淺析5G基站智能節能的解決方案
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：提出一種5G基站智能節能方案，用于降低5G基站設備能耗、節省5G網絡運營成本、實現移動通信行業節能減排。所提方案是基于人工智能技術，從網絡層面統一配置4G/5G基站節能策略，根據網絡選定區域內小區的歷史業務數據，構建基站業務負荷預測模型，并生成的網絡節能策略，根據網絡節能策略分別執行各基站的節能任務。在節能任務執行后，基站智能節能方案將根據區域內反饋的節能效果、網絡KPI指標變化、用戶感知質量變化等數據，進一步優化節能參數，提高網絡節能效果。所提方案可對基站業務量進行準確預測及天候實時監控，并自動生成節能策略，實現基于多制式網絡智能協同的網絡區域級智能節能，使節能策略能夠適應網絡負荷變化。
關鍵詞：移動通信基站; 霍爾傳感器; 電力儀表;節能方案;
0 引言
隨著移動通信網絡建設規模逐年增加，通信設備對能源的需求與日俱增，移動通信網絡的能耗在運營商的運營成本(OPEX,Operating Expense)占比已高于15%。經過5G試商用網絡的測試驗證，5G單站功耗是4G單站功耗的3～4倍，運營商面臨基站設備能耗大幅增加OPEX費用的運營壓力。當通信行業邁入5G時代，通信設備的智能節能對降低5G網絡運營成本，實現通信行業節能減排目標具有重要意義。
傳統的基站設備節能方案依賴于主設備廠家在硬件、軟件等產品設計和持續優化能力。硬件方案，新設備可以通過使用新工藝、新材料、新設計等創新技術方案，實現降低設備硬件的基本能耗。軟件節能方案，通過智能符號關斷、休眠、通道關斷等軟件功能，在某些場景下實現降低基站能耗。硬件方案受限于器件、工藝的發展情況。軟件方案已支持單站的節能策略的配置，需要綜合考慮節能策略。
隨著5G網絡智能化、云化架構的發展趨勢，結合大數據技術、人工智能技術等技術方案，5G網絡智能能耗管理可以實現節能策略智能化選擇、參數配置自動化、效果評估化，從而達到運行效率綜合節能效率的“雙優目標”。
1 5G基站能耗分析
為了滿足5G豐富的業務場景的要求，3GPP R15規范定義了NR新空口標準，對5G基站設備的硬件能力、軟件功能等都提出高要求。例如，5G基站需要支持大帶寬，在Sub 6 GHz頻段支持100 MHz帶寬，毫米波頻段支持400 MHz至800 MHz帶寬，大帶寬對軟件、硬件處理能力要求高，5G基站的功耗需求也大。
5G有源天線處理單元(AAU,Active Antenna Unit)與傳統的4G射頻拉遠單元(RRU,Radio Remote Unit)設備有很大差別，例如AAU內部集成了天線陣列、支持高達64個射頻通道以及部分基帶功能等，這些使得AAU內部在功放模塊、數字基帶、收發機等器件的功耗數值和功耗占比都有較大幅度增加。此外，AAU的功耗還要考慮時鐘模塊、電源模塊、濾波器等其它模塊增加的熱耗。根據5G基站功耗的測試數據分析，基站設備中AAU設備(64T64R AAU)在5G基站設備總能耗占比約90%，提高AAU的能效水平可降低單站總能耗。
基站設備功耗包括靜態功耗和動態功耗，如圖1所示。目前，5G基站設備基礎功耗平均占比58%，動態功耗平均占比42%。基站的靜態功耗與基站設備硬件有關，可以通過硬件平臺升級來降低設備的基礎功耗。基站基礎功耗的降低手段包括基帶資源共享、器件動態關斷、AAU設備快速喚醒等硬件節能方案，主要依靠主設備廠家不斷演進硬件工藝、提高集成度來完成。動態功耗(主要是AAU設備功耗)隨業務負荷波動，功耗變化與AAU設備業務負荷(業務量)變化相關，通過軟件功能優化可提高動態能耗的利用率。軟件功能節能方式包括符號關斷、通道關斷、載波關斷、小區休眠、電源管理等。本文主要從軟件節能方案角度出發，通過AI算法預測忙閑時段的業務量，智能化設定不同基站的節電時間、節電方式，控制空閑基站的耗電量。
2 基站智能節能方案
傳統的軟件節能方案主要依賴于話務統計經驗，無法實現實時、跨網絡、靈活智能的節能管理天候跨網絡智能化節能，管理效率與節能小區數量成反比，管理難度高、節能效果欠佳。隨著計算機硬件性能大幅提升及AI技術的日益成熟，智能節能技術將解決節能方案的實現瓶頸，可通過在網管系統增加AI模塊用于智能節能控制，實現4G/5G多制式網絡智能協同，支持網絡區域級、單基站、單扇區不同顆粒度的智能節能，并且達到實時、靈活的基站能耗管理目標。
基站智能節能方案主要通過自動采集4G/5G基站的業務量、性能數據、工參數據、運行指標、告警數據、B域數據等，按場景、區域、基站性質對基站進行分級管理，利用AI算法對歷史業務量數據進行建模，通過業務量模型對基站進行業務預測，根據業務預測結果為基站制定差異化的節能策略，自動生成節能任務通過指令下發基站，在業務空閑時實施符號關斷、通道關斷、載波關斷、小區休眠、電源關斷等操作，在業務高峰時則自動將節能模式切換為正常模式，從而達到天候、跨廠家、多網協同的系統級節能效果。
2.1 數據采集與分析
數據采集需要按照基站業務過程、信令交換原則等，通過對接不同的數據來源庫，以一定粒度獲取需要的數據源，包括PM、MR、工參、基站配置等數據。然后，對獲取的數據進行提取解析、關聯匯聚，將原始數據存儲到節能方案所需的數據庫表格中。另外，需要對數據的規模進行探索分析，對不同規模的數據采取不同的存儲方式和處理工具。為了方便后續為基站節能提供支撐服務，需要通過各種技術手段對數據進行組織或分析，包括缺失數值的處理、數據編碼、數據標準化、數據降維等。
圖1 基站功耗分析示意圖
數據采集和分析的過程中需要建立數據質量評估和監控體系。在數據采集之后，需對數據質量進行評估，確定數據的可用性，以免因數據質量問題影響后續節能策略的分析。在數據處理的過程中需要監控數據處理的步驟、時間等，避免因數據處理過程的中斷或錯誤導致后續節能分析的錯誤。
3 安科瑞5G基站電氣監控云平臺概述
基站智慧用電云平臺通過對5G宏站和室分站點加裝交/直流智能監控設備、無線采集設備以及系統管理平臺，完成夜間無業務時段的下電操作，減少電能消耗，降低運營成本支出，以及提升通信設備供電線路狀態的實時監測保護功能；系統后臺對存儲的供電線路歷史電氣性能數據進行梳理、匯總、分析，找出故障原因，給出解決建議對策，減少后續同類故障的發生率，提升供電線路運維管控能力。
4 5G基站電氣監控云平臺系統結構
平臺架構圖
5 5G基站電氣監控云平臺功能
Acrel Cloud-6000 5G基站電氣監控云平臺軟件人機界面友好，擁有數據匯總、系統體檢、分析報告、能耗統計、能耗報表等功能。
顯示基站的設備詳情和設備在線失聯狀態；
顯示具體設備的實時監測數據和歷史曲線供查詢；
提供分合閘功能供用戶對儀表進行操作；
提供參數設置功能，用戶能對儀表內置的報警值和保護開關等進行操作。
對不同的基站設置不同的分合閘策略，下發周期可以按照年~月~周~日來進行選擇，提供下發命令的日志供用戶進行查詢。
對設備可以設置對應的進線和出線關系，來對每一個基站的使用功率進行實時監測，可以分析基站的使用負載。從而可以分析不同區域的基站使用情況。
對各個基站的溫度進行設置，當溫度高于范圍內，會開啟空調，其實時間會關閉空調。
6 產品選型及典型配置方案
6.1 設備概述
DTSD1352 - xSyD系列導軌式多回路電力儀表主要用于多個三相回路的全電參量測量可同時接入x個三相回路、y個單相回路的電流輸入?？芍苯踊蜷g接測量電壓電流、功率、功率因數、相角、不平衡度、諧波等參數。
具體功能如下：
●x路三相和y路單相回路全電參量測量，電流互感器外置；
●監測各相電壓/電流、零序電流、頻率；
●監測各相功率、總功率（有功、無功、視在）；
●監測各相功率因數、總功率因數；
●監測電壓/電流相角、電壓/電流不平衡度；
●監測電壓、電流總諧波及2-31分次諧波；
●當月和上月的電壓、電流、功率極值記錄；
●電流、功率需量和實時電流、實時功率需量；
●200條事件記錄，記錄DIDO的動作情況；
●支持過壓、過流、斷相、DI聯動等報警輸出；
●4時區14時段的費率設置；
●四象限電能，12個月復費率電能統計；
●31天四象限和復費率電能凍結，正反向電能計量；
●兩路無源開關量輸入、兩路開關量輸出、RS485通訊；兩路有源開關量輸入，用于識別油機和市電接入。
6.2 交流配置方案
6.3 安裝實例
6.4 產品選型
6.5 設備概述
AMC16-DETT 基站直流電能計量模塊主要是針對有共享需求，且開關電源無分用戶電量計量功能的基站而
設計的。儀表可進行六個回路的直流電的計量，自帶電源給霍爾傳感器供電，同時可通過上位機軟件實現零漂校準，具有遙測、遙信、遙調、實時電量計量、供電質量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。直流電能計量模塊可計量三家運營商的直流用電量，提供基站節能詳細的數據依據，為直流配電設備提供可靠的分項計量解決方案。
模塊具有工業標準的RS485通訊接口,采用 YD/T1363.3-2014協議，符合中國鐵塔有限公司 Q/ZTT2205-2017《基站直流電能計量模塊技術要求》相關技術要求。
6.6 具體功能
●監測設備系統時間、總電壓、輸出總電流、總功率、總電能、各分路電壓、各分路電流、各分路功率、各分路電能；LED指示燈顯示；RS485通訊
●計量：起動電流：額定電壓下，計量模塊的負載電流值在不超過電流1%時，模塊啟動潛動電流：當計量模塊的電流線路中無電流，加于電壓線路上的電壓為額定值的85%～125%時，模塊計算器不應有1個以上的數字變化；
●報警：直流電壓輸出過低告警、直流電壓輸出過高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計量支路錯誤告警、內部程序錯誤告警、時鐘錯誤告警、存儲器故障告警、交流輸入停電告警；
●校時：支持廣播校時，可通過RS485通信接口對計量模塊進行遠程校時；
●存儲：有歷史電能數據和歷史告警信息的存儲功能，內存為2MB。
6.7 直流配置方案
7 結束語
安科瑞5G基站配電解決方案，通過上位機軟件實現零漂校準，具有遙測、遙信、遙調、實時電量計量、供電質量異常告警、信息存儲及處理、信息交互等功能。為基站節能提供詳細的數據依據，為直流、交流配電設備提供分項計量解決方案。
參考文獻
[1] 李露,李福昌,曹亙,呂婷.5G基站智能節能方案研究.
[2] 孟一翔.移動通信基站節能減排技術研究[D].上海：上海交通大學，2012.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
