详解浅谈绿色基站方案实现

在绿色环保成为全球关注的热点的今天，无线通信系统的绿色节能技术成为电信运营商和设备制造商面对的核心课题。基站设备作为网络的重要网元，是运营商投资建设的关键，也是移动网络节能降耗的主要关注点。

推出了太阳能GSM基站的印度企业VNL近一段时间以来都是舆论的焦点：巴塞罗那移动通信世界大会（WMC2010）上，GSM协会将“绿色产品及项目奖”颁给了它；去年12月，美国《时代》周刊将其创始人兼董事长评选为“年度技术先锋”……

VNL 的成功在于它推出了低成本、低功耗、易装卸的“微电信”基站。基站是移动通信网络中的耗能大户，新能源在基站中的使用方便了移动通信到达偏远地区。但同时，随着移动宽带在城市地区的率先发展，基站数量的大量增加和服务器的大量使用将持续提高通信设备的用能，城市通信设备如何提高用能效率也是一个必须重视课题。一个是针对少量用户的偏远地区，一个是针对海量用户的城市网络，绿色基站的“两极化”发展道路上，时刻用节能思维而不是速度至上的思维才是最重要的。

作为无线通信网络的载体，基站一方面需要保持高质量的覆盖能力，另外一方面需要保证足够的升级演进潜力。随着用户数和业务量的增加，消耗了大量能源。简单地减少基站数量，会导致网络质量变差。如何在保证用户业务体验以及基站覆盖和演进能力的前提下，实现移动网络的节能降耗是绿色基站解决方案的关键。

本文将从基站的架构与形态创新、节能关键技术以及绿色站点应用等方面对绿色基站解决方案进行探讨，寻求基站节能降耗的有效途径。

1 无线多制式融合基站系统

无线移动网络是移动计算（Mobile Computing）的基石。在无线移动网络中，网络节点的物理位置的不断变化--即节点的移动性，给整个网络的安全性、可靠性、资源重用、QoS、路由、接口、拥塞控制、通道分配等诸多方面带来了挑战。

无线移动网络是一个多代共存、多频共存的复杂网络。不仅有以全球移动通信系统（GSM）为代表的2G网络，而且有以通用移动通信系统（UMTS）为代表的3G网络，而长期演进（Lte） 技术也已经开始逐步商用。每一代技术都有其自身的一整套通信设备，包括从基站到核心网等一系列的网元。显然，对于这种建网方式，随着多代技术的不断采用，网络系统设备及配套设备规模将不断增加，从而导致网络能耗相应大幅增长。想实现在多网共存并保证业务质量的情况下降低网络能耗，就需要从根本上改变多频段多代技术共存网络的建设方式。

软件无线电（SDR）软基站是基于SDR技术设计和开发的基站［1-2］。软基站与传统基站最大的不同之处在于其射频单元（RU）具备软件可编程和重定义的能力，进而实现了智能化的频谱分配和对多标准的支持。

SDR软基站解决方案使得运营商可以将多种频段下的多种制式网络融合成为一张网络，简化了网络整体结构，极大地减少系统网元与配套设施，从而能大幅降低站点能耗。

以亚太地区某领先运营商的2G/3G替换项目为例。该运营商原有网络的单个典型站点，使用了3个传统机柜来组成GSM900+GSM1800+UMTS2100 网络，功耗为4 280 W.采用SDR基站进行单站容量替换后，单站典型功耗降低了57%.这里仅仅比较了单站功耗，未计算由于机房空间节省而降低的空调能耗。由此可见，SDR基站在节能降耗上效果明显。

2 分布式基站与超级基带群

SDR软基站模块化设计理念，使得基站形态得以不断革新。基带处理单元+射频拉远单元（BBU+RRU）分布式基站使得网络部署更加灵活。

2.1 分布式基站

SDR软基站系统不仅保留了传统的机架式室内外宏基站形态，更创新地推出了BBU+RRU分布式基站。分布式基站将SDR基站的基带单元和射频单元独立开来，彼此之间用光纤相连［2-3］。

射频单元可以直接安装在楼顶或铁塔上面，通过几米的跳线和天线直接相连，减少了传统长达几十米的馈线投资和损耗，降低了功放输出功率要求，节省了设备能耗。另外，随着功耗的减小，射频单元可以采用自然散热技术，不需要空调甚至风扇配置，大幅降低了配套功耗，也降低了设备噪声。

基带处理单元可以灵活地插入原有传统电源或传输机架中，或者直接安装在墙上与支架上，从而将空间占用减少到最低程度，可减少征地、机房建设以及空调配套等费用。

2.2 超级基带群解决方案

利用分布式基站将基带处理能力和射频单元分离的特征，可以将多个基带单元集中放置，并通过光纤拉远方式接入安装在覆盖区的RRU.集中放置的基带单元形成基带群，并对不同小区之间的基带资源进行集中调度和控制，这就是超级基带群解决方案。
超级基带群解决方案进一步改变了基站建设的形态，使基带处理能力集中、充分共享及实现虚拟化［4］。基带池的处理设备可以动态调度来处理不同RRU的基带信号，适应移动通信系统的潮汐效应，使基带资源得到最优利用。采用超级基带群方案，通过集中调度和控制，能极大地减少基站机房数量，并最大程度地实现机房、电源、传输等配套资源共享，减少能源消耗。基于超级基带群的无线接入网络如图1所示。

 

3 绿色基站节能技术

SDR基站架构与基站形态的革新使得移动网络的建设更加高效，网络设备数量配置更加合理，最大可能地共享基础设施和配套设备，极大地节约了资源。在此基础上，通过采用高效率功放技术和智能节电技术可以进一步降低基站的整机功耗［5-9］。

3.1 高效率功放技术

利用太阳能作为基站供电的方案早已有之，据悉，2000年爱立信就建成了第一个太阳能供电的基站。VNL之所以在近年蹿红，一方面是全球对节能减排的需求增加，许多运营商将减少碳排量纳入了企业社会责任范畴；一方面则是移动通信在发展中国家迅速增长，发展中国家往往电力供应有限，因此这类产品受到关注。更重要的是每个微电信基站日均耗电不足100瓦，硬件成本和运营、维修成本都很少。这样，即便用户月均收入不足2美元，电信运营商也可盈利，而传统基站要收回成本，用户月均收益不得低于6美元。
在基站整体功耗中，射频部分的功耗占据了最大部分，而功放又是射频中功耗最大的部分，约占射频部分总体功耗的80%.此外，基站耗电量的降低可以减少设备发热量，相应空调的耗电量也会相应减少。因此，提高功放效率是降低基站主设备功耗的有效手段。

高效率功放的设计主要从功放电路应用、器件选型和工艺突破等几方面来开展。功放芯片从横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）慢慢向氮化镓、高压异质结双极晶体管（HVHBT）等新器件发展。整个功放的效率从不到10%提升到现在的45%，并朝50%以上努力。目前，DPD+Doherty功放技术是整个无线通信基站系统的主流应用。

持续提升功放效率的需求驱动功放技术不断发展。新的功放技术包括包络跟踪（ET）功放技术、数字开关功放技术等。

3.2 智能节电技术

由于无线用户的移动特性，基站设备每天不同时间段的负荷具有较大差异。基站智能节电技术就是通过实时评估基站小区载波上的话务量水平，根据判决结果将空闲资源（如智能载波调整、载频智能下电等）转入休眠状态；或者根据负载情况，智能配置功放电源（如智能功放控制、动态调压等）达到节能目的。下面重点对动态调压技术和智能载波调整技术进行分析。

（1）动态调压技术

动态调压也称为动态功率匹配（D-PT）技术。动态调压技术主要通过跟踪负载的变化，采用分级可变电压，对功放供电电源进行智能控制，实现“呼吸式”功率管理。动态调压技术原理如图2所示。动态调压技术可以保证在不同的功率负荷下，功放均以最优的效率工作，实现不同功率配置下的节能降耗。智能高效率电源可满足在不同的负载下，电源的高效率转换，最大负载时电源效率高达92%.在典型功耗下，动态调压技术可以使整机功耗降低12%.


（2）智能载波调整技术

基站在工作过程中的负荷是动态变化的，特别在一天当中，忙时和闲时的业务量相差非常大。在空闲时，各载波的业务量会很小，某些载波的功率大部分用于控制信道而非业务信道，功率利用率很低。

智能载波调整技术能够根据基站业务量的变化动态调整基站输出的载波数，适时关闭非工作载波，减小非工作载波的控制信道的功率开销。

4 绿色基站的应用

在移动站点整体的功耗构成中，除了系统设备占据较大功耗比例外，空调等温控系统自身的运转也消耗了较大比例的电力资源。如何有效节约基站温控系统的能耗，成为绿色基站应用领域不可或缺的部分；另外，随着太阳能、风能等绿色能源技术自身发展的突破，在通信领域采用这些清洁能源为基站供电，也得到广泛应用，以适应整个社会节能减排的发展要求。

4.1 机房智能温控系统

无线设备的风扇及机房的空调在为系统设备提供适宜的工作环境的同时，也在消耗大量的能量和资源。降低设备风扇和机房空调的能耗，也是节能降耗的有效途径。
机房温度自动控制系统（ACS）通过室内和室外温度传感器测量室内和室外环境温度，根据室内外温度差异，利用自然风进行室内温度调节。只有在室内外温差较小且室内温度高到一定程度时，控制系统才打开空调进行降温。智能温控系统构成如图3所示。

自动控制系统可单独使用，也可以和空调结合使用，充分利用自然条件实现机房节电和全天候的基站环境调节。智能温控系统可大大减少机房空调的运行时间，全年80%左右的时间可采用风扇强制通风替代空调。与传统机房相比，节能最高可达70%.

4.2 绿色能源供电方案

基站本身功耗的大幅降低，使得采用太阳能、风能等清洁能源方案替代传统供电方式成为可能。随着技术的发展，太阳能电源及风、光互补基站供电方案已经逐渐开始应用。

太阳能和风能电源完全采用自然能源，符合节能减排的大趋势，具有清洁、低耗、不会枯竭、运营成本低、一次性投入长期受益等优点，但有受制于气候条件的缺点。为了使太阳能和风能电源正常工作，每天的日照平均值至少达到4 kWh/m2，风速能够达到使涡轮正常工作的条件（即3.5 m/s）。

目前，比较可靠的清洁能源方案是风、光互补混合供电。根据站点环境，可灵活组合风能和太阳能设备，风能与太阳能的利用比例可以从2:8到5:5不等，但采用风能供电的比例最大不能超过50%.

5 结束语

绿色基站解决方案涉及基站架构、基站形态、绿色基站节能技术及绿色站点应用等多个方面。基于SDR的系统架构和分布式产品形态改变了传统的多频段多技术制式网络建设模式，极大地降低了网络能耗，并促进了新型能源的应用。功放技术进步及智能节电技术的运用进一步提升了资源利用率，减少了排放。无线网络节能降耗，需要多种节能手段和技术的综合应用，但基站自身的技术进步与创新是绿色基站解决方案的根本。

而 “绿色沟通”联盟提出的千倍提升能效的目标则更将对现有网络架构进行革命性的变革。上海贝尔刘永春博士向记者解释说，将现在所有节能技术加在一起，最好的结局也不过是碳排放量不再增加，因为网络连接在急剧增加，而已有技术本身的架构已经决定了其最小排放量。所以需要改变长期以来通信网络研发的思维，从带宽效率为中心转向以能效为中心。据悉，这并不是没有可能，根据贝尔实验室对光纤、无线、电子、处理能力、路由和架构等ICT网络和技术的基本属性的分析，以及对其物理极限值的测算，当前的ICT网络具有将效率提升1万倍的潜力。据悉，“绿色沟通”联盟将在5年内提供一个参考性网络架构，并展示实现这一改进的关键组件。

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