浅析5G基站智能节能的解决方案

摘要：提出一种5G基站智能节能方案，用于降低5G基站设备能耗、节省5G网络运营成本、实现移动通信行业节能减排。所提方案是基于人工智能技术，从网络层面统一配置4G/5G基站节能策略，根据网络选定区域内小区的历史业务数据，构建基站业务负荷预测模型，并生成的网络节能策略，根据网络节能策略分别执行各基站的节能任务。在节能任务执行后，基站智能节能方案将根据区域内反馈的节能效果、网络KPI指标变化、用户感知质量变化等数据，进一步优化节能参数，提高网络节能效果。所提方案可对基站业务量进行准确预测及天候实时监控，并自动生成节能策略，实现基于多制式网络智能协同的网络区域级智能节能，使节能策略能够适应网络负荷变化。
 
关键词：移动通信基站; 霍尔传感器; 电力仪表;节能方案;
 
0 引言
　　随着移动通信网络建设规模逐年增加，通信设备对能源的需求与日俱增，移动通信网络的能耗在运营商的运营成本(OPEX,Operating Expense)占比已高于15%。经过5G试商用网络的测试验证，5G单站功耗是4G单站功耗的3～4倍，运营商面临基站设备能耗大幅增加OPEX费用的运营压力。当通信行业迈入5G时代，通信设备的智能节能对降低5G网络运营成本，实现通信行业节能减排目标具有重要意义。
　　传统的基站设备节能方案依赖于主设备厂家在硬件、软件等产品设计和持续优化能力。硬件方案，新设备可以通过使用新工艺、新材料、新设计等创新技术方案，实现降低设备硬件的基本能耗。软件节能方案，通过智能符号关断、休眠、通道关断等软件功能，在某些场景下实现降低基站能耗。硬件方案受限于器件、工艺的发展情况。软件方案已支持单站的节能策略的配置，更需要综合考虑节能策略。
　　随着5G网络智能化、云化架构的发展趋势，结合大数据技术、人工智能技术等技术方案，5G网络智能能耗管理可以实现节能策略智能化选择、参数配置自动化、效果评估化，从而达到运行效率综合节能效率的“双优目标”。
 
1 5G基站能耗分析
　　为了满足5G丰富的业务场景的要求，3GPP R15规范定义了NR新空口标准，对5G基站设备的硬件能力、软件功能等都提出更高要求。例如，5G基站需要支持更大带宽，在Sub 6 GHz频段支持100 MHz带宽，毫米波频段支持400 MHz至800 MHz带宽，大带宽对软件、硬件处理能力要求更高，5G基站的功耗需求也更大。
　　5G有源天线处理单元(AAU,Active Antenna Unit)与传统的4G射频拉远单元(RRU,Radio Remote Unit)设备有很大差别，例如AAU内部集成了天线阵列、支持高达64个射频通道以及部分基带功能等，这些使得AAU内部在功放模块、数字基带、收发机等器件的功耗数值和功耗占比都有较大幅度增加。此外，AAU的功耗还要考虑时钟模块、电源模块、滤波器等其它模块增加的热耗。根据5G基站功耗的测试数据分析，基站设备中AAU设备(64T64R AAU)在5G基站设备总能耗占比约90%，提高AAU的能效水平可降低单站总能耗。
　　基站设备功耗包括静态功耗和动态功耗，如图1所示。目前，5G基站设备基础功耗平均占比58%，动态功耗平均占比42%。基站的静态功耗与基站设备硬件有关，可以通过硬件平台升级来降低设备的基础功耗。基站基础功耗的降低手段包括基带资源共享、器件动态关断、AAU设备快速唤醒等硬件节能方案，主要依靠主设备厂家不断演进硬件工艺、提高集成度来完成。动态功耗(主要是AAU设备功耗)随业务负荷波动，功耗变化与AAU设备业务负荷(业务量)变化相关，通过软件功能优化可提高动态能耗的利用率。软件功能节能方式包括符号关断、通道关断、载波关断、小区休眠、电源管理等。本文主要从软件节能方案角度出发，通过AI算法预测忙闲时段的业务量，智能化设定不同基站的节电时间、节电方式，控制空闲基站的耗电量。
 
2 基站智能节能方案
　　传统的软件节能方案主要依赖于话务统计经验，无法实现实时、跨网络、灵活智能的节能管理天候跨网络智能化节能，管理效率与节能小区数量成反比，管理难度高、节能效果欠佳。随着计算机硬件性能大幅提升及AI技术的日益成熟，智能节能技术将解决节能方案的实现瓶颈，可通过在网管系统增加AI模块用于智能节能控制，实现4G/5G多制式网络智能协同，支持网络区域级、单基站、单扇区不同颗粒度的智能节能，并且达到实时、灵活的基站能耗管理目标。
　　基站智能节能方案主要通过自动采集4G/5G基站的业务量、性能数据、工参数据、运行指标、告警数据、B域数据等，按场景、区域、基站性质对基站进行分级管理，利用AI算法对历史业务量数据进行建模，通过业务量模型对基站进行业务预测，根据业务预测结果为基站制定差异化的节能策略，自动生成节能任务通过指令下发基站，在业务空闲时实施符号关断、通道关断、载波关断、小区休眠、电源关断等操作，在业务高峰时则自动将节能模式切换为正常模式，从而达到天候、跨厂家、多网协同的系统级节能效果。
　　2.1 数据采集与分析
　　数据采集需要按照基站业务过程、信令交换原则等，通过对接不同的数据来源库，以一定粒度获取需要的数据源，包括PM、MR、工参、基站配置等数据。然后，对获取的数据进行提取解析、关联汇聚，将原始数据存储到节能方案所需的数据库表格中。另外，需要对数据的规模进行探索分析，对不同规模的数据采取不同的存储方式和处理工具。为了方便后续为基站节能提供支撑服务，需要通过各种技术手段对数据进行组织或分析，包括缺失数值的处理、数据编码、数据标准化、数据降维等。

图1 基站功耗分析示意图
　　数据采集和分析的过程中需要建立数据质量评估和监控体系。在数据采集之后，需对数据质量进行评估，确定数据的可用性，以免因数据质量问题影响后续节能策略的分析。在数据处理的过程中需要监控数据处理的步骤、时间等，避免因数据处理过程的中断或错误导致后续节能分析的错误。
 
3 安科瑞5G基站电气监控云平台概述
　　基站智慧用电云平台通过对5G宏站和室分站点加装交/直流智能监控设备、无线采集设备以及系统管理平台，完成夜间无业务时段的下电操作，减少电能消耗，降低运营成本支出，以及提升通信设备供电线路状态的实时监测保护功能；系统后台对存储的供电线路历史电气性能数据进行梳理、汇总、分析，找出故障原因，给出解决建议对策，减少后续同类故障的发生率，提升供电线路运维管控能力。
 
4 5G基站电气监控云平台系统结构

平台架构图
5 5G基站电气监控云平台功能
　　Acrel Cloud-6000 5G基站电气监控云平台软件人机界面友好，拥有数据汇总、系统体检、分析报告、能耗统计、能耗报表等功能。

 
　　显示基站的设备详情和设备在线失联状态；
　　显示具体设备的实时监测数据和历史曲线供查询；
　　提供分合闸功能供用户对仪表进行操作；
　　提供参数设置功能，用户能对仪表内置的报警值和保护开关等进行操作。

 
　　对不同的基站设置不同的分合闸策略，下发周期可以按照年~月~周~日来进行选择，提供下发命令的日志供用户进行查询。

　　对设备可以设置对应的进线和出线关系，来对每一个基站的使用功率进行实时监测，可以分析基站的使用负载。从而可以分析不同区域的基站使用情况。

　　对各个基站的温度进行设置，当温度高于范围内，会开启空调，其实时间会关闭空调。
 
6 产品选型及典型配置方案


 
6.1 设备概述
　　DTSD1352 - xSyD系列导轨式多回路电力仪表主要用于多个三相回路的全电参量测量可同时接入x个三相回路、y个单相回路的电流输入。可直接或间接测量电压电流、功率、功率因数、相角、不平衡度、谐波等参数。
　　具体功能如下：
　　●x路三相和y路单相回路全电参量测量，电流互感器外置；
　　●监测各相电压/电流、零序电流、频率；
　　●监测各相功率、总功率（有功、无功、视在）；
　　●监测各相功率因数、总功率因数；
　　●监测电压/电流相角、电压/电流不平衡度；
　　●监测电压、电流总谐波及2-31分次谐波；
　　●当月和上月的电压、电流、功率极值记录；
　　●电流、功率需量和实时电流、实时功率需量；
　　●200条事件记录，记录DIDO的动作情况；
　　●支持过压、过流、断相、DI联动等报警输出；
　　●4时区14时段的费率设置；
　　●四象限电能，12个月复费率电能统计；
　　●31天四象限和复费率电能冻结，正反向电能计量；
　　●两路无源开关量输入、两路开关量输出、RS485通讯；两路有源开关量输入，用于识别油机和市电接入。
6.2 交流配置方案

 
6.3 安装实例

 
6.4 产品选型

 
6.5 设备概述
　　AMC16-DETT 基站直流电能计量模块主要是针对有共享需求，且开关电源无分用户电量计量功能的基站而
　　设计的。仪表可进行六个回路的直流电的计量，自带电源给霍尔传感器供电，同时可通过上位机软件实现零漂校准，具有遥测、遥信、遥调、实时电量计量、供电质量异常告警、信息存储及处理、信息交互等功能。直流电能计量模块可计量三家运营商的直流用电量，提供基站节能详细的数据依据，为直流配电设备提供可靠的分项计量解决方案。
　　模块具有工业标准的RS485通讯接口,采用 YD/T1363.3-2014协议，符合中国铁塔有限公司 Q/ZTT2205-2017《基站直流电能计量模块技术要求》相关技术要求。
6.6 具体功能
　　●监测设备系统时间、总电压、输出总电流、总功率、总电能、各分路电压、各分路电流、各分路功率、各分路电能；LED指示灯显示；RS485通讯
　　●计量：起动电流：额定电压下，计量模块的负载电流值在不超过电流1%时，模块启动潜动电流：当计量模块的电流线路中无电流，加于电压线路上的电压为额定值的85%～125%时，模块计算器不应有1个以上的数字变化；
　　●报警：直流电压输出过低告警、直流电压输出过高告警、一次下电告警、模块失压告警、计量支路错误告警、内部程序错误告警、时钟错误告警、存储器故障告警、交流输入停电告警；
　　●校时：支持广播校时，可通过RS485通信接口对计量模块进行远程校时；
　　●存储：有历史电能数据和历史告警信息的存储功能，内存为2MB。
6.7 直流配置方案

 
 
7 结束语
　　安科瑞5G基站配电解决方案，通过上位机软件实现零漂校准，具有遥测、遥信、遥调、实时电量计量、供电质量异常告警、信息存储及处理、信息交互等功能。为基站节能提供详细的数据依据，为直流、交流配电设备提供分项计量解决方案。
 
参考文献
[1] 李露,李福昌,曹亘,吕婷.5G基站智能节能方案研究.
[2] 孟一翔.移动通信基站节能减排技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
 
作者简介：
陈芳芳，女，现任职于安科瑞电电气股份限公司