綠色基站方案實現(xiàn)

　在綠色環(huán)保成為全球關注的熱點的今天，無線通信系統(tǒng)的綠色節(jié)能技術成為電信運營商和設備制造商面對的核心課題?；驹O備作為網(wǎng)絡的重要網(wǎng)元，是運營商投資建設的關鍵，也是移動網(wǎng)絡節(jié)能降耗的主要關注點。

　　作為無線通信網(wǎng)絡的載體，基站一方面需要保持高質量的覆蓋能力，另外一方面需要保證足夠的升級演進潛力。隨著用戶數(shù)和業(yè)務量的增加，移動網(wǎng)絡的能耗隨基站數(shù)量線性增長，消耗了大量能源。簡單地減少基站數(shù)量，會導致網(wǎng)絡質量變差。如何在保證用戶業(yè)務體驗以及基站覆蓋和演進能力的前提下，實現(xiàn)移動網(wǎng)絡的節(jié)能降耗是綠色基站解決方案的關鍵。

　　本文將從基站的架構與形態(tài)創(chuàng)新、節(jié)能關鍵技術以及綠色站點應用等方面對綠色基站解決方案進行探討，尋求基站節(jié)能降耗的有效途徑。

　　1 無線多制式融合基站系統(tǒng)

　　無線移動網(wǎng)絡是一個多代共存、多頻共存的復雜網(wǎng)絡。不僅有以全球移動通信系統(tǒng)(GSM)為代表的2G網(wǎng)絡，而且有以通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)為代表的3G網(wǎng)絡，而長期演進(LTE) 技術也已經(jīng)開始逐步商用。每一代技術都有其自身的一整套通信設備，包括從基站到核心網(wǎng)等一系列的網(wǎng)元。每一代新技術的引入都疊加了一套新的設備，這是傳統(tǒng)上普遍采用多網(wǎng)共存建網(wǎng)方式造成的。顯然，對于這種建網(wǎng)方式，隨著多代技術的不斷采用，網(wǎng)絡系統(tǒng)設備及配套設備規(guī)模將不斷增加，從而導致網(wǎng)絡能耗相應大幅增長。想實現(xiàn)在多網(wǎng)共存并保證業(yè)務質量的情況下降低網(wǎng)絡能耗，就需要從根本上改變多頻段多代技術共存網(wǎng)絡的建設方式。

　　軟件無線電(SDR)軟基站是基于SDR技術設計和開發(fā)的基站[1-2]。軟基站與傳統(tǒng)基站最大的不同之處在于其射頻單元(RU)具備軟件可編程和重定義的能力，進而實現(xiàn)了智能化的頻譜分配和對多標準的支持。

　　SDR軟基站解決方案使得運營商可以將多種頻段下的多種制式網(wǎng)絡融合成為一張網(wǎng)絡，簡化了網(wǎng)絡整體結構，極大地減少系統(tǒng)網(wǎng)元與配套設施，從而能大幅降低站點能耗。

　　以亞太地區(qū)某領先運營商的2G/3G替換項目為例。該運營商原有網(wǎng)絡的單個典型站點，使用了3個傳統(tǒng)機柜來組成GSM900+GSM1800+UMTS2100 網(wǎng)絡，功耗為4 280 W。采用SDR基站進行單站容量替換(同時增加了UMTS900的覆蓋)后，單站典型功耗降低了57%。這里僅僅比較了單站功耗，未計算由于機房空間節(jié)省而降低的空調能耗。由此可見，SDR基站在節(jié)能降耗上效果明顯。

　　2 分布式基站與超級基帶群

　　SDR軟基站模塊化設計理念，使得基站形態(tài)得以不斷革新。基帶處理單元+射頻拉遠單元(BBU+RRU)分布式基站使得網(wǎng)絡部署更加靈活。超級基帶群解決方案使得網(wǎng)絡基帶處理資源重用和共享，進一步提升網(wǎng)絡資源利用效率。

　　2.1 分布式基站

　　SDR軟基站系統(tǒng)不僅保留了傳統(tǒng)的機架式室內外宏基站形態(tài)，更創(chuàng)新地推出了BBU+RRU分布式基站。分布式基站將SDR基站的基帶單元和射頻單元獨立開來，彼此之間用光纖相連[2-3]。

　　射頻單元可以直接安裝在樓頂或鐵塔上面，通過幾米的跳線和天線直接相連，減少了傳統(tǒng)長達幾十米的饋線投資和損耗，降低了功放輸出功率要求，節(jié)省了設備能耗。另外，隨著功耗的減小，射頻單元可以采用自然散熱技術，不需要空調甚至風扇配置，大幅降低了配套功耗，也降低了設備噪聲。

　　基帶處理單元可以靈活地插入原有傳統(tǒng)電源或傳輸機架中，或者直接安裝在墻上與支架上，從而將空間占用減少到最低程度，可減少征地、機房建設以及空調配套等費用。

　　2.2 超級基帶群解決方案

　　利用分布式基站將基帶處理能力和射頻單元分離的特征，可以將多個基帶單元集中放置，并通過光纖拉遠方式接入安裝在覆蓋區(qū)的RRU。集中放置的基帶單元形成基帶群，可實現(xiàn)基站基帶資源共享，并對不同小區(qū)之間的基帶資源進行集中調度和控制，這就是超級基帶群解決方案。

　　超級基帶群解決方案進一步改變了基站建設的形態(tài)，使基帶處理能力集中、充分共享及實現(xiàn)虛擬化[4]?；鶐С氐奶幚碓O備可以動態(tài)調度來處理不同RRU的基帶信號，適應移動通信系統(tǒng)的潮汐效應，使基帶資源得到最優(yōu)利用。遠端無線射頻單元的部署可以更加接近終端用戶，在不影響網(wǎng)絡整體覆蓋的前提下降低網(wǎng)絡側和用戶側的發(fā)射功率，降低無線接入網(wǎng)絡功耗。采用超級基帶群方案，通過集中調度和控制，能極大地減少基站機房數(shù)量，并最大程度地實現(xiàn)機房、電源、傳輸?shù)扰涮踪Y源共享，減少能源消耗?；诔壔鶐旱臒o線接入網(wǎng)絡如圖1所示。

　　3 綠色基站節(jié)能技術

　　SDR基站架構與基站形態(tài)的革新使得移動網(wǎng)絡的建設更加高效，網(wǎng)絡設備數(shù)量配置更加合理，最大可能地共享基礎設施和配套設備，極大地節(jié)約了資源。在此基礎上，通過采用高效率功放技術和智能節(jié)電技術可以進一步降低基站的整機功耗[5-9]。

　　3.1 高效率功放技術

　　在基站整體功耗中，射頻部分的功耗占據(jù)了最大部分，而功放又是射頻中功耗最大的部分，約占射頻部分總體功耗的80%。此外，基站耗電量的降低可以減少設備發(fā)熱量，相應空調的耗電量也會相應減少。因此，提高功放效率是降低基站主設備功耗的有效手段。

　　高效率功放的設計主要從功放電路應用、器件選型和工藝突破等幾方面來開展。功放種類從傳統(tǒng)昂貴的線性前饋功放，經(jīng)過AB類高功放，發(fā)展到了與數(shù)字預失真(DPD)技術配合的Doherty功放。功放芯片從橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)慢慢向氮化鎵(GaN)、高壓異質結雙極晶體管(HVHBT)等新器件發(fā)展。整個功放的效率從不到10%提升到現(xiàn)在的45%，并朝50%以上努力。目前，DPD+Doherty功放技術是整個無線通信基站系統(tǒng)的主流應用。

　　持續(xù)提升功放效率的需求驅動功放技術不斷發(fā)展。新的功放技術包括包絡跟蹤(ET)功放技術、數(shù)字開關功放技術等。

　　3.2 智能節(jié)電技術

　　由于無線用戶的移動特性，基站設備每天不同時間段的負荷具有較大差異?；局悄芄?jié)電技術就是通過實時評估基站小區(qū)載波上的話務量水平，根據(jù)判決結果將空閑資源(如智能載波調整、載頻智能下電等)轉入休眠狀態(tài)；或者根據(jù)負載情況，智能配置功放電源(如智能功放控制、動態(tài)調壓等)達到節(jié)能目的。下面重點對動態(tài)調壓技術和智能載波調整技術進行分析。

　　(1)動態(tài)調壓技術

　　動態(tài)調壓也稱為動態(tài)功率匹配(D-PT)技術。動態(tài)調壓技術主要通過跟蹤負載的變化，采用分級可變電壓，對功放供電電源進行智能控制，實現(xiàn)“呼吸式”功率管理。動態(tài)調壓技術原理如圖2所示。圖2中，當功放輸出功率較大時，給功放供電的電壓較大；而在功放輸出功率低于某個值時，則降低功放的供電電壓。動態(tài)調壓技術可以保證在不同的功率負荷下，功放均以最優(yōu)的效率工作，實現(xiàn)不同功率配置下的節(jié)能降耗。智能高效率電源可滿足在不同的負載下，電源的高效率轉換，最大負載時電源效率高達92%。在典型功耗下，動態(tài)調壓技術可以使整機功耗降低12%。

　　(2)智能載波調整技術

　　基站在工作過程中的負荷是動態(tài)變化的，特別在一天當中，忙時和閑時的業(yè)務量相差非常大?；镜妮d波數(shù)量一般按照忙時業(yè)務量的需求配置。在空閑時，各載波的業(yè)務量會很小，某些載波的功率大部分用于控制信道而非業(yè)務信道，功率利用率很低。

　　智能載波調整技術能夠根據(jù)基站業(yè)務量的變化動態(tài)調整基站輸出的載波數(shù)，適時關閉非工作載波，減小非工作載波的控制信道的功率開銷。以S222站型配置為例，閑時可以降低功耗40%左右。

　4 綠色基站的應用

　　在移動站點整體的功耗構成中，除了系統(tǒng)設備占據(jù)較大功耗比例外，空調等溫控系統(tǒng)自身的運轉也消耗了較大比例的電力資源。如何有效節(jié)約基站溫控系統(tǒng)的能耗，成為綠色基站應用領域不可或缺的部分；另外，隨著太陽能、風能等綠色能源技術自身發(fā)展的突破，在通信領域采用這些清潔能源為基站供電，也得到廣泛應用，以適應整個社會節(jié)能減排的發(fā)展要求。

　　4.1 機房智能溫控系統(tǒng)

　　無線設備的風扇及機房的空調在為系統(tǒng)設備提供適宜的工作環(huán)境的同時，也在消耗大量的能量和資源。降低設備風扇和機房空調的能耗，也是節(jié)能降耗的有效途徑。

　　機房溫度自動控制系統(tǒng)(ACS)通過室內和室外溫度傳感器測量室內和室外環(huán)境溫度，根據(jù)室內外溫度差異，利用自然風進行室內溫度調節(jié)。只有在室內外溫差較小且室內溫度高到一定程度時，控制系統(tǒng)才打開空調進行降溫。智能溫控系統(tǒng)構成如圖3所示。

　　自動控制系統(tǒng)可單獨使用，也可以和空調結合使用，充分利用自然條件實現(xiàn)機房節(jié)電和全天候的基站環(huán)境調節(jié)。智能溫控系統(tǒng)可大大減少機房空調的運行時間，全年80%左右的時間可采用風扇強制通風替代空調。與傳統(tǒng)機房相比，節(jié)能最高可達70%。

　　4.2 綠色能源供電方案

　　基站本身功耗的大幅降低，使得采用太陽能、風能等清潔能源方案替代傳統(tǒng)供電方式成為可能。隨著技術的發(fā)展，太陽能電源及風、光互補基站供電方案已經(jīng)逐漸開始應用。

　　太陽能和風能電源完全采用自然能源，符合節(jié)能減排的大趨勢，具有清潔、低耗、不會枯竭、運營成本低、一次性投入長期受益等優(yōu)點，但有受制于氣候條件的缺點。為了使太陽能和風能電源正常工作，每天的日照平均值至少達到4 kWh/m2，風速能夠達到使渦輪正常工作的條件(即3.5 m/s)。

　　目前，比較可靠的清潔能源方案是風、光互補混合供電。在白天日照時間，太陽能板和風能渦輪將一起為設備供電；在夜間，設備供電將由風能和電池組提供。在無風和沒有日照的時間，則由電池組來供電。根據(jù)站點環(huán)境，可靈活組合風能和太陽能設備，風能與太陽能的利用比例可以從2:8到5:5不等，但采用風能供電的比例最大不能超過50%。

　　5 結束語

　　綠色基站解決方案涉及基站架構、基站形態(tài)、綠色基站節(jié)能技術及綠色站點應用等多個方面?；赟DR的系統(tǒng)架構和分布式產(chǎn)品形態(tài)改變了傳統(tǒng)的多頻段多技術制式網(wǎng)絡建設模式，極大地降低了網(wǎng)絡能耗，并促進了新型能源的應用。功放技術進步及智能節(jié)電技術的運用進一步提升了資源利用率，減少了排放。智能溫控技術及新型能源的采用使得無線基站更加綠色環(huán)保。無線網(wǎng)絡節(jié)能降耗，需要多種節(jié)能手段和技術的綜合應用，但基站自身的技術進步與創(chuàng)新是綠色基站解決方案的根本。

　　基于SDR平臺的BBU+RRU新一代基站已經(jīng)在全球大規(guī)模部署。其突出的綠色節(jié)能特性在全球應用中得到客戶的信賴。綠色基站在架構和技術上的創(chuàng)新是沒有止境的，持續(xù)的進步將使得人們的生活更加美好。