5G基站能耗監控解決方案

摘要：隨著5G時代的到來,通信業務種類和終端連接數呈爆發式增長,通信行業節能降耗面臨著挑戰。相比于已商用的4G技術,5G需要支持更大的帶寬,更多的通道數以滿足ITU提出的性能需求,但這也導致了5G能耗的顯著增加.基站節能技術是通過在時和頻域上關閉相應的發射資源來實現基站能耗的降低,為了避免節能技術對網絡覆蓋和用戶體驗的影響,在網絡運營過程中需要尋找節能效果和網絡性能間的相互平衡。本文提供了一套從監測到管控用能的解決方案，可以良好的解決基站用能過高問題。

關鍵詞：5G基站；基站能耗管理；能耗監控；

1  5G基站建設現狀

目前，國內已建成超71.8萬個5G基站，5G終端連接數超過了2億，運營商5G的投資也超過了幾千億，已經基本將5G網絡覆蓋到國內所有的地級以上城市，獨立組網模式正實現規模部署，還將充分發揮網絡切片等技術優勢提供大寬帶、低延時等方面的服務。

疫情為國民經濟摁下了暫停鍵，如果要實現盡快恢復，需要采取措施。基建有助于擴大需求、穩增長、穩就業。防疫期間，全民隔離讓全社會對數字技術的需求集中井噴。幾億人在線辦公，國內所有學生在線上課，還有幾乎所有的生活物資的交易，都是在網上實現的。在現實世界停擺的時候，數字世界建立了一套支撐現實世界的新“循環系統”。

有了云計算的支撐，大數據支撐的科學決策、各種算法支撐的人工智能，智聯網支撐的萬物互聯，以及在線才有擁有可能。由此，支撐了疫情期間的社會治理、資源調配，科學決策，組織協同。

 在消費領域，5G+超高清、5G+AR/VR等技術應用非常廣泛，如游戲娛樂、賽事直播、居住服務等新技術應用仍在探索和實踐中。諸如教育、醫療應用等，可基于5G+人工智能+大數據技術下，以提供相應服務。此外，這兩年的“5G+工業互聯網”的發展也是非常迅猛的，國內在建項目超過了1100個，有很多非常好的應用場景得以實現，

2  5G基站用能情況

5G基站能耗是4G的3~5倍，單個5G基站，在沒有用戶接入的情況下，每小時耗電達到2.1千瓦；目前全市5G用戶少，按每天7小時無用戶計算，單站每月空耗用電就達到440度，每年達到5300度，通過廠家網管僅能關閉基站發射單元，減少1/3的能耗；5G基站用電很大，需要及時觀察5G基站電流電壓變化。

有統計指出，每GB流量約消耗2千瓦時的電量，也就是說下載一部1GB的電影相當于2000瓦吹風機連續工作1小時。若按每度電1元計算，下載一部1GB的電影，運營商需支付2元電費，如今無限流量套餐流量上限動輒40GB，而可預見的5G資費只會降不會升，可想而知，隨著5G流量需求暴增，運營商的電費成本壓力越來越大。

而在移動通信網絡中，基站是耗電大戶，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。越加密集的基站意味著更高的能耗，這是5G網絡面臨的一大成本挑戰。

3  基站供電系統及用能分析

通常，基站的供電系統由市電引入，通過交流配電箱、開關電源轉換為-48V直流后連接到基站設備，基站設備再通過饋線/光纖連接到鐵塔上的天線。

基站設備的內部結構主要包含：BBU、射頻（RF）單元、功率放大器（PA）、主電源、天線接口、扇熱系統等，其中BBU包含控制單元、傳輸單元和基帶處理單元等，主要負責信號濾波、OFDM、調制解調、頻域處理（符號映射/解映射和MIMO均衡等）、CPRI、DPD（數字預失真處理）等功能。

根據以上結構，可以基站功耗分為三大類型：傳輸功耗、計算功耗和額外功耗。

傳輸功耗：指功率放大器（PA）和射頻（RF）部分所消耗的電量，其主要執行基帶信號與無線信號之間的信號轉換，饋電線的功耗包括在傳輸功耗之內。

計算功耗：指BBU消耗的電量，包括數字部分處理、管理和控制、與核心網和其他基站間通信等相關功耗。

額外功耗：指從市電引入到基站直流供電的整個轉換過程中的額外損失的電量，也包括機房空調、制冷設備所消耗的電量。

對于傳統2G3G4G基站，由于基站的計算能力較小，通常傳輸功耗大于計算功耗，即BBU功耗小于PA和RF部分功耗，因此傳統基站提升能效的辦法主要集中在減少傳輸功耗，比如我們在閑時關閉部分載頻和射頻部分來實現節能減排。但5G時代情況不一樣了。密集分布的小/微基站和Massive MIMO天線，是5G基站的兩大主要特征。一方面，Massive MIMO本身是以更高的計算成本為代價降低傳輸功耗；而小基站覆蓋范圍小，PA更低，也意味著傳輸功耗更低。另一方面，由于5G傳輸速率將成倍提升，5G基站將處理海量數據，且隨著5G業務的不斷發展，5G BBU的計算功耗將逐漸上升。

因此，在5G時代，基站的計算功耗將大幅提升超過傳輸功耗。5G基站計算功耗上升，帶來的不僅是耗電問題，還有扇熱問題；同時，隨著5G邊緣計算和高速本地緩存的發展，未來那些掛在城市燈桿上的小基站將執行越來越多的數據存儲和計算，這為5G部署提出了新的挑戰。

5  5G基站能耗監控解決方案

基站智慧用電云平臺通過對5G宏站和室分站點加裝交/直流智能監控設備、無線采集設備以及系統管理平臺，完成夜間無業務時段的下電操作，減少電能消耗，降低運營成本支出，以及提升通信設備供電線路狀態的實時監測保護功能；系統后臺對存儲的供電線路歷史電氣性能數據進行梳理、匯總、分析，找出故障原因，給出解決建議對策，減少后續同類故障的發生率，提升供電線路運維管控能力。

5.1 方案主要特點

5.1.1 人防+物防

儀表24小時不間斷監測，線路出現問題自動報警

維護檢修系統派單，狀態跟蹤，結果核查

5.1.2 數據融合分析

歷史數據保存便于問題排查

定點數據圖形化展示，通過走勢圖提供對未來情況的預測

5.1.3 遠程控制

針對每個基站的使用情況設定下電策略，根據現場情況對設備進行遠程操控

5.2 方案主要功能

5.2.1 首頁功能

• 地圖顯示對應基站的位置。包括基站的詳細信息和設備配置情況。
• 顯示本月基站的報警情況和處理情況

5.2.2 實時監控

• 顯示基站的設備詳情和設備在線失聯狀態
• 顯示具體設備的實時監測數據和歷史曲線供查詢
• 提供分合閘功能供用戶對儀表進行操作
• 提供參數設置功能，用戶能對儀表內置的報警值和保護開關等進行操作

5.2.3 隱患管理

5.2.4 設備啟停調節

對不同的基站設置不同的分合閘策略，下發周期可以按照年~月~周~日來進行選擇，提供下發命令的日志供用戶進行查詢。

5.2.5 設備信息管理

對設備可以設置對應的進線和出線關系，來對每一個基站的使用功率進行實時監測，可以分析基站的使用負載。從而可以分析不同區域的基站使用情況。

5.2.6 溫度控制管理

對各個基站的溫度進行設置，當溫度高于范圍內，會開啟空調，其實時間會關閉空調

6  能耗監控硬件設備選型

6.1 新建基站能耗監控選型

6.1.1交流基站配置

6.1.2 直流基站配置

6.2 改造基站能耗監控選型

6.2.1 交流基站配置

6.2.2 直流基站配置

7  案例分析

在廣州某區5G基站應用，此站點共部署3個華為AAU，單項供電；電源輸入240V，8.9A，實時功耗在2.1KW。遠程控制設備采用帶4G全網通物聯網電表，220V輸入，額定電流60A，功耗13KW，采用電信4G網絡遠程控制，每分鐘上報一次。

安裝后測試，可以正常遠程開閉，實時遠程監控用電情況。按每天關閉7小時（00:00-07:00），每月可節省14.17*30=425度電，相當于每月可節省510元電費（1.2元/度電）。

按照該地區共485個5G基站計算，則每月可節省485*510=24.735萬元。