英文摘要:This paper examines green network technologies using cooperative coverage. Base station power consumption is the biggest power issue concerning wireless networks. Saving power in base stations is therefore the primary focus in green wireless network development. This paper considers green base station architecture and form, power saving technology, and green site applications, and explores effective ways of limiting power use in base stations.
英文關(guān)鍵字:software defined radio; baseband unit; remote radio unit; high efficiency power amplifier; green power
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)
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。基站設(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。基于超級(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(lèi)從傳統(tǒng)昂貴的線性前饋功放，經(jīng)過(guò)AB類(lèi)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(chēng)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。基站的載波數(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(lài)。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。
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