无线基站节能技术研究与应用

2019-02-03 版权声明 举报文章

无线基站节能技术研究与应用

[摘要]根据国家对节能减排的指导建议,文章针对分布式基站、室外一体化基站、基站智能节电三项节能技术展开论述,在详细分析技术原理的基础上,列举典型应用案例,分析节能效应,希望对解决建设条件及投资规模受限的实际工程困难有一定参考作用。

[关键词]节能减排 分布式基站 室外一体化基站 智能节电

1 概述

当前,“低碳经济”、“新能源经济”政策环境驱动着中国新能源技术的大力开发。电信业紧密跟踪国家节能目标,制定各阶段企业节能目标及具体措施,新技术、新设备及新型建设方式等技术创新和应用成为节能减排的重要途径。在移动通信整体网络架构中,无线网络的总能耗占60%以上,因此,无线基站的节能技术对于节能减排有着重要的意义。提升基站能效,主要是提升射频效率,减少天馈损耗,使天线输入功率最大化。目前业界主推的无线网络节能技术包括软件智能节电技术、分布式基站、室外站、多载波功放基站、多密度载波基站等,本文重点讨论现阶段在实际工程中应用案例较多的三种措施:分布式基站、室外一体化机柜站、智能节电。

2分布式基站

2.1 基本工作原理

传统的宏基站设备主要包括基带处理板、主控、传输、监控、时钟、收发信机、功放单元等部分,分布式基站根据功能将这些部分划分为两个相对独立的部分。分布式基站架构最早产生于3G系统,其设计思路主要是射频拉远。GSM系统引入分布式基站时,产生了两种拉远方式(射频拉远和基带拉远),其主要原因是GSM系统与3G系统的关键资源不同:3G系统采用码分多址的方式,基带是关键资源;GSM系统关键资源是载频,而基带处理功能相对较容易实现,放置在BBU或RRu都不会对系统造成较大影响。射频拉远和基带拉远两种方式在网络组网、运行维护及未来网络升级扩容、演进等方面无较大差异。

(1)射频拉远:将基带处理板、主控、传输、监控、时钟单元等部分作为BBU,将收发信机、功放单元等部分作为RRU。BBU安装在室内,RRU安装在室外天线端,两者之间采用光纤进行连接。BBU通过Abis接口与BSC通信,RRU通过Um接口与手机终端进行通信,两者构成分布式基站架构。

(2)基带拉远:将主控、传输、监控、时钟单元等部分作为BBU,将基带处理板、收发信机、功放单元等部分作为RRU。BBU安装在室内,RRU安装在室外天线端,两者之间采用光纤或高速电缆进行连接。BBU通过Abis接口与BSC通信,RRU通过Um接口与手机终端进行通信,两者构成分布式基站架构。

2.2 组网方式

分布式基站RRU与BBU之间支持星型、链型和环型组网方式,如图1所示:

三种组网方式各有优缺点,列举如下:

(1)星型组网:可升级性能好,但光纤资源消耗量大,因此适用于光纤资源丰富的区域,以同一站址多个扇区应用为主,一般用于BBU-RRU距离比较近的情况。

(2)链型组网:对光口资源利用率高,但是由于环节太多,前级RRU故障会导致后级所有RRU不能工作,可靠性不高,适合于干线道路、铁路覆盖。

(3)环型组网:对于RRU-DBBU之间的两对光纤,在布置时使用不同物理路由,从而保证在同一时刻不会出现两对光纤同时发生故障的状况。这种方式虽然可靠性上提高很多,但光口资源浪费也较多。在对大型场馆的覆盖中,为了保证能覆盖整个场所,同时保证在单点故障的情况下业务不会中断,环形组网是比较合适的组网方式。

2.3 节能优势

分布式基站相对传统基站能耗可降低65%、占地节约60%、节材43%,来源如下:

(1)RRU靠近天线安装,能够消除传统基站3dB馈线损耗,降低功放输出功率要求,从而改善覆盖性能或者降低整机功耗;

(2)基带部分集中放置,射频部分置于天面,可节省机房租赁费用或空间,同时降低对配套设施的要求;

(3)RRU拉远覆盖,将设备功耗分离,并且RRU功耗比传统基站低,从而可以扩大绿色能源(风力、太阳能等)的应用规模;

(4)相对传统基站设备在一定程度上可减少基站的设备运转功耗,减少运营费用;

(5)BBU和RRU体积较小,重量较轻,利于携带,可实现单人操作,降低施工难度。

2.4 典型应用

(1)高校宿舍室内覆盖

由于学生宿舍话务量大,使用宏蜂窝覆盖方式容易出现盲区,使用射频模块拉远覆盖可最大限度地满足各个宿舍的信号需求。工程实现上通常无需单独租用机房,近端与现有宏蜂窝基站共站,降低建站及配套成本。射频部分则放置在远端,最大限度地拉近天线与射频模块距离,既可避免长距离馈线造成的信号损耗,也降低了馈线布放的难度与成本。

(2)农村覆盖

采用“集中供电、拉远覆盖(RPU/RRU)”集成组网方式建站,基站的电平和信号质量要优于常规基站,并能够有效地降低功耗,减少电力消耗,减少工程投资、土地使用等。

1)降低功耗

功耗测试结果表明,常规基站建设输出功率从载频口到塔顶共衰减了7dB左右,衰减主要来自于合路器(3.5dB左右)、射频线缆(1dB左右)、馈线(60米,2.4dB左右,100米衰减4dB)。由此可知,传统基站的功率损耗较大,造成能耗的浪费。

2)降低70%电力消耗

“集中供电、拉远覆盖”分布式基站每月用电为120~140度,常规农村和道路覆盖基站(载波配置为1+2+1)每月用电为1200~1400度,常规室外站每月用电为700~900度。“集中供电、拉远覆盖”分布式基站的用电量远远小于常规基站、室外站的用电量。

3)降低61%建设投资

小农村、偏远地区或库区、道路覆盖站点以往工程中以自建宏基站的方式为主,建设一个自建机房常规宏基站的无线配套投资为人民币58~63万元(不含传输线路和传输设备),建设一个“四小”(小容量、小设备、小配套、小投资)模式基站的无线配套投资为人民币28~32万元(不含传输线路和传输设备),以“集中供电、拉远覆盖”组网模式建设一个分布式基站的投资为人民币12~14万元(不含传输线路和传输设备)。

4)减少86%土地使用

在小农村、偏远山区、库区建设常规基站或“四小”基站,需要征地100平米,用于机房、塔杆、地网的建设;采用分布式系统需要覆盖的区域只需要在一根支承杆上架设天线,土地使用面积为2~4平米。使用这一方式进行组网,由于可以利旧基站机房和铁塔,土地占用降低86%。

5)提升网络设备利用率(载波利用率)

偏远山区或道路覆盖建设常规基站或室外站,会导致1载波或2载波的小区数量增多,设备使用率低。采用分布式基站系统可提升设备(载波)利用率55%。

6)便安装、易维护

“集中供电、拉远覆盖”组网模式建站无机房、单 杆,不需征地、易安装,无需巡检、便于维护。

(3)隧道覆盖

高速公路隧道经常是长度、间距不一,最长的可达近4000米,最短的可能只有100多米。在这种错综复杂的地理环境下,汽车沿隧道行驶,车体对信号阻挡较为严重,必须进行沿隧道横截面的覆盖才能满足高速公路全线覆盖。

采用BBU+RRU的组网形式,BBU与RRU之间可通过光纤连接,主推星型组网方式。典型工程实例测试统计,覆盖电平大干90dBm的路段可占到测试路段的95%,0~3级的通话质量占到了97%,测试全程切换成功,没有发现掉话。且设备性能先进,安装方便,比传统基站在成本上更有优势。

3 室外一体化机柜站

为顺应站点主设备集成化、小型化、配套部件模块化以及节能减排的行业发展趋势,减轻客户站点获取方面的压力,满足客户在灵活扩容、长期演进方面的需求,部分主设备厂家适时推出了室外一体化机房解决方案。

3.1 产品特性

室外站标准机房采用模块化设计,由设备舱、配套舱、蓄电池舱组成,可灵活组成适应于各种无线环境的小型机房。根据内置设备不同的工作温度要求,各基本单元灵活选用热交换器、直通风、半导体空调等多种温控技术,在达到预定的温控效果同时,实现节能环保的目标。

Mini机房与传统机房相比,占地面积减少超过60%,节约温控能耗40%~80%,部署时间节约80%,防盗性能高于业界标准300%,不仅保持着站点美观有序,同时满足网络长期扩容需求。

(1)单柜占地仅需1平米

紧凑设计,集成温控、通信电源、监控、配电、防雷、ATS、电表等设备,单元柜占地仅需1平米,与传统机房相比节约占地超过60%,房体体积减少超过70%。

(2)年节省电费3000~10000元

根据主设备/电源/配套设备的不同工作温度范围,实现分舱独立温控,节约能源,同时采用热交换器/半导体空调,直通风等不同散热技术,不使用或少使用传统空调,实现年节能40%~80%,年节省电费3000.10000兀。

(3)大幅降低TCO,当年投资当年盈利

与租赁机房相比,一体化机房单站在大城市年均可节约成本4.6万元,中小城市年均可节约成本2.1万元,农村地区年均可节约成本11万元(第一年应用即可收回投资)。

3.2 应用场景

(1)城区街边站/楼顶站

解决城市站点获取困难和运营成本逐年增加的难题,建站简单方便,可实现网络快速部署。其优势体现为:收容能力强,占地面积小,租金少,环境适应性好;机房与周边环境和谐,建设过程中不易遭受居民阻扰。

(2)郊区山顶站/高速路边站

解决站址获取难题,缩短站点交付周期;可靠性高,减少维护量,降低运营维护成本;防盗和防水性能优于普通机房和室外柜,可无人值守、远程监控;体积比传统机房减少70%以上,适合于布置在多种类型铁塔下,节省占地。

(3)独立温控蓄电池柜

改变传统机房民用空调(功耗1000w以上)的温控方式,降低运营成本;提高机房温控目标温度,机房空调启动设定为28℃~35℃,节约用电40%~60%;为蓄电池提供直通风或TEC独立温控,与使用自然散热普通蓄电池柜相比,耗电仅380w,可延长蓄电池使用寿命2~5年;适用于室外及环境温度高的站点,可现场拼装,特别适用于山顶站与屋顶站。

4 智能节电

随着业务信道载频负荷的变化,基站系统耗电波动很大,通过软件动态功率控制技术实现动态节能是无线通信节能技术的发展趋势。例如,在GSM系统中,可把主BCCH载频设置为优先级最高,有话务量的时候把TCH优先指配到主BCCH载频上,提高主BccH载频利用率。先使用优先级比较高的载频,其他载频可以处于关断状态,既可以按照时间段在闲时(如夜间不工作时段)定时关闭载频,也可以根据业务量变化,采用一定的算法智能进行载频的开启及关闭,即“基于负荷的TRX/PA关断”。在载频关断的基础上,还可以在更细的粒度上进行更精确的控制,即“基于时隙的PA关断”。目前GSM主设备厂商均至少能支持这两项技术中的一项。

4.1 基于负荷的TRX/PA关断

通过软件控制实现基于网络业务负荷的TRX开关调整或PA偏置调整。TRX开关调整主要是关闭或打开PA的工作电压;PA偏置开关调整主要是关闭或打开PA的偏置电压,以控制PA的偏置电流。

(1)基于负荷的TRX关断

BSC根据每个载频板的话务情况进行判断,将空闲时长超过门限时间的话音信道载频板所对应的功放模块PAT作电压关闭;当监控的话务负荷上升,超过一定门限时(可配置),BSC会立即激活被关断的TRX,以满足话务需求。载频启动时间最高达分钟级。

(2)基于负荷的PA关断

BSC根据每个载频板的话务情况进行判断,将空闲时长超过门限时间(可设置)的话音信道载频板所对应的功放模块PA偏置电压关闭,在话务增长时在毫秒级的时间内重新打开功放偏置电压以满足话务需求。

基于负荷的PA/TRX关断功能节电效果与小区配置的载频数存在较强的正比关系,与话务时段、无线利用率等因素存在较强的反比关系。

4.2 基于时隙的PA关断

通过硬件或软件控制实现基于时隙业务负荷的PA偏置开关调整,PA偏置开关调整主要是关闭或打开PA的偏置电压,以控制PA的偏置电流。

载频功率放大器的功放管是载频向天馈发射功率的主要器件。由于器件线性特性限制,即使它不发射功率,也需要施加一个固定的偏置电压,使得功放工作在线性区域,这部分消耗的功耗为静态功耗。功放功耗还包括另外一部分功耗,即动态功耗。在有话务的情况下,动态功耗发生,且动态功耗越高载频输出功率越高;无话务情况下,动态功耗为0。而基于时隙的PA关断就是在时隙没有话务,即动态功耗为O的情况下,进一步关断功放的静态功耗,关断后时隙级功放的功耗为0。基于时隙的PA关断可以做到各个时隙功放单独开关。

基于时隙的PA关断功能节电效果与平均话务量、无线利用率等因素存在较强的反比关系。

4.3 工程应用及节能实效

根据某运营商节能减排相关数据显示,2010年上半年,全国基于时隙的PA关断载频数146万,基于负荷的PA关断载频数55万,大部分省份智能载频开启比例超过全网的20%,具体统计如图5所示。

该技术可实现较常规基站节能15%的成效,以2009年工程实施情况为例,全国开启智能节电载频160万,累计年节电量24000kwh。

5 结语

为实现国家提倡的节能减排近、远期工作目标,为整个电信业乃至全社会节能减排贡献力量,不仅需要积极研发和推广新技术和新产品、总结成果和生产经验,而且需要提出更多切实可行的节能措施,将其与网络规划建设紧密结合,使节能减排真正落实到网络建设与企业运营中去,创先争优。

作者简介

杨永超:助理工程师,本科毕业于云南师范大学,现任广州杰赛科技股份有限公司项目经理,研究方向:无线网络规划设计。

田h:助理工程师,本科毕业于哈尔滨理工大学,现任广州杰赛科技股份有限公司单项负责人,研究方向:无线网络规划设计。已1篇。

蔡林峰:助理工程师,本科毕业于西安邮电学院,现任广州杰赛科技股份有限公司项目经理,研究方向:无线网络规划设计。

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