绿色基站综合节能技术验证

董 欣，石 海，刘硕豪

（1.中国移动通信集团上海有限公司，上海200072；2.上海大学通信与信息工程学院，上海200072）

0 引 言

通信运营商作为服务型和能源消耗型企业，近年来节能减排的呼声高涨，而运营商能源消耗最大的环节，就是公用无线通信基站。中国移动仅在上海就有5 000多个物理基站，每年消耗的电量数以百万计。使用新的节能减排技术作为基站建设的设计导向，并对现有基站逐步改造优化，使之符合绿色环保基站的标准，无疑将大大减少公用通信基站的能源消耗。

本设计通过分析基站的总体能耗分布，有针对性地提出了一套绿色基站综合设计方案，并在运营商运行的基站上进行了试验。工程试验证明，各种新型节能技术有效减少了基站主设备能耗和环境控制能耗，绿色基站设计能耗与传统基站相比减少了40%以上。

1 综合节能技术

本工程试验计划运用的绿色基站综合设计方案主要包括3类新型节能减排技术：主设备集成化设计，用以减少机柜数量；分布式环境控制策略，用以减少空调耗电；载频及小区级软硬件节能功能，用以减少空闲时段设备功耗。

1.1 集成化设备

基站主设备可以简单的分为控制系统、载频模块、合路系统和天线系统。载频（TRX）的数量是体现网络容量的重要参照，目前大部分基站主设备单机柜的最大载频数量为12个，对用户需求较多的区域只能通过增加机柜数量来增载频容量，从而增加了运行成本和能源消耗。高集成度设计的新型设备大大提高了单机柜的容量和处理能力，主设备单机柜最大容量达到24个载频，新型双载频模块的能耗开销低于原来2块载频模块的能耗开销之和。

1.2 环境控制策略

本试验主要利用智能通风通过室内外空气交换进行自然冷却降温，以减少空调压缩机的开启时长。通过智能控制器，智能通风系统与基站原有空调机组可以联动，在室外温度低于30℃时，利用小功率风机替代大功率空调进行降温，而空调机组仅在设定温度值以上才开始工作；当智能通风系统出现故障时，系统会自动恢复机房空调运转，以保障基站室内温度稳定。智能通风系统的开启和关闭控制条件如表1所示。其中，T1为通风机组开机温度；T2为空调机组开机温度。

表1 智能通风系统的开启和关闭控制

1.3 软硬件功能实现节能

除了选用集成度更高的模块外，基站主设备还可以在用户接入需求较少的时段，将用户接入集中到某些特定的设备上，进而减少空闲设备的功率输出，甚至关闭空闲设备，来达到减少能耗的目的。

密集城区话务模型下昼间大话务量需大量载频支持，而到了夜间话务量又相对很低，话务负荷变化剧烈。基于负荷的载频关断技术通过对载频的时隙占用情况进行跟踪监控，当总体话务负荷较小时，通过调整移动用户的占用时隙将用户集中到部分载频上，进而关闭无时隙占用载频上的脉冲成型电路，从而减少载频功耗。

在载频的功耗中，功放部分（PA）占了总量的60%，其功率输出随用户占用时隙数量的增减而变化，用户占用时隙越多，功放部分的输出功率就越大；当时隙无业务占用时，功放部分虽然不用负担生成突发脉冲的能耗，但却仍然保持一定的电流输出，以维持类似待机状态，这种电流输出即静态功耗。PA关断技术的核心就是在无话务的情况下，关闭原来用于待机的静态功耗，以达到节能的目的。关断后，载频PA模块的功耗为零。

BCCH（广播控制信道）载频的节电功能的原理是降低BCCH广播载频上，除BCCH时隙外的其他信道时隙的发射功率。运用该技术的标准配置基站在低话务（每线话务量小于0.3erl）下，理论上每天可以节省约100Wh的电力。

TRP，即话务优先分配技术能将用户新的话务信道优先分配在BCCH载频上。由于BCCH载频无论是否有用户占用，其发射功率都维持在相对稳定的程度上，因此该策略不会给系统带来额外的耗电，相当于减少了TCH（话音信道）载频的时隙发射的耗电量。该技术可以与基于负荷的载频关断技术同时开启，并与BCCH载频节电策略兼容。

2 工程实验结果

运用上述各项基站节能技术，本设计在中国移动上海公司目前运行的公用无线通信基站网络中进行了工程试验。试验主要按照相关技术的工程实施标准，建设了一个采用上述节能技术的公用无线通信基站。通过对该基站电能消耗、无线参数指标和基站内外环境的监测，取得相关数据，并与邻近的一个环境条件相同的传统基站进行对比，以得到绿色基站节能技术的实际使用效果。

2.1 基站模型的选择

考虑到本次试验运用的各项节能减排技术，适宜本设计试验的基站应当尽可能地具备如下几个特征：

（1）基站主设备种类和数量，按标准公用无线通信基站设计要求配置，使基站整体能耗需求接近普通基站需求；

（2）机房外部环境尽可能处于自然空气流通的状态之下，以确保一般环境温度和昼夜温差符合自然规律；

（3）机房所处建筑供电系统稳定，备用供电系统负荷达到一般基站的统计平均水平；

（4）基站覆盖范围内的移动用户业务需求量达到一定水平，以确保相关数据对大部分其他基站同样有效；

（5）基站在昼间和夜间的移动用户业务需求量差距尽可能拉大，以最大程度地给予软硬件节能算法发挥的空间。

参考上述要求，本试验选择了多个基站分别试验各项节能技术，选取的基站主要集中在城乡结合部区域密集居民点附近。这些基站均位于建筑顶层天台，机房结构独立，温控设备有充分的安装空间和工作条件。天线海拔高度接近市区一般基站的平均高度，覆盖范围适中。由于地处城乡结合部，其覆盖范围内既有开阔地形，也有建筑密集、用户需求量较大的居民区，用户话务需求的时间特征明显。邻近周边有一处条件类似的传统基站，可以提供数据对比和试验评估。

2.2 试验结果评估

智能通风系统基站内通风机如图1。试验基站采用高集成度机架和双载频硬件设备。模块能耗测试和基站用电负荷测试表明，载频功放的效率提高了20%以上，功耗降低15%～30%。全站设备重量减少60%，在总的电力消耗方面仅相当于原基站主设备的50%～60%。

在本次试验中，智能通风系统的开机温度设定为27℃，空调机组的开机温度设定为32℃，系统于3月底投入运行，观察时段为4月至6月。试验发现，使用通风机组后空调开机时长明显减少，且具有极为明显的季节特征。4月至6月通风机组替代空调机组工作的时间逐步减少，由每天平均21.5个小时削减到每天5.5个小时左右。可以预见，在冬季室外气温极低的情况下，通风机组可以完全替代空调机组进行基站温度控制。根据历史维护资料，每年4月空调机组耗电量为每24小时90～95kWh。此次试验测得通风机组的实际用电负荷为每24小时12kWh左右，而空调机组平均耗电量仅为每24小时42kWh，节约环境控制能耗43%。

图1 智能通风系统基站内通风机

基于负荷的载频关断技术和基于时隙的PA关断技术是本次试验着重检测的两种节能软硬件功能。试验综合开启了两种功能，并对基站的载频能耗和网络性能指标数据进行了持续收集和跟踪。表2为单一小区载频设备开启节能功能后的耗电量对比。由表2可见，新功能节电效果显著。同时，在对话务量、掉话率、切换成功率、无线接通率、无线接入性等指标进行监控，并与邻近的传统基站数据机型对比后，并未发现应用软硬件节能功能的基站在网络性能指标方面受到不良影响。图2和图3分别给出了绿色基站与传统基站在话务负荷与掉话率指标的数据对比。由图可见，两者在掉话率基本相同的条件下，绿色基站承载的话务量将大于传统基站的话务量。

表2 软硬件功能节电效果

图2 绿色基站和邻近传统基站话务负荷对比

图3 绿色基站和邻近传统基站掉话率对比

3 结束语

本次试验证明了各项节能技术的可行性、有效性和可操作性。高集成度基站主设备设计、智能通风系统和软硬件节电功能的基本节能效率均可达到40%以上，且不会对用户使用造成不良影响。由于主设备集成化设计在一定程度上减少了基站本身的整体散热需求，从而降低了温控系统的负荷，有利于智能通风系统的工作。这几项技术在单一基站上综合运用的效果值得期待。

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［2］黄成龙，杨文鹏.移动通信基站节能控制的理论与实践［J］.西安工程大学学报，2008，22（2）：205－209.

［3］周 红，樊耀东.基站节能技术综合评估［J］.移动通信，2009，10（2）：92－94.