双碳目标下5G低碳基站建设运营探索

双碳目标下5G低碳基站建设运营探索

吴晓梅 王旭

中国铁塔股份有限公司

【摘要】   随着双碳目标写入国家发展战略及5G建设的提速，通信基站建设运营过程中的节能减碳迫在眉睫，基于此绿色低碳已成为5G网络建设运营的核心思想。具体实践中，总体思路是将5G基站的绿色低碳理念贯穿建设运营的各个环节，实现全场景全生命周期能耗和碳排放的管理优化。本文从基站规划、设备制造和基站建设运维三方面探索5G基站建设运营方面的绿色低碳新技术、新举措和新方案，积极落实国家“碳达峰、碳中和”政策，为行业能效达标做出新努力。

一、建设5G低碳网络的必要性

       目前，以全球变暖为显著特征的气候变化已深刻影响人类的生存和社会发展。面对气候变暖带来的严重威胁和挑战，降低碳排放已成为关乎人类社会能否可持续发展的关键，积极采取措施应对气候变化已成为世界各国的共同意愿和紧迫需求。

       世界主要经济体已经相继承诺要在本世纪中叶达成碳中和目标，欧盟应对气候变化的《欧洲绿色新政》规划在2050 年之前使欧洲成为第一个气候中立的大洲，美国亦正式重新加入《巴黎协定》，推动包括美国在内的主要温室气体排放国采取减排举措。2020年9月习主席也在第75届联合国大会上提出中国的3060碳达峰、碳中和目标（即2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和）。中国GDP占全球17%，而碳排放占全球28%，双碳目标的提出意味着我国要用30年的时间走完发达国家60年的里程，所以3060目标实现是一项时间短、任务重、转型难的重大挑战，也意味着经济增长的范式将会发生深刻变化，通信行业在内的各行各业要以更快的速度、更优的路径实现产业转型、升级和高质量发展。

       在5G的快速发展过程中，能耗问题始终是一个不可忽视的问题。理论上，5G采用中频大带宽结合Massive MIMO技术及C-RAN绿色架构，5G基站能效大幅提升，功率承载效率可以达到4G的30倍以上。但由于目前5G承载的业务还不够多，网络利用率还不够高，导致5G基础的能效优势没有得到充分发挥，目前5G的绝对能耗仍然处于较高水平。截至2023年底，我国已建成5G基站超过337万个，占全球70%，5G手机用户超过8.05亿，5G行业应用也逐步步入规模推广阶段，可以说我国5G的发展无论是网络的建设部署，还是用户发展和行业应用，都是全球之最。但是随着5G 网络的规模部署，站点数量及设备数量的增加也带来网络建设阶段及运营阶段碳排放量的大幅增加。另外，5G建设还面临2G/3G/4G/5G“四代同堂”的大背景，多网并存运营带来能耗叠加，这些都要求5G在建设阶段就要做到绿色、节能，这是运营商面临的挑战，也是设备商要解决的问题。

       综上所述，为应对5G基站部署带来的高能耗问题，实现基站的节能减排，应在5G基站建设运营的各个环节践行绿色低碳理念，探索新材料、研究新技术和推出新方案，实现全场景全生命周期能耗和碳排放的管理优化。

二、5G低碳基站建设思路

       以典型的无线网络为例，5G基站能耗主要来源于无线主设备、空调和电源设备，其中无线主设备能耗(射频单元+基带单元)占无线网络总能耗约50%，另外50%来自空调、电源等消耗；在主设备能耗中80%来自射频单元的消耗，其中PA的能耗约占射频单元的63%（约占基站的25.2%），是绝对的能耗大户。基于5G基站的能耗构成，5G基站的能耗控制需要统筹考虑主设备和配套设备的影响。

       5G基站的高能耗对运营商的影响主要有两方面：一是建网成本高，能耗高需要大容量配套设备，所以无论是外市电引入还是电源、空调的配置需要更高的成本；二是运营成本高，单站2-3倍于4G的电费成本，对运营商来说是一笔庞大的OPEX开销，基于这两方面的影响，5G基站的能耗控制需要从全网络、全生命周期来统筹考虑，低碳理念应该贯穿5G基站建设运营的各个环节，即从建站到运行到运维，全场景全生命周期进行能耗和碳排放的管理优化。

三、5G低碳基站建设方法

1、网络规划设计环节

       在5G基站建设规划设计阶段，践行共建共享理念，推动绿色节能网络建设是减少网络碳排放和推动低碳网络建设的有效措施。

       5G基站的共建共享包括主设备共享和配套设备共享两方面。主设备方面，目前4家运营商两张网的格局基本形成，未来可通过异网漫游的方式在农村地区四家运营商共享一张网络，进一步提高共享的广度和深度；配套设备共享方面，不同运营商共享一个机房、一套电力系统、一套室分系统的共享思路可有效实现资源的最大化利用，随着铁塔公司的成立，新建基站的共享率从成立之初的14%提高到80%以上，大部分5G基站的建设都是通过共享存量站址和社会资源完成，这样既节省了土地、钢材等社会资源，也为运营商节省了大量的网络建设成本和运营成本。同时，从高质量发展要求看，通过在全国范围内共建共享接入网络，能够高效实现5G 网络覆盖，快速形成5G服务能力，极大提升网络效益和资产运营效率。

       规划设计阶段的绿色节能建设方案还体现在组网时宏微协同、站址的极简部署以及新能源利用方面。所谓宏微协同就是在基站组网建设时，围绕覆盖目标，统筹制定宏站微站协同、室内室外协同的综合解决方案，尽可能贯彻“能用微站解决的不用宏站、能用低阶MIMO解决的不用高阶MIMO”以及在中低容量室内场景优先用无源解决方案替代有源解决方案的建设思路，700M频段的使用也使部分室内业务场景无需建设室内分布系统就可实现良好的基础网络覆盖；另外随着5G网络建设的持续推进，新建需求的增多，站点极简化快速部署、云化CRAN集中部署也使小范围集中供电需求越来越多，分散式供电走向集中式供电，更便于节能减排措施的部署，这也是通信基站实现绿色节能的重要举措；空调、电源等基站配套设备作为能耗主要来源，通过推进设备小型化，以柜代房、以杆代柜，实现基站的无机房化、室外化部署，可以大大减少机房和空调的配置成本以及后期的空调电力消耗成本。此外随着新能源技术的不断成熟，进一步提升新能源技术在通信基站中的应用十分重要。以太阳能、风能为代表的新能源，具有绿色、环保的特点，尤其适合作为位置偏远、周围地形复杂的通信基站的供电能源。太阳能供电基站和风力发电基站均是新能源技术在通信基站的典型应用，风光互补型供电基站也将是未来发展的一个重要方向。在通信基站中综合利用新能源，可以有效降低通信设备对传统能源的依赖，增强设备对环境的适应性，使得网络部署更加方便，这也是通信领域节能减排的一个重点突破口。

2、设备生产制造环节

       5G基站的设备包括主设备及相关配套设备。在设备制造阶段，采用新材料、提升工艺水平、实施智能化管控主动降耗，也是推进5G基站低碳建设的重要举措。

       主设备的能耗控制是一个主动降耗的过程。目前基站主设备采用的降耗措施包括芯片集成度的提高、新材料的使用（第三代化合物半导体的使用以及新型散热材料等）、硬件架构设计的优化等；同时，主设备软件设计水平（包括算法的使用）与能耗的关系也很大，也需要不断优化。实际上5G基站主设备的能耗与最初相比也是逐步下降的，至少下降了1/4以上，为了进一步推动5G基站主设备能耗的降低，可考虑在主设备技术要求中增加能效指标。总的来说，在主设备能耗控制方面运营商和设备商都在积极行动，在中国移动和华为等合作伙伴发布的《5G-Advanced 网络技术演进白皮书》中提到，下一步将会在空口引入能效概念，在时域和频域将业务主动分层调度；在设备层面，通过天线阵列增强和超高分辨率窄波束算法等措施降低能耗，预计到2025年，实现主设备能耗降低50%，能效提升3倍的目标。

       配套设备的能耗控制着眼点是能效的提升，可重点从新材料、新技术和新方案三方面进行突破：

       新材料方面主要集中在对电源、电池新型材料的研发和使用，比如氮化镓电源、锂硫电池、钠离子电池等。目前，通信基站的开关电源的功率器件主要还是以传统半导体材料硅为主，其能效可达95%。氮化镓属于第三代半导体材料，现阶段在消费电子、基站天馈系统等领域得到广泛应用，由于成本和工艺的问题在通信基站电源领域应用较少。氮化镓的优势是在20%～100%负载区间均能保持97%以上效率运行，较现有开关电源能效提升2%～3%，未来将是硅电源的良好替代品。电池技术方面，基站备电以锂代铅是通信电源绿色低碳发展的一个重要发展方向。相比铅酸，锂电能量密度高，极简安装，耐受高温，可通过BMS实现充放电控制，满足节能降碳的要求；锂硫电池是一种新型电池产品，其体积、重量约为磷酸铁锂电池的30%，硫作为一种工业副产品，产量大、成本低，虽然锂硫电池目前的循环寿命约为600次较磷酸铁锂电池低，但根据目前基站运行数据统计，600次循环可满足96%以上的基站需求，考虑其无污染、易于回收的特性，如可实现商业化，锂硫电池未来在通信基站领域有广阔的应用空间；钠离子电池也是一种新型电池，与锂离子电池原理相似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动工作。钠离子电池由于具有成本低、环境友好、资源丰富、耐低温等优点，有望成为代替锂离子电池的新型能源电池，其发展前景非常广阔。

       新技术方面引入智能AI算法对配套设备升级可有效提升站点能效。开关电源是基站的核心资产，从一体式固定配置发展到分户型的按运营商预留，再发展为分路型的软件定义运营商和连接设备属性，通过引入AI算法对开关电源实现软件定义，最大程度提升了电源系统的灵活性，可有效降低建设成本。智能化升级后的开关电源实现了能源切片，可以基于业务需求，实现分场景、分用户、分路精准下电管理。通过对用电的可视、可管、可控，可实现精准的节能管理；基站温控系统方面，空调耗电较大，几乎占到5G基站近一半耗电量，通过高效嵌入式空调、无空调室外机柜的研发，可大幅减少基站空调用电。除此之外，结合地域气候特点，充分利用室外自然冷源，因地制宜选择空调系统方案，可降低TCO；通过优化机房气流组织，控制机房温度，可提高空调制冷效率，均是改善基站温控系统的新技术、新思路。

       新方案方面，介绍两个方案，高压直流远供方案和智能削峰方案。适合5G CRAN部署需求的高压直流远供方案，满足集中供备电、分布用电的供电需求。传统的基站直流远供方案存在传输损耗大、供电效率不高的问题。优化后的高压直流远供方案在现有240V/336V直流远供技术基础上，大幅提升系统工作电压至750V，更容易实现大功率、远距离的电力传送，并且750V系统的线路损耗仅为25%，低于传统供电系统30%的线路损耗；智能削峰方案也是一种集约型的供电方案，按照传统设计方式，5G单系统市电容量需求约8kVA～10kVA，现有存量站市电引入容量普遍在10kVA～20kVA，大量存量共享站需进行市电增容改造。智能削峰方案借助开关电源限流功能，通过错峰充电、限流充电、储能电池削峰等方式，压缩基站外市电容量需求，最大可减少峰值功耗30%的市电需求。对于市电引入费高、引电周期长且市电缺口较小的站点，通过智能削峰方案，可以实现部分站点市电免改造，降低外市电改造成本，缩短建设周期。

3、基站运营维护环节

       在基站的全生命周期中，网络规划和设备制造环节解决的是先天能耗控制问题，实际上在基站的全生命周期中，这两个环节的能耗控制是非常关键的。当然后期运维环节的能耗控制也是非常重要的，解决的是后期运行中的能耗问题。大数据技术和人工智能技术的发展为运维环节的能耗控制提供了技术保障。针对单一基站，通过配置智能化电源，在对AAU精准分路计量、分路控制的基础上，基于网管业务数据，在闲时将部分AAU自动关断或者进入休眠状态可以降低能耗；针对目前2/3/4/5G多网共存局面，基于多层网同覆盖识别，通过大数据和AI智能分析，在自动识别基础覆盖小区和容量补热小区的基础上，根据业务量变化采用智能关断和深度休眠技术，灵活进入节电模式，可实现多层网同覆盖的识别和协作关断。另外还可以实现室内室外协同节能，通过对网管数据分析，得出业务潮汐效应比较明显的站点（如学校、商场、办公楼等场景）、室外覆盖室内的一些站点，在室内业务退潮时，智能关断或者休眠室内基站，通过自动调整室外基站参数满足室内基本覆盖，实现室内节能。

四、结束语

上述主要从基站规划、设备制造、基站运维三个方面与大家交流了在碳达峰、碳中和背景下，如何做好5G基站的建设和运营，要做好这项工作，需要整个行业持续开展产、学、研的协作研究，探索新材料、研究新技术、提出新方案和产业链上下游的协同合作。

【作者】：

吴晓梅：理学和工商管理双硕士，享受国务院政府特殊津贴，现任中国铁塔股份有限公司通信技术研究院副院长。曾先后在中国移动山西公司、北京公司工作，从事过网络运营管理、网络规划优化、市场营销、创新研发管理等相关工作,具有丰富的专业技术工作经历和基层工作经验，获得多项省部级奖励，持有多项发明专利。

王旭，硕士，中级工程师。现工作于中国铁塔股份有限公司新能源重点实验室，主要从事基站电源配套、新能源技术研发工作。曾主要参与完成了省部级“北京安全充电”科研项目和多项中国铁塔公司重点研发课题。目前申请专利6项，发表学术论文4篇。