綠色基站方案實(shí)現(xiàn)

　在綠色環(huán)保成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)的今天，無(wú)線通信系統(tǒng)的綠色節(jié)能技術(shù)成為電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商面對(duì)的核心課題?；驹O(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的重要網(wǎng)元，是運(yùn)營(yíng)商投資建設(shè)的關(guān)鍵，也是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗的主要關(guān)注點(diǎn)。

　　作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的載體，基站一方面需要保持高質(zhì)量的覆蓋能力，另外一方面需要保證足夠的升級(jí)演進(jìn)潛力。隨著用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量的增加，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能耗隨基站數(shù)量線性增長(zhǎng)，消耗了大量能源。簡(jiǎn)單地減少基站數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變差。如何在保證用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)以及基站覆蓋和演進(jìn)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降耗是綠色基站解決方案的關(guān)鍵。

　　本文將從基站的架構(gòu)與形態(tài)創(chuàng)新、節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)以及綠色站點(diǎn)應(yīng)用等方面對(duì)綠色基站解決方案進(jìn)行探討，尋求基站節(jié)能降耗的有效途徑。

　　1 無(wú)線多制式融合基站系統(tǒng)

　　無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多代共存、多頻共存的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。不僅有以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)為代表的2G網(wǎng)絡(luò)，而且有以通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)為代表的3G網(wǎng)絡(luò)，而長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE) 技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始逐步商用。每一代技術(shù)都有其自身的一整套通信設(shè)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(shù)的引入都疊加了一套新的設(shè)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(duì)于這種建網(wǎng)方式，隨著多代技術(shù)的不斷采用，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備及配套設(shè)備規(guī)模將不斷增加，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗相應(yīng)大幅增長(zhǎng)。想實(shí)現(xiàn)在多網(wǎng)共存并保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的情況下降低網(wǎng)絡(luò)能耗，就需要從根本上改變多頻段多代技術(shù)共存網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方式。

　　軟件無(wú)線電(SDR)軟基站是基于SDR技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)了智能化的頻譜分配和對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)的支持。

　　SDR軟基站解決方案使得運(yùn)營(yíng)商可以將多種頻段下的多種制式網(wǎng)絡(luò)融合成為一張網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)，極大地減少系統(tǒng)網(wǎng)元與配套設(shè)施，從而能大幅降低站點(diǎn)能耗。

　　以亞太地區(qū)某領(lǐng)先運(yùn)營(yíng)商的2G/3G替換項(xiàng)目為例。該運(yùn)營(yíng)商原有網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)典型站點(diǎn)，使用了3個(gè)傳統(tǒng)機(jī)柜來(lái)組成GSM900+GSM1800+UMTS2100 網(wǎng)絡(luò)，功耗為4 280 W。采用SDR基站進(jìn)行單站容量替換(同時(shí)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(jì)算由于機(jī)房空間節(jié)省而降低的空調(diào)能耗。由此可見(jiàn)，SDR基站在節(jié)能降耗上效果明顯。

　　2 分布式基站與超級(jí)基帶群

　　SDR軟基站模塊化設(shè)計(jì)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(yuǎn)單元(BBU+RRU)分布式基站使得網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活。超級(jí)基帶群解決方案使得網(wǎng)絡(luò)基帶處理資源重用和共享，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)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(jī)架式室內(nèi)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(dú)立開(kāi)來(lái)，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(guò)幾米的跳線和天線直接相連，減少了傳統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)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(shè)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(shù)，不需要空調(diào)甚至風(fēng)扇配置，大幅降低了配套功耗，也降低了設(shè)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(jī)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(jī)房建設(shè)以及空調(diào)配套等費(fèi)用。

　　2.2 超級(jí)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(gè)基帶單元集中放置，并通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)基站基帶資源共享，并對(duì)不同小區(qū)之間的基帶資源進(jìn)行集中調(diào)度和控制，這就是超級(jí)基帶群解決方案。

　　超級(jí)基帶群解決方案進(jìn)一步改變了基站建設(shè)的形態(tài)，使基帶處理能力集中、充分共享及實(shí)現(xiàn)虛擬化[4]。基帶池的處理設(shè)備可以動(dòng)態(tài)調(diào)度來(lái)處理不同RRU的基帶信號(hào)，適應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的潮汐效應(yīng)，使基帶資源得到最優(yōu)利用。遠(yuǎn)端無(wú)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(luò)整體覆蓋的前提下降低網(wǎng)絡(luò)側(cè)和用戶側(cè)的發(fā)射功率，降低無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)功耗。采用超級(jí)基帶群方案，通過(guò)集中調(diào)度和控制，能極大地減少基站機(jī)房數(shù)量，并最大程度地實(shí)現(xiàn)機(jī)房、電源、傳輸?shù)扰涮踪Y源共享，減少能源消耗?；诔?jí)基帶群的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

　　3 綠色基站節(jié)能技術(shù)

　　SDR基站架構(gòu)與基站形態(tài)的革新使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)更加高效，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量配置更加合理，最大可能地共享基礎(chǔ)設(shè)施和配套設(shè)備，極大地節(jié)約了資源。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)采用高效率功放技術(shù)和智能節(jié)電技術(shù)可以進(jìn)一步降低基站的整機(jī)功耗[5-9]。

　　3.1 高效率功放技術(shù)

　　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(shè)備發(fā)熱量，相應(yīng)空調(diào)的耗電量也會(huì)相應(yīng)減少。因此，提高功放效率是降低基站主設(shè)備功耗的有效手段。

　　高效率功放的設(shè)計(jì)主要從功放電路應(yīng)用、器件選型和工藝突破等幾方面來(lái)開(kāi)展。功放種類從傳統(tǒng)昂貴的線性前饋功放，經(jīng)過(guò)AB類高功放，發(fā)展到了與數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)配合的Doherty功放。功放芯片從橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)慢慢向氮化鎵(GaN)、高壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HVHBT)等新器件發(fā)展。整個(gè)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(shù)是整個(gè)無(wú)線通信基站系統(tǒng)的主流應(yīng)用。

　　持續(xù)提升功放效率的需求驅(qū)動(dòng)功放技術(shù)不斷發(fā)展。新的功放技術(shù)包括包絡(luò)跟蹤(ET)功放技術(shù)、數(shù)字開(kāi)關(guān)功放技術(shù)等。

　　3.2 智能節(jié)電技術(shù)

　　由于無(wú)線用戶的移動(dòng)特性，基站設(shè)備每天不同時(shí)間段的負(fù)荷具有較大差異。基站智能節(jié)電技術(shù)就是通過(guò)實(shí)時(shí)評(píng)估基站小區(qū)載波上的話務(wù)量水平，根據(jù)判決結(jié)果將空閑資源(如智能載波調(diào)整、載頻智能下電等)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；或者根據(jù)負(fù)載情況，智能配置功放電源(如智能功放控制、動(dòng)態(tài)調(diào)壓等)達(dá)到節(jié)能目的。下面重點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)和智能載波調(diào)整技術(shù)進(jìn)行分析。

　　(1)動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)

　　動(dòng)態(tài)調(diào)壓也稱為動(dòng)態(tài)功率匹配(D-PT)技術(shù)。動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)主要通過(guò)跟蹤負(fù)載的變化，采用分級(jí)可變電壓，對(duì)功放供電電源進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)“呼吸式”功率管理。動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)原理如圖2所示。圖2中，當(dāng)功放輸出功率較大時(shí)，給功放供電的電壓較大；而在功放輸出功率低于某個(gè)值時(shí)，則降低功放的供電電壓。動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)可以保證在不同的功率負(fù)荷下，功放均以最優(yōu)的效率工作，實(shí)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(fù)載下，電源的高效率轉(zhuǎn)換，最大負(fù)載時(shí)電源效率高達(dá)92%。在典型功耗下，動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)可以使整機(jī)功耗降低12%。

　　(2)智能載波調(diào)整技術(shù)

　　基站在工作過(guò)程中的負(fù)荷是動(dòng)態(tài)變化的，特別在一天當(dāng)中，忙時(shí)和閑時(shí)的業(yè)務(wù)量相差非常大?；镜妮d波數(shù)量一般按照忙時(shí)業(yè)務(wù)量的需求配置。在空閑時(shí)，各載波的業(yè)務(wù)量會(huì)很小，某些載波的功率大部分用于控制信道而非業(yè)務(wù)信道，功率利用率很低。

　　智能載波調(diào)整技術(shù)能夠根據(jù)基站業(yè)務(wù)量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整基站輸出的載波數(shù)，適時(shí)關(guān)閉非工作載波，減小非工作載波的控制信道的功率開(kāi)銷(xiāo)。以S222站型配置為例，閑時(shí)可以降低功耗40%左右。

　4 綠色基站的應(yīng)用

　　在移動(dòng)站點(diǎn)整體的功耗構(gòu)成中，除了系統(tǒng)設(shè)備占據(jù)較大功耗比例外，空調(diào)等溫控系統(tǒng)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的部分；另外，隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等綠色能源技術(shù)自身發(fā)展的突破，在通信領(lǐng)域采用這些清潔能源為基站供電，也得到廣泛應(yīng)用，以適應(yīng)整個(gè)社會(huì)節(jié)能減排的發(fā)展要求。

　　4.1 機(jī)房智能溫控系統(tǒng)

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

　　機(jī)房溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACS)通過(guò)室內(nèi)和室外溫度傳感器測(cè)量室內(nèi)和室外環(huán)境溫度，根據(jù)室內(nèi)外溫度差異，利用自然風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。只有在室內(nèi)外溫差較小且室內(nèi)溫度高到一定程度時(shí)，控制系統(tǒng)才打開(kāi)空調(diào)進(jìn)行降溫。智能溫控系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)可單獨(dú)使用，也可以和空調(diào)結(jié)合使用，充分利用自然條件實(shí)現(xiàn)機(jī)房節(jié)電和全天候的基站環(huán)境調(diào)節(jié)。智能溫控系統(tǒng)可大大減少機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，全年80%左右的時(shí)間可采用風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)替代空調(diào)。與傳統(tǒng)機(jī)房相比，節(jié)能最高可達(dá)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(yáng)能、風(fēng)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(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能電源及風(fēng)、光互補(bǔ)基站供電方案已經(jīng)逐漸開(kāi)始應(yīng)用。

　　太陽(yáng)能和風(fēng)能電源完全采用自然能源，符合節(jié)能減排的大趨勢(shì)，具有清潔、低耗、不會(huì)枯竭、運(yùn)營(yíng)成本低、一次性投入長(zhǎng)期受益等優(yōu)點(diǎn)，但有受制于氣候條件的缺點(diǎn)。為了使太陽(yáng)能和風(fēng)能電源正常工作，每天的日照平均值至少達(dá)到4 kWh/m2，風(fēng)速能夠達(dá)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(fēng)、光互補(bǔ)混合供電。在白天日照時(shí)間，太陽(yáng)能板和風(fēng)能渦輪將一起為設(shè)備供電；在夜間，設(shè)備供電將由風(fēng)能和電池組提供。在無(wú)風(fēng)和沒(méi)有日照的時(shí)間，則由電池組來(lái)供電。根據(jù)站點(diǎn)環(huán)境，可靈活組合風(fēng)能和太陽(yáng)能設(shè)備，風(fēng)能與太陽(yáng)能的利用比例可以從2:8到5:5不等，但采用風(fēng)能供電的比例最大不能超過(guò)50%。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　綠色基站解決方案涉及基站架構(gòu)、基站形態(tài)、綠色基站節(jié)能技術(shù)及綠色站點(diǎn)應(yīng)用等多個(gè)方面。基于SDR的系統(tǒng)架構(gòu)和分布式產(chǎn)品形態(tài)改變了傳統(tǒng)的多頻段多技術(shù)制式網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，并促進(jìn)了新型能源的應(yīng)用。功放技術(shù)進(jìn)步及智能節(jié)電技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)一步提升了資源利用率，減少了排放。智能溫控技術(shù)及新型能源的采用使得無(wú)線基站更加綠色環(huán)保。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗，需要多種節(jié)能手段和技術(shù)的綜合應(yīng)用，但基站自身的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新是綠色基站解決方案的根本。

　　基于SDR平臺(tái)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(yīng)用中得到客戶的信賴。綠色基站在架構(gòu)和技術(shù)上的創(chuàng)新是沒(méi)有止境的，持續(xù)的進(jìn)步將使得人們的生活更加美好。