浅谈基于5G网络的端到端节能部署策略_魏云良.pdf

192023.025G天地0 引言相较于 4G 基站采用 1.8GHz 或 2.1GHz 频率，5G 基站的主用频率是 3.43.6GHz。根据无线信号的特点，频率越高则在自由空间的衰耗越快，这意味着 5G 基站站间距要小于 4G 基站站间距，5G 基站的密度要高于 4G 基站。同时，因为 5G 大规模多通道等新技术的应用，基站功耗一般为 4G 的 3 倍，单个 AAU 或 RRU 最高可达到 1000W，热点区域部署双载波带宽时功耗将进一步翻倍。若按每个 5G 扇区功耗平均为 800W计算（BBU 板卡等功耗一起折合至扇区），以江苏电信和联通一省建设 10 万个 5G 基站为例，则每小时需耗电 24 万度，每年将耗电20.7亿度。基于上述背景，聚焦5G网络的基站侧、BBU 侧和核心网三个关键节点，从建网思路和节能举措两个角度提出端到端的部署策略，打造绿色低碳通信网络。1 基站侧1.1 节能建设思路坚持共建共享思路在 5G 基站建设中的应用是成效最显著的节能措施，通过共建共享可以成倍地提升基站资源的使用效率、降低公共资源投入，从根本上减少物理资源新增带来的能耗增长。具体来看，主要可以通过两个方面实现：（1）基站共享共享方之间共用同一套基站设备，实现基站共享。例如中国电信和中国联通在全国范围内采用共享载波方式进行 5G共建共享，如图 1 所示，双方共享同一个基站的同一个载波，双上联接入各自的核心网，从而实现物理上一个基站、逻辑上两个基站，双方基站建设量各减少一半。（2）基础设施共享共享方之间共用基站基础设施，包括塔桅、机房、供电等。这里的共享方可以是不同运营商之间共享，也可以是运营商与铁塔公司、运营商与其他第三方社会资源共享，例如电力塔设施的共享、路灯设施的共享等。通过这种共享方式可以有效降低基站设施的重复建设，提升电力、空调等设施的利用率，实现整体能耗的下降。1.2 基站节能举措基站用电分为基础用电和业务用电。基础用电是指在没浅谈基于 5G 网络的端到端节能部署策略魏云良1 张颖聪21.中国电信股份有限公司江苏分公司；2.中通服咨询设计研究院有限公司摘要：5G 网络作为支撑数字经济发展的战略资源和公共基础设施，其建网速度和发展规模超出预期，高能耗的特性也愈来愈突出，因此，对5G网络进行节能减排成为践行“双碳”（碳达峰与碳中和）目标的重点攻关方向。秉承绿色、节能、共享的新发展理念，聚焦 5G 网络部署的三个关键节点，从建网思路和节能举措两个角度介绍了端到端节能部署策略，以助力 5G 网络的节能降耗、降本增效和绿色建网。关键词：5G；共建共享；节能降耗；碳达峰图 1 电信和联通共建共享 5G 网络示意图202023.025G天地有用户使用时，基站仍然要消耗的基础电量。业务用电是指因业务增长（用户使用）导致的能耗增加。在凌晨流量最低时，能耗也随之降至低谷。白天能耗随流量同步增长。因此，可以在业务低流量时，应用 AI 智慧节能技术对基站进行控制，以达到节能降耗的目的。应用 AI 智慧节能技术，能够充分发挥运营商多源融合数据优势，借助 AI 赋能和数据驱动，实现全网性统一的基站智慧节能体系，建立从网络感知、智能分析、智能决策、自动控制、自动评估、策略优化的闭环节能能力，实现能效和运维效率双提升、能耗和成本双降低。在 AI 智慧技术的驱动下，结合以下四种办法可进行智慧节能：（1）符号关断如图 2 所示，在小区低负载时，系统自动关闭部分时隙上“无数据发送”的符号周期内的功放；有业务时，则自动恢复。可全天打开此功能，节能效果约可达 10%。（2）通道关断如图 3 所示，业务流量低谷期间，多通道 RRU 关闭部分发射通道以节省能耗，正常通道以承载轻量业务。流量上升时，则自动打开已关闭通道。实施和关闭此功能有两种触发办法：一种是基于同站址的 4G 流量，4G 流量与 5G 流量有一定的关联性，用户行为相似；另一种是基于特定的时间段，譬如23：00至6：00时间段实施该功能，其他时间段则关闭此功能。节能效果约可达 12 15%。（3）载频关断如图 4 所示，业务流量低谷期间，多频共覆盖 RRU 关闭本小区的载频以节省能耗，业务以共覆盖载频承担。触发此功能的因素，也可如通道关断的两种触发办法，即基于同站址的 4G 流量和基于特定的时间段。载频关断节电率约 20%。（4）小区休眠小区在固定轻载、空载时间段，关闭本小区基站射频，图 2 符号级节能示意图图 3 通道级节能示意图图 4 载波级节能示意图以进入休眠状态，由周围提高发射功率进行网络补偿。此功能一般以特定时间段触发，节电率达 50 70%。譬如，体育场馆没有举办活动时、地铁夜间停运后、商场打烊后、写字楼下班后、医院门诊楼夜间时段等场景。2 BBU 侧2.1 节能建设思路采用 BBU 集中放置的建设思路，可以通过大容量 BBU板卡，集约 BBU 算力，提升设备利用率，从而减少设备物理212023.025G天地实体的数量，降低网络整体功耗。集中原则可参考以下方式：根据区域内 BBU 部署的数量及机房的容量，结合综合业务接入区的设置，按需配置三种等级的集中方式：（1）大 C-RAN 机房：一般 BBU 集中部署在综合业务局站或边缘 DC 局点内，BBU 集中部署数量通常为 30 台以上。（2）中 C-RAN 机房：一般 BBU 集中部署在综合业务局站内，BBU 集中部署数量通常为 10 30 台。（3）小 C-RAN 机房：一般 BBU 集中部署在接入点机房或综合业务局站内，BBU 集中部署数量通常为 5 10 台。2.2 BBU 节能举措（1）应用竖插机框竖插机框是一种新型安装工艺的节能机框，通过对传统机框的创新，将设备“侧进侧出”的通风方式调整为“下进上出”的方式，并相应地优化设置了导风装置，从而形成合理、顺畅的气流组织，使得竖插机框的通风制冷效果远优于横装堆叠形式，能够有效解决 BBU 机柜气流不畅的问题，避免机架内局部过热导致的设备高负荷运行，有效降低设备功耗。如图 5 所示，竖插机框采用模块化结构设计，包括竖插新型节能机框本体、进风通道、出风通道等，分为上中下三个仓位，其中上部仓位作为热风的出风通道，下部仓位作为冷风的进风通道，中部仓位作为 BBU 的安装区域。中部仓位为10U 的标准19 英寸安装空间，并使 BBU 能竖向安装在竖装 BBU 子框内。竖插机框风道采用前进风、后出风的方式，具有合理的导流结构，最大程度减小进、出风阻力，保证框体散热性能最优化，不论是在简配、半配及满配情况下，或是空调正常、故障，以及柜门通风不畅等情况下，竖装插框的通风制冷效果均远优于横装堆叠形式。根据前期测试数据测算，以半配BBU（3 块基带板）为例，在采用常规机柜且机房空调正常情况下，每台 BBU 年均节电 500 度（PUE 按 1.6 计），年节电费 400 元（按 0.80 元/度计）。（2）应用板卡液冷技术根据 5G BBU 热量集中的特点，可以采用池化液冷节能系统，重点应用于高度集中的 5G BBU 池。通过新型液冷技术的应用实现节能降耗，包括喷淋式和浸没式两种实现方式。喷淋式技术如图 6 所示，室内采用全封闭的机柜，包括 2 个竖装BBU机框，每个机框并排5个BBU插槽，设备安装时采用竖插，实现多板卡同时喷淋，冷却液覆盖全部发热器件，换热效果显著。因为 BBU 是开孔壳体，喷淋降温时难免有一定冷却液流出，必须要增加一层密封外壳；考虑到是重力回液，系统异常时液体可能需要储存在机柜底部，因此需要有储液容器，为了减少辐射热，储液箱还应做好保温。室外部署冷却循环系统实现室外换热，采用风冷方案散热，也可选配接入冷却水系统，利用水冷二次换热。浸没式技术浸没式液冷是将 BBU 板卡全部浸入机柜的冷却液中进行冷却，有单相浸没式液冷和相变浸没式液冷两种实现方式。单相浸没式液冷是将BBU板卡完全浸没在绝缘冷却液中，通过液体的流动，将发热元器件的热量带走，通过换热器将热量传递给换热系统（冷却塔或干冷器），换热系统将热量散发到室外环境。单相浸没式液冷机柜系统由机柜系统、循环液泵柜、室外散热系统三部分子系统组成，液冷结构系统如图7 所示。相变浸没式液冷技术总体与单相浸没式液冷技术相似，但是将 BBU 板卡浸泡在冷媒中，通过冷媒汽化蒸发物理过程带走热量，从而达到为服务器散热的目的。冷媒一般采用60沸点的中温冷媒，相变、蒸发二相液冷，具体结构如图 8所示。相对单相系统，相变系统温度控制准确，传热量大且快。图 5 竖插新型节能机框结构示意图图 6 喷淋式液冷结构系统示意图222023.025G天地3 核心网3.1 节能建设思路5GC 采用软硬件解耦的方式实现云化部署，充分发挥云计算技术的规模化集约供给的降碳杠杆作用，节约算力硬件设施和温控设施的投入。云化的部署方案可以按需采用分级式布局：（1）全国/大区级：承载全国级网元或系统；（2）省级：承载面向全省的核心网元；（3）地市级：承载面向地市的网元（如 vUPF）及 MEC 等；（4）边缘级：承载需要下沉的网元（如 vCDN、vUPF 下沉）及 MEC 等。上述部署思路下，5GC 可以使用不同节点的云计算数据中心，将离散的计算需求聚集到更大规模的数据中心达到更高的计算效率，通过充分复用算力硬件和温控设施，更加有效地实现电力的精准供给、服务器的利用率提升、冷却设施的高效优化，从而达到更优的能效比，实现节能降耗的目标。3.2 核心网节能举措基于以上云化部署思路，核心网节能措施主要包括以下几个方面：（1）合理选用设备机架：统筹优化机房布局和气流组织，通过优化机架布局、加强机架内外散热规划，避免不合理的机房布局和设备安装方式导致的气流运动阻碍、散热效果降低。（2）选用低能耗的设备：在设备选型阶段，选择技术先进、符合网络演进需求、集成度高、能耗低的设备。（3）选用合适的供电方案和供电设备：科学划分机房内的用电设备的需求，分别选用适合的供电方式和供电设备配置，尽量减少冗余供电能力，采用合理的供电布局方案，基于就近分散供电的原则降低线路损耗。（4）空调机组采用合适的制冷方式和运行模式；末端冷却设备尽量贴近服务器部署，避免超远距离、超强的送风方式带来的更多能源消耗。（5）特殊设备特殊对待：不同的服务器可能具有很大的发热差别，采用类似的散热方式会导致机房冷热不均，并且消耗了更多的能源。因此针对高密度高热设备导致局部过热，可采用独立的排热机柜或者特殊的散热方式，避免采用降低机房整体散热效果的方式解决个别设备高热问题。（6）确保机房密封、具有较好的隔热效果：机房的门、窗、线缆孔洞应该密闭并用良好的隔热材料，四周墙壁、地面和天花板应该采用隔热处理，特别是高温季节较长的地区，最大可能减少外墙传递的热量。4 结束语本研究围绕 5G 网络节能部署的需求，详细梳理了基站、BBU、核心网三个关键节点的具体建设思路和关键节能举措，为 5G 绿色建网、低碳运营提供了详细参考。然而，随着更多低碳技术的创新应用，5G 网络建设所需的节能部署策略仍需进一步完善和迭代。参考文献：1 温亮.液冷技术在通信机房的标准化规模化运用研究J.广东通信技术，2022，42（10）：73-75.2 李红五，吕婷，李福昌，曹亘.5G 无线网络节能体系研究与展望 J.邮电设计技术，2022（08）：6-11.3 詹勇，唐雪.5G 基站智能节能解决方案 J.信息通信技术，2022，16（04）：23-29+36.作者简介：魏云良（1968），男，江苏丹阳人，高级工程师，硕士，研究方向：绿色低碳，共建共享，无线移动通信。（收稿日期：2022-12-09；责任编辑：赵明亮）图 7 单相浸没式液冷结构系统示意图图 8 相变浸没式液冷结构系统示意图