2 站点成本和电费的组成

 

移动通信网络节能降本方式探索 网络优化精简

根据网络分布及业务量情况,对移网设备进行合理的优化调整,精细化地精简网络和网络设备。2020年,本地2G移网全部的BSCBTS已完成退网。在3G网络优化精简时,结合3G用户分布分析,避开3G用户常驻区,因时制宜,减设备、减频、减小区、减站、减RNC多措并举,实现全网单频,逐步退网。此举既节能降本,又降低铁塔租赁成本和运营成本,详见表1、表2

 

1 3G精简措施

 

 

2 3G网络设备功耗表

 

3G网络方面,2021年一季度评估可以节能的数量:东莞联通可下电807TX板、1615Rax板、52个放大器、151DU。与4G同站址且VoLTE话务占比超过95%3G站可退网94站,周边130米内存在4G宏站的单3G低业务站可退网17站,同站址的低配置3G逻辑站可退网6站。根据设备功耗,仅完成一季度评估可以节能的数量,即可带来可观的节能效应。

4G网络方面,根据对现网历史数据的分析,参照4G初期终端普及率的趋势预测5G终端普及率趋势,以业务模型驱动的业务量上升值与5G分流4G的业务量增量相比较,预测在20218月出现4G流量拐点,到时可以着手探索4G网络的优化精简。

5G网络方面,中国电信与中国联通已在全国范围开展5G共建共享一年多,有的地市作为共享方在共建共享合作之前就已经自建了小部分5G站点,其中存在与承建方已建站点同址或近址的情况,双方联合评审可以考虑将各自5G同址或近址的站点进行撤并,保留一方的站点,另一方的站点进行下电和拆站、拆旧设备资源再利用。

 

共建共享

频谱共享是缓解未来频谱供需矛盾的重要措施,是提高频谱利用率、避免资源浪费的有效途径,是符合未来频谱管理创新和频谱资源精细化管理的趋势。中国电信和中国联通在1.8GHz2.1GHz3.5GHz三个频段的频率资源比邻,双方积极参与频谱共享,加大统筹规划和技术交流,全面评估共享效果并制定合理共享方案,积极推行频谱共享研究与应用,提升频谱资源利用率,可最大化满足快速增长的用频需求。

2020年中国联通与中国电信在全国范围开展了5G共建共享和低业务区4G共建共享,提升了网络能力和网络效能。2021年双方进一步加强深度共建共享,继续采用MOCN方式,围绕降本增效,提升覆盖和感知,加大共享和并网力度。4G5G协同,加强2.1GHz重耕区域的站址合并,通过1.8GHz4G共享和5G的分流,卸载2.1GHz负荷,在保障4G感知前提下,2.1GHz应能清尽清,优先清退40MHz,其次清退20 MHz,腾退2.1GHz频率,为重耕5G奠定基础。4G共享以共享载波为主,严禁新购独立载波,如确实需要2.1GHz独立载波,由集团进行全国统筹调配。现阶段开展3.5GHz2.1GHz1.8GHz的共享,后续双方协商开展800MHz900MHz4G共享试点,为低业务区全面关停1.8GHz奠定基础。4G共建共享方案、应用场景、实施要求见表3

 

3 4G共建共享方案、应用场景、实施要求

 

双方统一频率规划,加强站址重构,退掉次优站址,同时整合天面,腾退次优天面。采用共享建设方式,可减少主设备及空调电源等配套设施投资,降低主设备和配套的能耗,采用铁塔公司统一建设、运营商共享的方式,运营商之间开展机房配套资源、天面资源、传输资源、管道及纤芯资源、基站主设备资源、频谱资源的共建共享,联动全面资源共享和复用,节省建设投资、减少资源浪费,实现节能降本。

 

极简站点

通过增补少量BBU框、UPEU电源板、DCDU,采购一站式室外刀片电源(8kW-12kW)、ODFSDHOTN 等室外设备和双模License, 实现BBU共框和RRU共模,实现“铁塔+无机房”的极简站点。

极简站点可节省机房和铁塔的经营性租赁费,节省主设备和空调的能耗,节省设备维护和协同优化的运行维护费,并可降低旧设备故障率、提升可靠性,在能耗、租赁、运维等方面多维度节省运营成本。极简站点改造如图3所示。

 

3 极简站点改造

 

5G移频MIMO室分系统

数字化室分系统端到端有源、后期电费高,与传统室分相比,数字化室分系统的工程投资高、能耗比高。推广应用5G移频MIMO室分系统可以直接利旧大量的存量室分资源,可以有效地推进室内环境的5G网络建设进度、节省5G建设投资和运营电费支出,实现节能降本。

5G移频MIMO室分系统开通后,楼层遍历5G现场测试,平均RSRP-75.09dBm,平均SINR-25.7dB,无线覆盖率为100%,上传PDCP层平均速率为98.54Mbps,下载PDCP层平均速率为510.96Mbit/s5G的覆盖、质量、速率均能有效满足用户的业务体验需求和感知要求。

 

5G移频MIMO室分系统是在原室分系统基础上进行改造,通过移频管理单元(FSMU)将5G信号变频为800MHz2700MHz频段信号,然后与2G/3G/4G射频信号进行合路,输出至无源室内分布系统;移频覆盖单元(FSRU)接收无源室分系统内变频信号,经过滤波、放大、变频后恢复至5G信号,5G信号与2G/3G/4G信号同时输出,达到利旧原有室分天馈系统,在单根馈线上实现5G信号2×2MIMO覆盖的目的,如图4所示。

 

4 5G移频MIMO室分系统

 

5G智能节能

单小区操作的符号关断、射频通道关断、深度休眠,不会影响5G用户的正常通信体验,5G用户权益不会因此受到侵害。5G基站射频单元设备深度休眠功能是在业务闲时时段开启,即在深夜凌晨开启,实现5G网络功耗智能化管理。在5G基站射频单元设备深度休眠功能开启后,运营商会保留至少一张打底网,当有用户业务发生时,打底网承载用户正常业务。更重要的是,5G基站射频单元设备进入深度休眠状态后,当5G业务量增加时,AAU设备可以通过网管平台进行唤醒,只需510分钟即可提供5G服务。

针对多小区操作的载波关断、人工智能节能技术,在提高节能效率的同时可满足一定的网络性能,实现节能与网络性能灵活可控。5G基站智能节能如图5所示。

 

5 5G基站智能节能

 

实测结果显示,符号关断可实现降本10%以上,深度休眠期间可实现平均降本60%以上,符号关断叠加深度休眠后全天可实现降本30%以上,且在节能期间网络各项性能保持稳定。据测算,C-RAN可节省整站功耗5%左右。

5G网络建设中,推广C-RAN组网方式,通过BBU基带资源池共享,节省硬件板卡配置,实现节能降本。在保障5G无线性能基础上,根据网络各时段特点、小区负荷、业务需求动态调整,实施网络级的基础型和增强型节能降本技术,开展多网络协同智能平台建设,基于业务动态变化特征,对相关设备的功能、模块和开关等进行自适应控制,智能节能降本。

针对未来网络超密集部署引起的日益增长的能量消耗,绿色节能问题日益突出,网络的能量效率也成为网络资源管理的重要指标。节能降本是降低未来运营成本的重要措施,是提高资源利用率、避免资源浪费的有效途径。效益优先、提质量、保感知、网业协同、多措并举,推行全网的节能降本是资源精细化管理的趋势,积极推行节能降本的探索与应用,具有重要意义。

 
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