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Geega关注丨“双碳”战略下的5G全生命周期网络节能研究

2022-06-30 15:28:55

通信世界网消息(CWW)“双碳”即碳达峰和碳中和,目前“双碳”以及“数字中国”都已经写入国家发展战略。在此背景下,肩负两项重要使命的运营商面临着巨大挑战,但机遇与挑战并存。

5G网络作为新型基础设施建设的重要组成部分,不仅是运营商当前发展的主要任务,也是“数字中国”战略的重要载体。尽管5G建设如火如荼、日臻成熟,但5G设备的高能耗却成了运营商的主要痛点,5G设备的能耗达到4G设备的2~3倍,如此高的能耗不仅极大地增加了运营商的运营成本,也与实现“双碳”目标的国家战略相悖。因此,在发展5G业务的同时降低5G网络能耗,成为运营商的燃眉之急。

本文主要从5G网络规划、建设、运行、评估优化4个方面,探讨在发展5G业务的同时如何更好地打造一张绿色低碳、低能耗的5G网络,即研究如何用更低的能耗传输更多的数据。

5G网络规划需融入绿色低碳理念4G之前的站址规划流程是:以现网业务相关数据对新增站址进行预测,然后对备选站址的建设难易程度进行评估,最后确定站址,即按照业务驱动规划、落地的规划助力业务发展的模式滚动进行。这种模式的优点是以用户为中心,以业务发展为导向,缺点是这种不计成本的发展模式使运营商的自身利益被忽视。

进入5G时代,5G基站的功耗是4G的2~3倍,如果沿用4G的建网模式,运营商的运营成本特别是电费成本势必大幅增加,也与国家的“双碳”发展战略背道而驰。

因此,必需要将绿色低碳、低能耗的理念融入5G网络的规划中,具体执行时不仅要按照传统的模式输出站址,同时也要建立可以实现绿色低碳、低能耗的能源目标网站址库,该站址库不仅包括一般站址(如杆体、天面、机房、机柜站址),也要包含可建设绿色清洁能源(如风能、核能、水能、光能甚至氢能等)的储备站址。综合传统规划以及能源目标网输出的5G站址,才是绿色低碳的5G站址,如图1所示。

双碳

 

图1绿色低碳5G站址的生成

5G相比之前的网络具备提供更高速率的能力,在规划时将绿色低碳的能源目标网融入其中,可以在规划层面实现用更低的能耗传输更多数据的目标。

5G基站布放应配套建设绿色清洁能源目前在5G常用的建设模式中,无论是用于建设室外宏站的BBU+RRU+天线模式、BBU+AAU模式,还是用于室内建设的传统BBU+RRU+分布天线(泄漏电缆)、BBU+Rhub+PRRU新型数字化室分的模式,都可以归结为基带端(BBU)+射频端(AAU或者RRU)的建设模式。

基带端即BBU端,5G网络优先选择BBU集中的方式部署,BBU集中不仅减少了基站之间的信息交互时延,而且降低了基站机房的租赁成本,同时还是降低能耗的有效途径,尤其是针对机房制冷能力趋于饱和的站点进行BBU集中,这显得尤为重要。

BBU集中优先选择在机柜中集中部署,相比在机房进行BBU集中,机柜集中的方式不仅极大节省了运营商的租赁成本,也是实现更低能耗的有效途径。BBU集中于机柜可降能耗的原因在于——空调冷气近距离接触设备;而BBU集中于机房,空调首先对机房内的气体进行冷却,再通过降温后的气体对设备进行冷却,机房制冷效率不仅低,而且能耗也大。

BBU集中有两种方式,一种是以多站点多台BBU的方式集中,另一种是以多站点一台BBU的方式集中。多站一框的BBU集中方式,其集中程度可以达到一块基带板同时带动多个5G站点的效果,不仅使5G基站之间的数据交互时延更低,更有利于5G网络的进一步演进,而且5G网络BBU数量的压缩也带来了能耗的进一步降低。

5G的射频端通常采用AAU或者RRU+天线的方式,实现降低能耗要尽量避免长距离供电,因为通过线缆长距离传输会增加不必要的能耗。给射频端供电的单元要尽量靠近RRU/AAU端,优先选取将RRU和供电单元集成在一起的供电方式,同时采用刀片储能模块作为备电;次选刀片供电系统以及刀片储能模块为RRU/AAU供电。

充分利用绿色清洁能源建设5G基站能够大大降低能耗。在BBU端,可以根据站址所处自然环境,在风能资源较为充分的地方采用风力发电+机柜的方式集中部署BBU,采用风力发电+刀片电池的方式为AAU或者RRU供电;对于太阳能资源比较丰富的地方,宜采用太阳能发电+储能的方式为BBU或者AAU/RRU供电。

同时,还可以采用以绿色清洁能源为主的供电方式,在其无法提供足够能源动力的时候,储能电池单元要具备迅速供电的能力,以保障5G基站的正常运转。采用绿色清洁能源为5G网络供电,能够实现“零碳排放”。

5G网络运营节能方法优选运营中的5G网络主流的节能方法有符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠4种。

符号关断

符号在时域上是信息传输的基本单位,一直处于不间断工作状态,当符号上没有数据承载时,5G基站继续发送符号就会产生无效能耗。如果在没有发送数据的符号上启动符号关断功能,则可以实现降低能耗的目的。

另外,若符号上有数据发送,但是符号承载的数据量极少,针对这种情况可以先对符号进行聚合,即通过将该符号上的数据整合到有空余资源的符号上,使得有更多的符号处于空载状态,然后再开启符号关断功能,从而实现能耗的进一步降低。具体原理如图2和图3所示。

双碳符号聚合原理

图2 符号聚合原理

 

双碳符号聚合后关断

 

图3 符号聚合后关断

通道关断

处于工作状态的射频通道,在空载或者业务量较低时可以关断,从而实现降低能耗的目的。这种方式的应用可能会降低设备的阵列增益以及赋型增益,进而对5G网络的质量产生一定的影响,特别是轻载下的用户,一旦启动通道关断,可能出现掉线的情况。因此,启用该功能节能时,网络一定要有可以承载迁移数据的载波或者通道,只有这样才不至于影响用户对5G网络的感知。

通道关闭的原理如图4所示。S1的部分通道关闭后由S2的载波或者通道承接原有业务,实际也可以是S1的其它载波或者其它通道承接原有业务。

双碳通道关断

图4 通道关断

 

载波关断

当5G基站至少存在两个载波时,如果某个载波承载的业务量较低(一般监控PRB利用率),则可以启动载波关断功能,适当关闭一个或者多个载波。载波关断会影响5G的覆盖效果,与通道关闭相似,载波关断有一个前提条件——当一个或者多个载波关断后,剩余载波能够接收原来载波承载的业务,只有这样才不会引起用户感知的下降。载波关断按照以下优先级启用:用于承载容量的高频载波其关闭的优先级最高,用于承载覆盖层的低频载波其关闭优先级最低,这样做的意义是为有效保证业务迁移后的连续性,同时不至于影响用户对5G网络的感知。载波关断的原理如图5所示。

双碳关断原理

 

图5 载波关断原理

深度休眠

深度休眠指的是RRU或者AAU的硬件资源除保留最基本的光接口通信模块、时钟恢复单元、部分电源和控制逻辑外,其它功能模块全部启用关闭模式。该方式虽节能效果最佳,但无法通过指令唤醒。特别是突发业务需求出现时,极易造成用户感知的下降。

运营中的5G网络开启节能模式的必要条件是触发节能门限(一般跟踪PRB利用率以及RRC连接数等KPI指标)以及定位节能的精准时间窗口,只有精确地预测出这两个参数,才可以实现在保证网络有效节能的同时,用户对5G网络的感知不会降低。这两个参数的精准确定一般用AI算法就可实现,在对5G现网运营的业务数据进行大数据分析的同时进行预测,进而决定何时、何地、选用什么样的方式,可以更有效地实现5G网络的节能降耗。

根据5G网络评估数据优化基站节能模式5G网络评估优化指的是在网络运营中,密切监控各个基站的运行情况,针对能耗长期处于高位且业务承载不足的设备,替换为适合自己的设备,例如对于64通道的AAU如果发现速率瓦特比长期处于低位,则考虑替换为32通道AAU或者更低通道的RRU+天线的模式,实现5G业务的承载。

另外,针对早期5G网络建设的BBU端,尽可能采用BBU集中的方式进行改造。如果为机房站点则优先改为机柜进行BBU集中,多台已经集中的BBU通过共用基带板实现更高程度的集中。同时,运营中的5G站点如果条件具备,可以进一步改造为采用绿色清洁能源为基站设备供电,使得能耗进一步降低,5G网络更接近绿色低碳运营。

“双碳”和“数字中国”战略给运营商带来了前所未有的机遇和挑战。规划、建设、运行、评估优化是基站设备全生命周期的4个重要环节,本文详尽分析了4个环节中减碳降耗的方法。未来,随着新技术、新工艺、新材料的逐步推广使用,硬件设备节能降耗的效果将愈加明显,这样既有利于运营商的可持续发展,也对国家重大战略的实现具有重要意义。

 

注:文章转载来源:通信世界全媒体