铁路5G-R基站绿色化运行分析

张羽白，孙启民，张 驰

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 公网5G绿色发展概况

随着全球5G 通信系统的快速发展，如何保证5G 网络能耗适时可控是5G 可持续发展的关键。3GPP R18 希望通过标准定义的节能模式，帮助运营商实现全网统一的节能策略部署。下一代移动网络联盟也表示2022 年制定全球绿色网络行业标准，利用标准化的5G 优势推动全球绿色5G 可持续发展。

2019 年中国联通发布《5G 智能节能技术白皮书》、2020 年中国移动发布《5G 基站节能技术白皮书》，均以5G 基站节能需求为目标，从设备级、站点级、网络级3 个层面进行节能分析研究，提出相应的技术需求和应用场景建议。公网运营商5G 基站节能技术的总体目标为降低基站功耗，通过基站与配套设备的降耗、绿色新能源的试点推广应用及机房的整体温控策略，实现更加绿色、高效、可持续发展的5G 网络，满足5G 发展及网络运营要求。

国内通信设备厂家也针对5G 节能措施及可持续发展进行了相关研究。2020 年中兴通讯股份有限公司发布《Power Pilot 4G/5G 网络节能降耗技术白皮书》，着重分析在5G 网络与存量的 2G/3G/4G网络并存的情况下5G 网络节能措施，重点研究了话务负荷和网络容量之间的匹配方案，提出网络能耗和网络性能之间的匹配措施。2021 年华为发布《绿色5G 白皮书》，提出建立绿色能效评估体系推动绿色5G 网络发展的策略，分析影响网络能效的关键因素，从天线、设备以及分析硬件功耗与负载之间的曲线关系等措施实现绿色5G 的可持续发展。

2 铁路专用移动通信系统绿色化运行发展分析

目前铁路专用移动通信主要为GSM-R 系统，已广泛覆盖全国高速铁路、重载铁路、高原铁路、其他新建铁路及部分普速铁路，GSM-R 基站机房内主要耗电设备及碳排放因素包括以下几方面。

1）基站设备自身耗电。

2）机房配套设施耗电，包括空调、开关电源及其他配套设备，其中以空调的耗电量最大。由于传统机房内的温控措施主要依赖空调，没有新风系统以及其他制冷措施，且空调没有智能管控手段，导致空调一直处于满负荷工作状态。

3）外部供电主要依赖传统方式，新能源供电占比低。

中国国家铁路集团有限公司当前正在开展5G专用移动通信系统（5G-R）的技术研究工作。未来将逐步开展铁路5G-R 的规模建设，由于无线频率等因素，铁路5G-R 系统相比于GSM-R，将出现更小基站间距、更大基站数量、更高站点能耗以及更高的运营维护成本，研究切实可行的铁路5G-R 基站绿色化运行方案既是国家双碳政策的需要，也是推进铁路通信系统绿色可持续发展的需要。

推进铁路5G-R 基站绿色化运行应秉行保证铁路通信业务不受影响的情况下同时符合产业政策、可持续发展的原则。铁路通信业务为铁路行车指挥提供通信保障，具有同一线路不同小区话务量差异大，不同线路不同覆盖区域话务量差异大，室内场景话务量闲时长于室外场景，大型车站、办公楼话务量潮汐效应明显等特征。考虑到铁路线路的特殊性、业务多样性以及运行维护特点，推进铁路5G-R 基站绿色化运行可在借鉴公网绿色化发展策略的基础上结合铁路业务特性进行分析，重点从基站节能控制、新能源技术在基站领域应用以及基站机房空调智能管控、新风节能技术融合应用等方面进行研究。

2.1 基站节能控制技术

针对基站节能控制策略应在满足铁路应用业务服务质量指标要求的前提下，分析5G-R 基站业务量与功耗之间的关系，梳理5G-R 业务需求建立5G-R 基站业务负荷预测模型，从设备级、站点级和网络级3 个层面进行基站节能策略研究。

2.1.1 设备级节能控制

5G-R 基站设备能耗中占比较大的器件主要有功率放大器、数字中频模块、小信号模块和基带板，在满载情况下，这部分器件的功耗可以占到基站设备整体功耗的90%左右，设备级节能技术的研究主要聚焦于对以上部件的改进，如更高制程的芯片工艺，采用高集成度ASIC 芯片代替FPGA 芯片，用小型化氮化镓（GaN）功率放大器代替LDMOS 功率放大器等。

2.1.2 站点级节能控制

通过基站能耗分析并结合业务负荷预测模型进行软件节能控制，从而实现站点级的节能目标。主要措施包括符号关断、通道关断、载波关断、功放调压和深度休眠等。依据《铁路5G 专网业务和功能需求暂行规范》和《铁路5G 专用移动通信（5GR）系统总体技术暂行要求》，梳理5G-R 基站部署的典型场景，包括铁路区间场景、大型车站场景、大型货场场景等，分别分析这些典型场景的5G-R 部署特征、业务特征及业务服务质量需求等特征，分析节能技术对铁路不同应用场景的适应性。

2.1.3 网络级节能控制

网络级节能控制可通过采取相应技术手段降低站点密度，加大站距并提高系统覆盖效率，从而实现网络级能耗的降低。例如针对5G-R 基站密度大等问题，可通过采用智能超表面（RIS）技术针对特定弱场进行补强，从深度上拓宽覆盖区域；或采用透镜天线、钉状定向天线等技术提高天线的发射效率，从广度上拓宽覆盖区域。

2.2 基站新能源技术

在确保铁路安全运营的前提下，根据各类绿色能源的特性，结合铁路沿线基站机房的环境条件，研究新能源技术在基站领域的应用方案，通过新能源的利用减少传统用电，从而减少因5G-R 基站机房用电引起的碳排放。

基站新能源技术研究应重点结合基站所在区域的新能源如太阳能、风能等的分布特点进行分析，针对5G-R 基站建设地点的地理位置及气候条件，分析太阳能、风能、风光互补等绿色能源为5G-R基站机房供电的可行性，对区域内绿色能源进行统计分析，掌握其资源稳定度及强度等数据，如对太阳能资源进行辐射量等级及稳定度等级分析，对风能资源进行风向、风速、功率密度等分析。依据分析结果，在确保基站稳定供电的前提下对基站新能源技术提出相应的研究方案。铁路基站新能源技术研究主要包括如图1 所示相关内容。

图1 基站新能源技术研究主要内容Fig.1 Main contents of base station new energy technology research

2.3 基站机房空调智能管控技术、新风节能技术融合应用

根据GSM-R 网络基站机房的建设经验，针对5G-R 基站机房的建设要求进行研究，重点评估5G-R 基站机房的资源配置、设备能耗、机房布局及热力分布、站点气候条件等关键因素，并重点研究基站机房内智能空调、自清洁新风系统部署方案、节能管控策略以及智能化节能管控技术、高热区域的温控措施，同时结合新能源技术进行基站机房新能源技术、空调智能管控与新风节能技术的融合应用研究。

针对上述研究，可建设基于融合应用方案及节能管控技术研究的基站机房能耗一体化智能管控平台。基站机房能耗一体化智能管控平台应具备能耗监测、热力分布监测、节能策略管控等功能。基于该平台可实现机房内的资源台账可视化管理、设备能耗监测及趋势分析、热力分布监测及趋势分析，实现节能管控策略的自动学习及人工辅助设定，实现空调与新风系统的智能管控，同时可支持5G-R基站的设备级、站点级及网络级能效评估，验证融合应用方案及管控技术的节能降耗效果，为基站节能技术研究及基站节能控制策略的制定提供数据支撑，从而进一步实现绿色基站机房的节能目标。空调智能管控及新风节能技术融合应用研究主要内容如图2 所示。

3 结束语

铁路5G-R 作为铁路下一代通信技术，容量更大、灵活性与兼容性更强等特性，未来将被大规模部署，逐步替代GSM-R 系统。当前针对铁路5G-R基站绿色化运行进行分析研究，未来将绿色化运行策略纳入基站设备要求，既有利于铁路通信系统的可持续发展，又便于在铁路5G-R 建设初期形成绿色节能的基站设备供应产业链，为构建铁路5G-R绿色基站标准体系打下基础。在铁路5G-R 基站绿色化运行过程中，通过不断改进升级逐步形成铁路5G-R 绿色基站标准化体系，一方面可使得标准化助力行业发展，另一方面也将有利于中国铁路绿色移动通信建设标准的推广和发展。分析研究铁路5G-R 基站绿色化运行既是国家双碳战略目标所需，也是中国铁路可持续绿色发展奏响交通运输行业行稳致远的“主旋律”。