刘晏然
(安百拓(南京)建筑矿山设备有限公司,江苏 南京 210000)
移动通信基站运转消耗大量电能,基站的节能降耗问题长期困扰通信运营商,随着5G 时代的到来,该问题日益突出。据测算,5G 基站密度更大,且能耗是4G 基站的3 倍左右[1],5G 网络的基站经营成本将大幅提高,通信运营商均在寻求多种途径推动基站节能降耗。
其中,电池管理系统(BMS)是一种能够有效辅助基站节能降耗的物联网技术手段,也逐渐成为基站建设的主要配套设施。基站BMS 监控机房内的空调及多种设备的工作状态、温湿度及电池的电压\电流等数据,结合峰谷平周期及电费等参量,通过人工智能算法生成最优化的电池调度策略,可有效降低基站的电费支出[2]。
5G 基站密度更大,挂载的设备种类和数量更多,同时,近年来基于云计算技术的分布式基站BMS 发展迅速,通过大范围的基站规模化智能协同工作可进一步降耗[3],这就需要基站BMS 的承载能力及与不同类型终端快速适配能力更强。而目前多数BMS 系统为封闭或半封闭状态,不同厂家之间的终端类型、通信协议和数据存储格式难以统一标准,单个系统的承载和可扩容能力有限,当终端数量和类型出现爆发式增长时,系统扩容升级成本急剧增加,该问题随着5G 基站的规模建设日益突出。
物联网使能平台可承载海量物联网终端接入,并向开发者提供IaaS、PaaS 等多个层面的服务,还支持多种开发方式和开发工具,可助力物联网应用快速构建和高效运营,能够有效解决上述问题,逐渐成为市场上新兴的信息基础设施,各大通信运营商及互联网头部企业、创新型企业均推出了此类平台。国内市场影响力较大的有亚马逊IoT、阿里Link、中国电信的CTWing 和中国移动的OneNet等;国际市场中,AT&T 和爱立信推出了SEP 平台,德国电信发布了Cumulocity 服务物联网和智慧城市,SK Telecom 与DaliWorks 联合推出了ThingPlug,提供物联公共服务。Verizon 自主研发了ThingSpace 平台来简化物联网应用的开发部署。
采用运营商的物联网使能平台,并研究基于该平台构建通信基站BMS 的技术路径和系统结构,开发了一套适用于基站蓄电池管理的BMS 系统用于实际项目,并对比了采用物联网使能平台开发BMS与传统开发模式之间的差异。
物联网使能平台可提供以数据存储和应用开发为基础的PaaS 服务能力,能够有效降低物联网应用开发难度,缩短应用开发时间,降低应用开发、测试和运行整体成本[4],并可增加系统整合敏捷度。同时能够基于云基础设施实现物联网应用占用资源的弹性伸缩、动态调度、优化资源利用率[5]。
物联网使能平台具备的关键能力,见表1。
物联网使能平台发挥了终端与应用系统之间的中间件作用,实现了终端与应用的解耦,文中通过平台提供的SDK 进行终端与平台的对接,并采用平台标准化接口开发应用系统,实现了基站BMS 系统,系统整体结构如图1 所示。
图1 基于物联网使能平台的基站BMS 结构图
2.2.1 终端对接
物联网使能平台针对常见的通信协议,提供了相应的终端开发SDK,文中的物联网终端主要采用LWM2M、ModBus 两种协议进行对接,其中空调、温湿度监控以及消防监控、门禁等终端产生的数据量较小,数据上报频率低且时延不敏感,可通过窄带NB-IoT 网络上报数据。供电监控、天线监控等终端数据实时性要求较高,采用串口通信并通过以太网与平台进行对接,见表2。
表2 基站BMS 常见终端通信方式及协议
2.2.2 应用开发
采用物联网使能平台开放的标准API 进行终端数据的获取,工作指令的下发等操作,并基于平台提供的地图、AI、数据分析等API 实现应用的功能。应用系统使用Java 语言开发,包括后端Web 服务,前端Web 用户界面以及手机App 应用等。
2.2.3 系统部署
应用系统采用物联网使能平台提供的托管服务进行部署,运行在平台提供的云容器内,通过平台提供的工具,能够较快速实现应用程序包上传、部署、运行并实时监控应用的工作状态。
2.2.4 模式比较
基于物联网使能平台进行基站BMS 的搭建,由于平台提供了标准化的接口进行终端适配,并提供终端模拟工具辅助应用系统开发,因此终端的适配和应用系统的开发可以同步进行。在终端与平台适配后,即在平台中自动进行数字化建模,形成终端物模型,复合物模型的同类型终端接入平台不需要重复联调即可正常工作,开发效率得到提升。当升级系统功能时,仅需将相关的接口以及物模型的参数进行调整,即可快速迭代功能。
在应用系统的部署方面,使用了物联网使能平台提供的云化容器,可实时监控应用的工作状态,并可根据应用系统的负载需要,动态化调整占用的云资源,平台可进行全天候的应用系统智能化托管,系统的整体运维时间和人工成本大幅降低。
在开发人工智能等技术门槛较高的功能方面,物联网使能平台提供了标准化能力接口,经过样本训练,可辅助BMS 应用系统在较短时间内形成智能化工作机制,根据基站工作的时空分布差异和网络负荷变化,采用智能化的调度策略,尽可能降低能耗成本[6],(见表3)。
表3 两种BMS 开发模式对比
某大型电池商采用基于物联网使能平台开发的BMS 用于基站合同能源管理,如图2 所示。第一步根据商用模型,选择小批量基站试点运行,通过样本训练系统,逐步优化用电峰段、谷段的充放电切换阈值、蓄电池组的放电深度等方案,基于峰谷电价智能化调节降低电费;并可通过智能化调节基站空调的运转模式,进一步降低基站的能耗。预计该基站BMS 系统需接入全国范围内约11.54 万座基站的数据,考虑冗余量,模拟了20 万个基站接入BMS 的压力测试,系统可依托物联网使能平台动态扩容,运行良好。
图2 基站机房电池监控效果
物联网使能平台将物联网开发过程中常见的比较烦琐、机械重复但又非常耗费开发成本的一些操作(如设备管理和数据处理)等进行了提炼和封装,形成了通用性的服务能力,开发者可以使用这些能力高效地实现设备的适配、管理以及数据的清洗、流转、存储等动作,可有效降低开发难度。
基于物联网使能平台进行通信基站BMS 开发,经实测,开发周期从平均约90d 缩短到了约60d,时间成本降低了约30%。同时,基于物联网使能平台的通信基站BMS 在运行时,系统开销可根据终端数量动态伸缩,接入的基站数量大规模增加时仅需应用层进行数据的配置,无需额外的开发工作,系统的运行成本大幅降低,基于物联网使能平台进行通信基站BMS 的开发,是一种较为经济的物联网系统开发模式。