5G基站配套节能技术研究

赵 涵，郭云峥，李 奥，高兴旺，何 茜

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

据工信部公开信息显示，截至2021年6月末，我国已建成5G基站96.1万个，占全球70%，5G连接数已超过3.65亿，占全球80%。下一步，我国还将继续大力推进5G、千兆网络等新一代信息通信基础设施建设。目前，经过通信主设备技术创新、网络建设架构优化调整，5G基站主设备的电能耗较建设初期下降了20%，但仍在一个较高的电能耗水平。在国家“双碳”战略大背景下，推动信息通信行业的节能降耗，尤其是降低5G基站能耗总体水平尤为重要，需要探讨如何进一步降低5G基站能耗。

1 5G基站能耗组成与现状

1.1 5G基站能耗组成

5G通信基站能耗包括电耗和油耗两部分，其中电能是通信基站的最主要用能方式，包括通信主设备能耗、配套设施能耗两部分。通信主设备能耗包含传输设备（PTN/SPN等）功耗、无线设备（AAU、BBU）功耗。其中无线设备功耗占比较大，根据主流厂家的设备情况，AAU的额定功耗为1 300 W，BBU的额定功耗为1 100 W，其中AAU功耗的增长是5G基站能耗增大的重要原因。5G基站主设备的能耗约占基站全部能耗总量的50%左右。

5G基站配套设施主要包括空调、电源、建筑围护等基础设施。空调系统能耗由室内冷负荷及空调实际能效决定，而室内冷负荷主要来源于围护结构热量、室内外换气热量、电源发热量和主设备发热量。据研究统计，空调系统的能耗量约占基站全部能耗总量的40%[1]。5G基站电源系统一般由交流供电系统、直流配电供电系统组成，其能耗主要源于供电架构、电源设备的自身损耗、线缆损耗等能量损失。据研究统计，基站电源系统的能耗约占基站全部能耗总量5%～10%[2]。

1.2 5G基站能耗现状

根据《中国移动碳达峰碳中和行动计划白皮书》披露，“十三五”期间，中国移动实施多项节能措施，累计节电近100亿kW·h，减少二氧化碳排放约630万t。据统计，2021年某运营商5G基站能耗总量占全部能耗总量的一半。

目前，信息通信行业已开展设备级节能、站点级节能、网络级节能3大技术领域研究，分先单站硬件、再单站软件、最终网络协同3个部署阶段降低基站功耗，但主要研究仍集中在通信主设备的节能上，尚未形成明确的配套设备节能解决思路[3]。中国移动目标“十四五”期间新增5G基站单站能耗较2020年下降20%。为全面推进5G基站的节能减碳，需要同时降低5G基站配套设备的能耗，加快研究5G基站配套设备节能技术方案、应用场景建议与路标要求。

2 5G基站配套节能技术介绍

5G基站配套设备的能耗主要来源于空调系统和电源系统的能耗，因此配套设备的节能技术和节能方案研究也主要围绕两方面进行。

2.1 空调系统节能技术

5G基站空调系统的节能主要考虑提高空调实际能效、避免冷量浪费等方面，目前比较成熟的空调系统节能技术主要有：机柜级制冷技术、自然冷源利用技术（热管技术与智能新风系统）、液冷技术等。

（1）机柜级制冷技术是将空调室内机模块化后集成于通信设备机柜上，将高功耗设备集中收容于机柜内，再对其进行精准封闭制冷，通过冷媒将柜内设备热量转移至机房外。可解决5G网络采用CRAN方式组网时，BBU集中安装造成的机房局部热点、空调制冷能耗居高不下、不同进出风类型设备无法共柜安装等问题。采用机柜级制冷技术改造后，柜内设备出风口温度最高不超过50 ℃，整站PUE由1.4降低至1.2。

（2）智能新风系统是将新风设备同空调联动，充分利用室外自然冷空气对基站机房环境进行降温，减少空调运行时间，从而实现节能。通信基站使用智能新风系统后，实际案例测算，可节省电量6 000～10 000 kW·h/台/年。

（3）热管技术包含重力热管技术和动力热管技术，动力热管包括气相动力热管和液相动力热管。重力热管技术是利用液体重力与气体浮力作为冷却设备中制冷剂流动的驱动力，在不开启压缩机的情况下实现制冷。气相动力热管技术是将驱动设备设置在气体管路上驱动制冷剂气体，构建气相动力热管循环；液相动力热管技术是将驱动设备设置在液体管路上驱动制冷剂液体，构建液相动力热管循环。采用热管技术全年平均PUE可控制在1.2以下。

（4）液冷技术包含冷板式、浸没式、喷淋式技术。冷板式液冷技术是将冷却水从特制的注水口流入，经过密闭的散热管流进主机，带走CPU、内存和硬盘等热量后再流出，采用冷板式液冷技术PUE可达到1.3～1.6。②浸没式液冷技术是将服务器泡在液体里，系统是由机柜和液冷机组成，机柜里采用特殊的工程液体为热传递介质，采用浸没式液冷技术PUE可达到1.05～1.2。③喷淋式液冷技术是直接将绝缘环保的液体冷却介质精准喷淋到服务器内部的发热器件或与其接触的散热器上，冷却液迅速吸收芯片热量并通过液冷系统传递到户外，采用喷淋式液冷技术PUE可达到1.05～1.2。

2.2 电源系统节能技术

5G基站电源系统节能技术主要从改变供电系统架构、降低设备自身损耗、线损、提高系统能效等多方面实现，主要包括基站一体化能源柜、自冷型电源技术、智能升压、智能开断、智能休眠、750V高压直流拉远供电、高效整流模块、第三代半导体技术、智能锂电、氢燃料电池、固态电池等节能技术。

（1）基站一体化能源柜主要由智能MIMO（多输入多输出）电源单元、智能锂电池单元和机柜组成，为基站通信设备提供安装空间和不间断供电，具备高密度、全面模块化、数字化、智能化等多重性能。与传统方案相比，建设周期缩短约90%，投资降低约30%，占地减少约60%，能效提升8%～17%。

（2）自冷型电源技术是一种采用48 V输出的小容量直流电源系统，采用无风扇自然散热结构设计，转换效率高，一体化设计，体积小，就近取电、供电，节省机房、空调，具有很好的节能、节地优势。采用自冷型电源技术日节电10 kWh以上。

（3）智能升压技术是通过电源系统本身或额外增加智能升压电源模块，调节DC/DC电路的控制脉冲，适当提高输出电压，获得需要的电压输出制式。通过智能升压，可以在不改变供电电缆线径的情况下，将传统-48 V直流拉远的供电距离提升100%～120%，同时降低线路损耗30%～50%[4]。

（4）智能开断技术是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器/继电器二次系统。其主要特点是由电力电子技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关。新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据。智能开断技术可降低设备功耗100%。

（5）智能休眠技术是开关电源根据负载电流大小，通过智能“软开关”技术，自动调整工作整流模块的数量，使部分模块处于休眠状态，把整流模块调整到最佳负载率下工作，降低系统的带载损耗和空载损耗，实现节能。通过启用智能休眠，节能效率提升约1%～2%。

（6）750 V高压直流拉远供电系统从稳定的交流电，经局端设备转换为直流电（750 V），远端设备将750 V转换为48 V进行供电。以远端总负载5 kW为例，与220 V的交流集中远供对比，200 m的线路损耗降低约4.3%，600 m线路损耗降低约30.6%，且可以实现2 000 m以上的拉远供电。

（7）氢燃料电池是把氢气和氧气的化学能直接转化为电能的一种质子交换膜燃料电池。氢燃料电池整个工作过程只产生了电能、水和少量的热量，基本无污染物产生。燃料电池发电效率高，约为50%。使用燃料电池作为备用电源，基站温度可设定在32 ℃或更高，节约大量的空调能耗。

2.3 绿色电力应用

绿色电力的应用可使5G基站实现电力清洁化、降低能耗，由于风力发电系统的寿命及可靠性相对较差，推荐利用太阳能资源，主要包含站点叠光、离网型太阳能供电系统[5]。

站点叠光是利用站点闲置的地面、屋顶等空间，新增光伏发电系统，利用太阳能绿色可再生能源进行发电，作为原有供电系统的补充，可以减少传统化石能源发电的资源消耗，减少二氧化碳排放。假设部署叠光站点地区日均光照有效时长为5 h，配置1 kW的太阳能板进行叠光，日节电量5 kW·h。

离网型太阳能供电系统是在光照资源较好的地区，利用太阳能资源，独立建设太阳能供电系统，为通信基站或机房进行供电，不并网。采用独立离网型太阳能供电系统方案，可实现100%节约市电。

3 基站配套节能技术应用推荐

按照各节能技术的特点、节能效果及成熟度，分场景、分时间推荐5G基站配套可应用的节能方案。

3.1 现阶段可应用节能技术

现阶段可规模应用的空调节能技术有机柜级制冷技术、智能新风技术、重力热管技术以及液相动力热管技术；可规模应用的电源节能技术有基站一体化能源柜、自冷型电源技术、智能升压、智能开断、智能休眠、高效整流模块、智能锂电、站点叠光以及离网型太阳能供电系统。各技术的应用场景如表1所示。

表1 现阶段可应用节能技术应用场景

3.2 未来可应用节能技术

未来可规模应用的空调节能技术有气相动力热管（气泵）技术、液冷技术；可规模应用的电源节能技术有750 V高压直流拉远供电、氢燃料电池、固态电池以及第三代半导体技术。各技术的应用场景如表2所示。

表2 未来可应用节能技术应用场景

4 结 论

2021年，我国提出“3060”双碳目标，在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和，5G基站作为能耗与碳排放的重要设施，其节能降耗需更加关注，需同时关注主设备、配套设备、建筑围护等多个环节，采用大数据、人工智能等技术，利用平台手段，多方面、多角度全面进行节能与降碳排放。