面向双碳目标的移动基站基础设施规划方法研究

白 波，刘 舜，董 鹏，胡 健

（中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

气候变化是人类面临的全球性问题，碳达峰、碳中和是构建人类命运共同体的大国担当。

国家层面，碳中和已成为国家重点任务，中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和[1-2]。

运营商层面，中国电信启动“1236”行动计划，中国联通启动“3+5+1+1”行动计划，中国移动面对新形势新要求，已将“绿色行动计划”升级为“C²三能计划”，创新构建“三能六绿”发展模式。

化石能源现阶段依然是我国能源的支柱，同时我国的能源效率低于世界平均水平。资料显示，我国单位GDP 消耗的能源仍是世界平均水平的1.3 倍。信息通信行业的能耗主要集中在信息基础设施和终端设备，研究表明信息基础设施是信息通信行业能耗的最主要来源，占行业总能耗将近70%，信息基础设施的绿色低碳化是通信行业落实“双碳”目标的关键，研究基础设施低碳规划标准、节能技术部署方案，打造极致绿色的移动通信网络，是整个产业链的共同诉求[3]。

1 通信基站基础设施现状

现阶段，通信基站基础设施缺乏主动规划，存在多套设施叠加建设；电源、备电、空间不匹配，运营缺乏精细化管理，无效能耗高，系统运行效率低；运维尚未实现智能运维，效率低下且成本高，缺乏对设备的全生命周期管理和评价[4]。

根据统计，2020 年通信行业碳排放约2.33 亿吨，其中基站碳排放每年约15 201 万吨，占比通信行业碳排的65%，根据移动5G 计划预测，随着5G 网络规模部署，未来5 年电费增长74%，碳排放增加1.3 倍，相关数据分析如图1 所示。

图1 通信行业碳排放分布及预测图

移动通信网络碳排放载体分为基站、机房和维护三大部分，传统通信基站能源普遍以市电、油机供给为主，新能源供给基站仅占2%。同时，传统基站由交流电源系统、直流电源系统、空调、动力环境监控组成。交流电源系统主要由外电引入、交流配电屏（箱）、发电机等组成。直流电源系统由组合式开关电源、蓄电池组、供电电源馈线及直流供电负荷组成。另机房需要控制在一定的温度和湿度范围，配置相应的空房间及空调设备，能源用电效率低、损耗高，主设备用电约占58%，配套设备用电高达约42%。

2 面向低碳目标的移动通信基站基础设施规划方法

2.1 目标网规划

面向碳达峰、碳中和愿景目标，严格管控自身能源消耗、碳排放增幅，持续降低能耗强度、碳排放强度，提出基于三大能效指标[5]，采用面向“低碳”目标网整体规划的全场景、全生命周期逻辑集成式规划方法，围绕基站和机房构筑全场景全生命周期低碳，向绿色低碳基础设施目标持续演进，从而实现综合能耗持续降低，促进经济社会全面绿色低碳转型发展[6]，如图2 所示。

2.2 网络碳中和指数及三大指标

为实现网络碳排放可量化、可跟踪、可优化，从总量和能效两个维度进行管控，从而构建网络碳中和指数（Network carbon neutrality，NCN）以及三大能耗指标：

网络碳中和指数（NCN）：

能源碳排系数（Carbon Intensity，CRCO2）:

配套设备能效（Power Usage Effectiveness，PUE）[7]：

通信设备能效（Energy Efficiency，EEBTS）：

其中，EGGreen、EGGrid、EGD.G分别是通信运营商网络所用新能源发电总量、市电总量、油机发电总量；CRCO2、CRD.G分别是二氧化碳与火力发电转化比率和与柴油发电转化比率；ECTelecomEquip、ECTotal是通信设备输入侧能耗、供电输入侧能耗[8]。

可以通过降低三大能效指标降低NCN，当NCN 为0时代表通信网络实现碳中和，如图3 所示。

图3 网络碳中和指数构成图

2.3 规划方案及关键问题

为更好地构建低碳全生命周期，可以基于“绿电节能、高效配电、极简用电、主设备节能、比特管瓦特”的低碳通信基站方案降低三大能效指标，进而降低网络碳中和指数，实现“低碳”建网、“低碳”运行、“低碳”营维[9]。

2.3.1 绿电节能

绿电节能可以通过采用太阳能、风能等新能源替代传统能源，光储一体化替代油机，电力市场购买绿电、错峰用电，电网协同等方式，从绿色能源使用者转变为生产者，降低能源碳排系数（CRCO2），进而实现“低碳”运行。

2.3.2 高校配电

高效配电可以通过高效电源模块，锂电升压降低线损，提升电源转换效率，降低配套设备能效（PUE），进而实现“低碳”运行[10]。

2.3.3 比特管瓦特

比特管瓦特可以通过节能平台建立基站信息数据库实现基站数字孪生，借助AI 辅助智能诊断、自动方案设计、模型仿真、能效评估，降低配套设备能效（PUE），进而实现“低碳”营维[10]。

2.3.4 主设备节能

主设备节能主要通过分析控制负载/流量，可以通过亚帧静默、通道静默、浅层休眠、深度休眠、BBU/RRU 融合及同覆盖小区智能关断等手段实现降低通信设备能效（EEBTS），进而实现“低碳”运行。

初步分析，负载/流量是主要影响能效的因素，负载越高/能效越大，则能效越高，能效和流量关系如图4所示。

图4 能效和流量关系模型图

部分节能手段的技术原理、应用场景及应用建议如下。

亚帧静默指的是5G 基站检测到部分下行亚帧（下行符号）无数据发送时，关闭射频硬件，从而降低基站功耗的技术。建议所有5G 宏基站全时段开启，只开通5G时，在5% PRB 利用率时可获得10%～15%的节电效果。

通道静默指多通道基站（64/32 通道）在低负荷时通过关闭基站部分射频通道，从而降低基站功耗的技术。在64/32 通道基站覆盖区域（农村等站间距较大的场景除外）夜间闲时应用该技术，5G 单模基站在5% PRB 利用率时，可获得10%～15%的节电效果。

浅层休眠是基站关闭5G AAU 的功放等模拟器件，AAU 进入浅层休眠状态从而降低功耗。设备只工作在5G 状态时，当5G 业务量极低时开启该功能，可实现20%～30%的AAU 节电效果[11]。

深度休眠是基站关闭5G AAU 的功放、射频以及数字通路，仅保留最基本的数字接口电路工作，AAU 进入深度休眠状态从而降低功耗的技术。应分时段按照不同策略应用该技术，可实现40%～80% 的AAU 节电效果[12]。

2.3.5 极简用电

极简用电可以通过CRAN 改造、由柜替房、基站室外化改造、应用高密及多频模块、应用一体化天线等手段实现降低配套设备能效（PUE）及通信设备能效，多种手段联合实现如下：将BBU 合并并集中到CRAN 机房（通过室外机柜代替），DRAN 站点侧AAU/RRU 应用高密多频模块/一体化天线实现挂杆/塔，如图5 所示，通过进一步使用室外自散热电源/电池，去空调提升能效，温控节能约80%，整站降耗38%～68%，同时还可降低租金/服务费[13]。

图5 极简用电改造前后对比图

以某T 市运营商为例，通过C-RAN 架构，BBU 集中部署，基站从室内到室外，免去空调、机房等配套设施，实现“一站一刀”极简站点，推出绿色站点的标准模型，计划打造全国最大绿色5G 极简站示范城市，建设3 000个极简基站，可实现每年减少碳排放35 000 吨，节省OPEX 4 200 万～7 500 万元，践行国家双碳目标，具体数据如表1 所示。

表1 电费计算比较

3 未来开展重点与建议

当前，我国正处于“数字化”和“绿色化”转型加速建设的关键时期，通信基站基础设施规划方法的制定应与低碳经济发展形势相适应并优先解决以上所述的各方面关键问题。针对该领域，建议未来一段时期内重点开展以下工作：

（1）跟踪政府和国家部委对用能企业的碳排放政策，积极参与碳交易试点工作，建立碳排放的考核指标体系，制定年度减排目标，出台对应的奖惩制度；

（2）在通信运营企业内形成关于管理流程、网络建设、5G 基站、通信设备以及配套设备的与碳达峰、碳中和目标相一致的低碳评价体系；

（3）在新能源的建设上积极争取国家/地方政府政策，在获取国家/地方政府新能源的财政补贴的同时，可抵消企业的碳排放；

（4）以技术创新为引领，促进通信设备芯片级的自主节能，引入AI 算法，以业务反向影响电源和空调设施供电控制，降低无效供电消耗，实现基站能源管理的智能化与低碳化。

4 结论

要实现碳达峰、碳中和任重道远，需要厘清能耗现状，简化网络，淘汰高能耗设备，引入新技术、优化能源结构，综合施策。本文从通信基站能耗现状、基础设施现状及能效三大指标入手，提出面向低碳目标的移动通信基站基础设施规划方法[14]，通过“绿电节能、高效配电、极简用电、主设备节能、比特管瓦特”的低碳通信基站方案降低三大能效指标，进而降低网络碳中和指数，实现“低碳”建网、“低碳”运行、“低碳”营维。然而规划方法和模型还不够成熟，持续摸索和改进是未来共同努力的方向[15]。