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淺析5G基站智能節(jié)能的解決方案
閱讀：990 發(fā)布時間：2022-1-5
摘要：提出一種5G基站智能節(jié)能方案，用于降低5G基站設(shè)備能耗、節(jié)省5G網(wǎng)絡(luò)運營成本、實現(xiàn)移動通信行業(yè)節(jié)能減排。所提方案是基于人工智能技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)層面統(tǒng)一配置4G/5G基站節(jié)能策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)選定區(qū)域內(nèi)小區(qū)的歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基站業(yè)務(wù)負(fù)荷預(yù)測模型，并生成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略分別執(zhí)行各基站的節(jié)能任務(wù)。在節(jié)能任務(wù)執(zhí)行后，基站智能節(jié)能方案將根據(jù)區(qū)域內(nèi)反饋的節(jié)能效果、網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)變化、用戶感知質(zhì)量變化等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果。所提方案可對基站業(yè)務(wù)量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測及天候?qū)崟r監(jiān)控，并自動生成節(jié)能策略，實現(xiàn)基于多制式網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級智能節(jié)能，使節(jié)能策略能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化。
關(guān)鍵詞：移動通信基站; 霍爾傳感器; 電力儀表;節(jié)能方案;
0 引言
隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模逐年增加，通信設(shè)備對能源的需求與日俱增，移動通信網(wǎng)絡(luò)的能耗在運營商的運營成本(OPEX,Operating Expense)占比已高于15%。經(jīng)過5G試商用網(wǎng)絡(luò)的測試驗證，5G單站功耗是4G單站功耗的3～4倍，運營商面臨基站設(shè)備能耗大幅增加OPEX費用的運營壓力。當(dāng)通信行業(yè)邁入5G時代，通信設(shè)備的智能節(jié)能對降低5G網(wǎng)絡(luò)運營成本，實現(xiàn)通信行業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。
傳統(tǒng)的基站設(shè)備節(jié)能方案依賴于主設(shè)備廠家在硬件、軟件等產(chǎn)品設(shè)計和持續(xù)優(yōu)化能力。硬件方案，新設(shè)備可以通過使用新工藝、新材料、新設(shè)計等創(chuàng)新技術(shù)方案，實現(xiàn)降低設(shè)備硬件的基本能耗。軟件節(jié)能方案，通過智能符號關(guān)斷、休眠、通道關(guān)斷等軟件功能，在某些場景下實現(xiàn)降低基站能耗。硬件方案受限于器件、工藝的發(fā)展情況。軟件方案已支持單站的節(jié)能策略的配置，更需要綜合考慮節(jié)能策略。
隨著5G網(wǎng)絡(luò)智能化、云化架構(gòu)的發(fā)展趨勢，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)方案，5G網(wǎng)絡(luò)智能能耗管理可以實現(xiàn)節(jié)能策略智能化選擇、參數(shù)配置自動化、效果評估化，從而達(dá)到運行效率綜合節(jié)能效率的“雙優(yōu)目標(biāo)"。
1 5G基站能耗分析
為了滿足5G豐富的業(yè)務(wù)場景的要求，3GPP R15規(guī)范定義了NR新空口標(biāo)準(zhǔn)，對5G基站設(shè)備的硬件能力、軟件功能等都提出更高要求。例如，5G基站需要支持更大帶寬，在Sub 6 GHz頻段支持100 MHz帶寬，毫米波頻段支持400 MHz至800 MHz帶寬，大帶寬對軟件、硬件處理能力要求更高，5G基站的功耗需求也更大。
5G有源天線處理單元(AAU,Active Antenna Unit)與傳統(tǒng)的4G射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU,Radio Remote Unit)設(shè)備有很大差別，例如AAU內(nèi)部集成了天線陣列、支持高達(dá)64個射頻通道以及部分基帶功能等，這些使得AAU內(nèi)部在功放模塊、數(shù)字基帶、收發(fā)機(jī)等器件的功耗數(shù)值和功耗占比都有較大幅度增加。此外，AAU的功耗還要考慮時鐘模塊、電源模塊、濾波器等其它模塊增加的熱耗。根據(jù)5G基站功耗的測試數(shù)據(jù)分析，基站設(shè)備中AAU設(shè)備(64T64R AAU)在5G基站設(shè)備總能耗占比約90%，提高AAU的能效水平可降低單站總能耗。
基站設(shè)備功耗包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，如圖1所示。目前，5G基站設(shè)備基礎(chǔ)功耗平均占比58%，動態(tài)功耗平均占比42%?；镜撵o態(tài)功耗與基站設(shè)備硬件有關(guān)，可以通過硬件平臺升級來降低設(shè)備的基礎(chǔ)功耗?；净A(chǔ)功耗的降低手段包括基帶資源共享、器件動態(tài)關(guān)斷、AAU設(shè)備快速喚醒等硬件節(jié)能方案，主要依靠主設(shè)備廠家不斷演進(jìn)硬件工藝、提高集成度來完成。動態(tài)功耗(主要是AAU設(shè)備功耗)隨業(yè)務(wù)負(fù)荷波動，功耗變化與AAU設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷(業(yè)務(wù)量)變化相關(guān)，通過軟件功能優(yōu)化可提高動態(tài)能耗的利用率。軟件功能節(jié)能方式包括符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區(qū)休眠、電源管理等。本文主要從軟件節(jié)能方案角度出發(fā)，通過AI算法預(yù)測忙閑時段的業(yè)務(wù)量，智能化設(shè)定不同基站的節(jié)電時間、節(jié)電方式，控制空閑基站的耗電量。
2 基站智能節(jié)能方案
傳統(tǒng)的軟件節(jié)能方案主要依賴于話務(wù)統(tǒng)計經(jīng)驗，無法實現(xiàn)實時、跨網(wǎng)絡(luò)、靈活智能的節(jié)能管理天候跨網(wǎng)絡(luò)智能化節(jié)能，管理效率與節(jié)能小區(qū)數(shù)量成反比，管理難度高、節(jié)能效果欠佳。隨著計算機(jī)硬件性能大幅提升及AI技術(shù)的日益成熟，智能節(jié)能技術(shù)將解決節(jié)能方案的實現(xiàn)瓶頸，可通過在網(wǎng)管系統(tǒng)增加AI模塊用于智能節(jié)能控制，實現(xiàn)4G/5G多制式網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同，支持網(wǎng)絡(luò)區(qū)域級、單基站、單扇區(qū)不同顆粒度的智能節(jié)能，并且達(dá)到實時、靈活的基站能耗管理目標(biāo)。
基站智能節(jié)能方案主要通過自動采集4G/5G基站的業(yè)務(wù)量、性能數(shù)據(jù)、工參數(shù)據(jù)、運行指標(biāo)、告警數(shù)據(jù)、B域數(shù)據(jù)等，按場景、區(qū)域、基站性質(zhì)對基站進(jìn)行分級管理，利用AI算法對歷史業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過業(yè)務(wù)量模型對基站進(jìn)行業(yè)務(wù)預(yù)測，根據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)測結(jié)果為基站制定差異化的節(jié)能策略，自動生成節(jié)能任務(wù)通過指令下發(fā)基站，在業(yè)務(wù)空閑時實施符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、小區(qū)休眠、電源關(guān)斷等操作，在業(yè)務(wù)高峰時則自動將節(jié)能模式切換為正常模式，從而達(dá)到天候、跨廠家、多網(wǎng)協(xié)同的系統(tǒng)級節(jié)能效果。
2.1 數(shù)據(jù)采集與分析
數(shù)據(jù)采集需要按照基站業(yè)務(wù)過程、信令交換原則等，通過對接不同的數(shù)據(jù)來源庫，以一定粒度獲取需要的數(shù)據(jù)源，包括PM、MR、工參、基站配置等數(shù)據(jù)。然后，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取解析、關(guān)聯(lián)匯聚，將原始數(shù)據(jù)存儲到節(jié)能方案所需的數(shù)據(jù)庫表格中。另外，需要對數(shù)據(jù)的規(guī)模進(jìn)行探索分析，對不同規(guī)模的數(shù)據(jù)采取不同的存儲方式和處理工具。為了方便后續(xù)為基站節(jié)能提供支撐服務(wù)，需要通過各種技術(shù)手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織或分析，包括缺失數(shù)值的處理、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)降維等。
圖1 基站功耗分析示意圖
數(shù)據(jù)采集和分析的過程中需要建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和監(jiān)控體系。在數(shù)據(jù)采集之后，需對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，確定數(shù)據(jù)的可用性，以免因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題影響后續(xù)節(jié)能策略的分析。在數(shù)據(jù)處理的過程中需要監(jiān)控數(shù)據(jù)處理的步驟、時間等，避免因數(shù)據(jù)處理過程的中斷或錯誤導(dǎo)致后續(xù)節(jié)能分析的錯誤。
3 安科瑞5G基站電氣監(jiān)控云平臺概述
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(jiān)控設(shè)備、無線采集設(shè)備以及系統(tǒng)管理平臺，完成夜間無業(yè)務(wù)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(shè)備供電線路狀態(tài)的實時監(jiān)測保護(hù)功能；系統(tǒng)后臺對存儲的供電線路歷史電氣性能數(shù)據(jù)進(jìn)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(xù)同類故障的發(fā)生率，提升供電線路運維管控能力。
4 5G基站電氣監(jiān)控云平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
平臺架構(gòu)圖
5 5G基站電氣監(jiān)控云平臺功能
Acrel Cloud-6000 5G基站電氣監(jiān)控云平臺軟件人機(jī)界面友好，擁有數(shù)據(jù)匯總、系統(tǒng)體檢、分析報告、能耗統(tǒng)計、能耗報表等功能。
顯示基站的設(shè)備詳情和設(shè)備在線失聯(lián)狀態(tài)；
顯示具體設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史曲線供查詢；
提供分合閘功能供用戶對儀表進(jìn)行操作；
提供參數(shù)設(shè)置功能，用戶能對儀表內(nèi)置的報警值和保護(hù)開關(guān)等進(jìn)行操作。
對不同的基站設(shè)置不同的分合閘策略，下發(fā)周期可以按照年~月~周~日來進(jìn)行選擇，提供下發(fā)命令的日志供用戶進(jìn)行查詢。
對設(shè)備可以設(shè)置對應(yīng)的進(jìn)線和出線關(guān)系，來對每一個基站的使用功率進(jìn)行實時監(jiān)測，可以分析基站的使用負(fù)載。從而可以分析不同區(qū)域的基站使用情況。
對各個基站的溫度進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)溫度高于范圍內(nèi)，會開啟空調(diào)，其實時間會關(guān)閉空調(diào)。
6 產(chǎn)品選型及典型配置方案
6.1 設(shè)備概述
DTSD1352 - xSyD系列導(dǎo)軌式多回路電力儀表主要用于多個三相回路的全電參量測量可同時接入x個三相回路、y個單相回路的電流輸入?？芍苯踊蜷g接測量電壓電流、功率、功率因數(shù)、相角、不平衡度、諧波等參數(shù)。
具體功能如下：
●x路三相和y路單相回路全電參量測量，電流互感器外置；
●監(jiān)測各相電壓/電流、零序電流、頻率；
●監(jiān)測各相功率、總功率（有功、無功、視在）；
●監(jiān)測各相功率因數(shù)、總功率因數(shù)；
●監(jiān)測電壓/電流相角、電壓/電流不平衡度；
●監(jiān)測電壓、電流總諧波及2-31分次諧波；
●當(dāng)月和上月的電壓、電流、功率極值記錄；
●電流、功率需量和實時電流、實時功率需量；
●200條事件記錄，記錄DIDO的動作情況；
●支持過壓、過流、斷相、DI聯(lián)動等報警輸出；
●4時區(qū)14時段的費率設(shè)置；
●四象限電能，12個月復(fù)費率電能統(tǒng)計；
●31天四象限和復(fù)費率電能凍結(jié)，正反向電能計量；
●兩路無源開關(guān)量輸入、兩路開關(guān)量輸出、RS485通訊；兩路有源開關(guān)量輸入，用于識別油機(jī)和市電接入。
6.2 交流配置方案
6.3 安裝實例
6.4 產(chǎn)品選型
6.5 設(shè)備概述
AMC16-DETT 基站直流電能計量模塊主要是針對有共享需求，且開關(guān)電源無分用戶電量計量功能的基站而
設(shè)計的。儀表可進(jìn)行六個回路的直流電的計量，自帶電源給霍爾傳感器供電，同時可通過上位機(jī)軟件實現(xiàn)零漂校準(zhǔn)，具有遙測、遙信、遙調(diào)、實時電量計量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。直流電能計量模塊可計量三家運營商的直流用電量，提供基站節(jié)能詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，為直流配電設(shè)備提供可靠的分項計量解決方案。
模塊具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊接口,采用 YD/T1363.3-2014協(xié)議，符合中國鐵塔有限公司 Q/ZTT2205-2017《基站直流電能計量模塊技術(shù)要求》相關(guān)技術(shù)要求。
6.6 具體功能
●監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)時間、總電壓、輸出總電流、總功率、總電能、各分路電壓、各分路電流、各分路功率、各分路電能；LED指示燈顯示；RS485通訊
●計量：起動電流：額定電壓下，計量模塊的負(fù)載電流值在不超過電流1%時，模塊啟動潛動電流：當(dāng)計量模塊的電流線路中無電流，加于電壓線路上的電壓為額定值的85%～125%時，模塊計算器不應(yīng)有1個以上的數(shù)字變化；
●報警：直流電壓輸出過低告警、直流電壓輸出過高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計量支路錯誤告警、內(nèi)部程序錯誤告警、時鐘錯誤告警、存儲器故障告警、交流輸入停電告警；
●校時：支持廣播校時，可通過RS485通信接口對計量模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程校時；
●存儲：有歷史電能數(shù)據(jù)和歷史告警信息的存儲功能，內(nèi)存為2MB。
6.7 直流配置方案
7 結(jié)束語
安科瑞5G基站配電解決方案，通過上位機(jī)軟件實現(xiàn)零漂校準(zhǔn)，具有遙測、遙信、遙調(diào)、實時電量計量、供電質(zhì)量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。為基站節(jié)能提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，為直流、交流配電設(shè)備提供分項計量解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 李露,李福昌,曹亙,呂婷.5G基站智能節(jié)能方案研究.
[2] 孟一翔.移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版