5G全生命周期网络节能研究双碳战略

2022-06-07 14:55:28   编辑:葛剑
导读通信世界网络新闻(CWW)双碳是指碳达到峰值和碳中和。目前,双碳和数字中国已经写入国家发展战略。在这种背景下,肩负两大使命的运营商面临着巨大的挑战,但机遇和挑战并存。

通信世界网络新闻(CWW)双碳是指碳达到峰值和碳中和。目前,双碳和数字中国已经写入国家发展战略。在这种背景下,肩负两大使命的运营商面临着巨大的挑战,但机遇和挑战并存。

作为新基础设施建设的重要组成部分,5g网络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建设正在全面展开并日益成熟,但5g设备的高能耗已成为运营商的主要痛点。5g设备的能耗达到4G设备的2~3倍。如此高的能耗不仅大大提高了运营商的运营成本,而且违背了实现双碳目标的国家战略。因此,在发展5g业务的同时,降低5g网络能耗已成为运营商的迫切需要。

本文从5G网络规划、建设、运营、评估和优化四个方面探讨了如何在发展5G业务的同时,更好地构建一个绿色、低碳、低能耗的5G网络,即研究如何以较低的能耗传输更多的数据。

5g网络规划需要融入绿色低碳概念。4G之前的站点规划流程是根据当前网络业务的相关数据预测新站点,然后评估备选站点的建设难度,最后确定站点,即根据业务驱动规划,实施规划,帮助业务发展模式滚动。该模型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忽视了运营商自身的利益。

进入5G时代,5G基站的功耗是4G的2~3倍。如果采用4G网络建设模式,运营商的运营成本,尤其是电费成本必然会大幅增加,这也与国家双碳发展战略背道而驰。

因此,有必要将绿色、低碳、低能耗的概念融入到5G网络规划中。在具体实施中,不仅要按照传统模式输出站点,还要建立一个能够实现绿色、低碳、低能耗的能源目标站点数据库。站点数据库不仅包括一般站点(如杆体、天面、机房、机柜站点),还包括可以建设绿色清洁能源(如风能、核能、水能、光能甚至氢能)的储备站点。绿色低碳5G站点是综合传统规划和能源目标网输出的5G站点,如图1所示。

与以前的网络相比,5g具有提供更高速度的能力。在规划过程中,它集成了绿色低碳能源目标网络,可以在规划层面实现以较低能耗传输更多数据的目标。

目前,在5G常用的建设模式中,无论是BBU+RRU+天线模式用于建设户外宏站,BBU+AAU模式,还是传统的BBU+RRU+分布式天线(泄漏电缆)用于室内建设,BBU+Rhub+PRU的新型数字化室分模式,都可以归结为基带端(BBU)+RRU)

基带端,即BBU端,优先部署BBU集中的5G网络。BBU集中不仅减少了基站之间信息交互的延迟,还降低了基站机房的租赁成本。同时也是降低能耗的有效途径,尤其是BBU集中在制冷能力趋于饱和的机房站点。

BBU集中优先考虑机柜中的集中部署。与机房内的BBU集中相比,机柜集中的方式不仅大大节省了运营商的租赁成本,而且是降低能耗的有效途径。BBU集中在机柜中可以降低能耗的原因是空调冷却器与设备密切接触;BBU集中在机房内。空调首先冷却机房内的气体,然后通过冷却气体冷却设备。机房的制冷效率不仅低,而且能耗高。

BBU集中有两种方式,一种是多站点多BBU集中,另一种是多站点一BBU集中。多站点一框BBU集中模式可以达到一个基带板同时带动多个5G站点的效果,不仅降低了5G基站之间的数据交互延迟,也有利于5G网络的进一步发展。此外,5G网络BBU数量的压缩也进一步降低了能耗。

5G射频终端通常采用AAU或RRU+天线的方式。为了降低能耗,应尽可能避免长距离供电,因为通过电缆进行长距离传输会增加不必要的能耗。向射频终端供电的单元应尽可能靠近RRU/AAU终端,优先考虑将RRU与供电单元集成在一起的供电方式,同时使用刀片储能模块作为备用;RRU/AAU提供次级刀片供电系统和刀片储能模块。

充分利用绿色清洁能源建设5G基站,可以大大降低能耗。在BBU端,风力发电+机柜集中部署BBU,风力发电+刀片电池根据站点所在的自然环境为AAU或RRU供电;对于太阳能资源丰富的地方,BBU或AAU/RRU应使用太阳能发电+储能供电。

同时,也可以采用绿色清洁能源供电模式。当不能提供足够的能源电源时,储能电池单元应能够快速供电,以确保5g基站的正常运行。5g网络采用绿色清洁能源供电,实现零碳排放。

5G网络运行节能方法优选运行中的5G网络主流节能方法有四种:符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠。

符号关断

符号是时域信息传输的基本单位,一直处于连续工作状态。当符号上没有数据承载时,5g基站继续发送符号将产生无效的能耗。如果在没有发送数据的符号上启动符号关闭功能,则可以降低能耗。

此外,如果符号上有数据发送,但符号携带的数据量非常少,在这种情况下,可以先聚合符号,即通过将符号上的数据集成到具有备用资源的符号中,使更多的符号处于空载状态,然后打开符号关闭功能,从而进一步降低能耗。具体原理如图2和图3所示。

通道关断

工作状态下的射频通道可以在空载或业务量较低时关闭,从而达到降低能耗的目的。这种方法的应用可能会减少设备的阵列增益和分配增益,从而对5g网络的质量产生一定的影响,特别是对于轻载下的用户。一旦启动通道关闭,线路可能会断开。因此,在启用该功能节能时,网络必须有载波或通道来承载迁移数据。只有这样,用户对5g网络的感知才不会受到影响。

通道关闭的原理如图4所示。S1的部分通道关闭后,S2的载波或通道可以承接原有业务,S1的其他载波或其他通道可以承接原有业务。

载波关断

当5g基站至少有两个载波时,如果载波承载业务量较低(一般监测PRB利用率),则可以启动载波关闭功能,并适当关闭一个或多个载波。载波关闭将影响5g的覆盖效果。与通道关闭类似,载波关闭有一个先决条件——当一个或多个载波关闭时,剩余载波可以接收原始载波承载业务。只有这样,用户的感知才不会下降。载波关闭按以下优先级启用:承载能力的高频载波关闭优先级最高,承载覆盖层的低频载波关闭优先级最低。这样做的意义在于有效保证业务迁移后的连续性,而不影响用户对5g网络的感知。载波关闭的原理如图5所示。

深度休眠

深度休眠是指RRU或AAU的硬件资源,除了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,所有其他功能模块都启用了关闭模式。虽然这种方法节能效果最好,但不能通过指令唤醒。特别是当突然的业务需求出现时,很容易导致用户感知的下降。

运行中5g网络开启节能模式的必要条件是触发节能门槛(一般跟踪PRB利用率、RRC连接数等KPI指标)和定位节能的精确时间窗口。只有准确预测这两个参数,用户对5g网络的感知才不会降低,同时确保网络的有效节能。这两个参数的准确确定一般可以通过人工智能算法来实现。在分析5g网络运营的业务数据的同时,可以预测时间、地点和方式,从而更有效地实现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网络评估优化是指在网络运行中,密切监控每个基站的运行,对于长期能耗高、业务承载能力不足的设备,如64通道AAU,考虑更换32通道AAU或低通道RRRU+天线模式,实现5G业务承载。

此外,对于早期5G网络建设的BBU端,尽量采用BBU集中的方式进行改造。如果是机房站,优先考虑BBU集中的机柜,多个集中的BBU通过公共基带板实现更高程度的集中。同时,如果运营中的5G站点满足条件,可以进一步改造为利用绿色清洁能源为基站设备供电,进一步降低能耗,5G网络更接近绿色低碳运行。

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、运营、评价和优化是基站设备整个生命周期的四个重要环节。本文详细分析了四个环节中的碳减少和消耗方法。未来,随着新技术、新、新新材料的逐步推广和使用,硬件设备的节能降耗效果将越来越明显,这不仅有利于运营商的可持续发展,而且对实现国家重大战略具有重要意义。

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