張羽白，孫啟民，張 馳

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 公網(wǎng)5G綠色發(fā)展概況

隨著全球5G 通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，如何保證5G 網(wǎng)絡(luò)能耗適時(shí)可控是5G 可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。3GPP R18 希望通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)定義的節(jié)能模式，幫助運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一的節(jié)能策略部署。下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟也表示2022 年制定全球綠色網(wǎng)絡(luò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)化的5G 優(yōu)勢(shì)推動(dòng)全球綠色5G 可持續(xù)發(fā)展。

2019 年中國(guó)聯(lián)通發(fā)布《5G 智能節(jié)能技術(shù)白皮書(shū)》、2020 年中國(guó)移動(dòng)發(fā)布《5G 基站節(jié)能技術(shù)白皮書(shū)》，均以5G 基站節(jié)能需求為目標(biāo)，從設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)3 個(gè)層面進(jìn)行節(jié)能分析研究，提出相應(yīng)的技術(shù)需求和應(yīng)用場(chǎng)景建議。公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商5G 基站節(jié)能技術(shù)的總體目標(biāo)為降低基站功耗，通過(guò)基站與配套設(shè)備的降耗、綠色新能源的試點(diǎn)推廣應(yīng)用及機(jī)房的整體溫控策略，實(shí)現(xiàn)更加綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展的5G 網(wǎng)絡(luò)，滿足5G 發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)要求。

國(guó)內(nèi)通信設(shè)備廠家也針對(duì)5G 節(jié)能措施及可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)研究。2020 年中興通訊股份有限公司發(fā)布《Power Pilot 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗技術(shù)白皮書(shū)》，著重分析在5G 網(wǎng)絡(luò)與存量的 2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)并存的情況下5G 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能措施，重點(diǎn)研究了話務(wù)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)容量之間的匹配方案，提出網(wǎng)絡(luò)能耗和網(wǎng)絡(luò)性能之間的匹配措施。2021 年華為發(fā)布《綠色5G 白皮書(shū)》，提出建立綠色能效評(píng)估體系推動(dòng)綠色5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的策略，分析影響網(wǎng)絡(luò)能效的關(guān)鍵因素，從天線、設(shè)備以及分析硬件功耗與負(fù)載之間的曲線關(guān)系等措施實(shí)現(xiàn)綠色5G 的可持續(xù)發(fā)展。

2 鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)綠色化運(yùn)行發(fā)展分析

目前鐵路專用移動(dòng)通信主要為GSM-R 系統(tǒng)，已廣泛覆蓋全國(guó)高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路、其他新建鐵路及部分普速鐵路，GSM-R 基站機(jī)房?jī)?nèi)主要耗電設(shè)備及碳排放因素包括以下幾方面。

1）基站設(shè)備自身耗電。

2）機(jī)房配套設(shè)施耗電，包括空調(diào)、開(kāi)關(guān)電源及其他配套設(shè)備，其中以空調(diào)的耗電量最大。由于傳統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的溫控措施主要依賴空調(diào)，沒(méi)有新風(fēng)系統(tǒng)以及其他制冷措施，且空調(diào)沒(méi)有智能管控手段，導(dǎo)致空調(diào)一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。

3）外部供電主要依賴傳統(tǒng)方式，新能源供電占比低。

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司當(dāng)前正在開(kāi)展5G專用移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G-R）的技術(shù)研究工作。未來(lái)將逐步開(kāi)展鐵路5G-R 的規(guī)模建設(shè)，由于無(wú)線頻率等因素，鐵路5G-R 系統(tǒng)相比于GSM-R，將出現(xiàn)更小基站間距、更大基站數(shù)量、更高站點(diǎn)能耗以及更高的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，研究切實(shí)可行的鐵路5G-R 基站綠色化運(yùn)行方案既是國(guó)家雙碳政策的需要，也是推進(jìn)鐵路通信系統(tǒng)綠色可持續(xù)發(fā)展的需要。

推進(jìn)鐵路5G-R 基站綠色化運(yùn)行應(yīng)秉行保證鐵路通信業(yè)務(wù)不受影響的情況下同時(shí)符合產(chǎn)業(yè)政策、可持續(xù)發(fā)展的原則。鐵路通信業(yè)務(wù)為鐵路行車(chē)指揮提供通信保障，具有同一線路不同小區(qū)話務(wù)量差異大，不同線路不同覆蓋區(qū)域話務(wù)量差異大，室內(nèi)場(chǎng)景話務(wù)量閑時(shí)長(zhǎng)于室外場(chǎng)景，大型車(chē)站、辦公樓話務(wù)量潮汐效應(yīng)明顯等特征。考慮到鐵路線路的特殊性、業(yè)務(wù)多樣性以及運(yùn)行維護(hù)特點(diǎn)，推進(jìn)鐵路5G-R 基站綠色化運(yùn)行可在借鑒公網(wǎng)綠色化發(fā)展策略的基礎(chǔ)上結(jié)合鐵路業(yè)務(wù)特性進(jìn)行分析，重點(diǎn)從基站節(jié)能控制、新能源技術(shù)在基站領(lǐng)域應(yīng)用以及基站機(jī)房空調(diào)智能管控、新風(fēng)節(jié)能技術(shù)融合應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。

2.1 基站節(jié)能控制技術(shù)

針對(duì)基站節(jié)能控制策略應(yīng)在滿足鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求的前提下，分析5G-R 基站業(yè)務(wù)量與功耗之間的關(guān)系，梳理5G-R 業(yè)務(wù)需求建立5G-R 基站業(yè)務(wù)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，從設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)3 個(gè)層面進(jìn)行基站節(jié)能策略研究。

2.1.1 設(shè)備級(jí)節(jié)能控制

5G-R 基站設(shè)備能耗中占比較大的器件主要有功率放大器、數(shù)字中頻模塊、小信號(hào)模塊和基帶板，在滿載情況下，這部分器件的功耗可以占到基站設(shè)備整體功耗的90%左右，設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)的研究主要聚焦于對(duì)以上部件的改進(jìn)，如更高制程的芯片工藝，采用高集成度ASIC 芯片代替FPGA 芯片，用小型化氮化鎵（GaN）功率放大器代替LDMOS 功率放大器等。

2.1.2 站點(diǎn)級(jí)節(jié)能控制

通過(guò)基站能耗分析并結(jié)合業(yè)務(wù)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型進(jìn)行軟件節(jié)能控制，從而實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)級(jí)的節(jié)能目標(biāo)。主要措施包括符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、功放調(diào)壓和深度休眠等。依據(jù)《鐵路5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)和功能需求暫行規(guī)范》和《鐵路5G 專用移動(dòng)通信（5GR）系統(tǒng)總體技術(shù)暫行要求》，梳理5G-R 基站部署的典型場(chǎng)景，包括鐵路區(qū)間場(chǎng)景、大型車(chē)站場(chǎng)景、大型貨場(chǎng)場(chǎng)景等，分別分析這些典型場(chǎng)景的5G-R 部署特征、業(yè)務(wù)特征及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求等特征，分析節(jié)能技術(shù)對(duì)鐵路不同應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能控制

網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能控制可通過(guò)采取相應(yīng)技術(shù)手段降低站點(diǎn)密度，加大站距并提高系統(tǒng)覆蓋效率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)能耗的降低。例如針對(duì)5G-R 基站密度大等問(wèn)題，可通過(guò)采用智能超表面（RIS）技術(shù)針對(duì)特定弱場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，從深度上拓寬覆蓋區(qū)域；或采用透鏡天線、釘狀定向天線等技術(shù)提高天線的發(fā)射效率，從廣度上拓寬覆蓋區(qū)域。

2.2 基站新能源技術(shù)

在確保鐵路安全運(yùn)營(yíng)的前提下，根據(jù)各類綠色能源的特性，結(jié)合鐵路沿線基站機(jī)房的環(huán)境條件，研究新能源技術(shù)在基站領(lǐng)域的應(yīng)用方案，通過(guò)新能源的利用減少傳統(tǒng)用電，從而減少因5G-R 基站機(jī)房用電引起的碳排放。

基站新能源技術(shù)研究應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合基站所在區(qū)域的新能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，針對(duì)5G-R 基站建設(shè)地點(diǎn)的地理位置及氣候條件，分析太陽(yáng)能、風(fēng)能、風(fēng)光互補(bǔ)等綠色能源為5G-R基站機(jī)房供電的可行性，對(duì)區(qū)域內(nèi)綠色能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握其資源穩(wěn)定度及強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，如對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行輻射量等級(jí)及穩(wěn)定度等級(jí)分析，對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速、功率密度等分析。依據(jù)分析結(jié)果，在確?；痉€(wěn)定供電的前提下對(duì)基站新能源技術(shù)提出相應(yīng)的研究方案。鐵路基站新能源技術(shù)研究主要包括如圖1 所示相關(guān)內(nèi)容。

圖1 基站新能源技術(shù)研究主要內(nèi)容Fig.1 Main contents of base station new energy technology research

2.3 基站機(jī)房空調(diào)智能管控技術(shù)、新風(fēng)節(jié)能技術(shù)融合應(yīng)用

根據(jù)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)基站機(jī)房的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)5G-R 基站機(jī)房的建設(shè)要求進(jìn)行研究，重點(diǎn)評(píng)估5G-R 基站機(jī)房的資源配置、設(shè)備能耗、機(jī)房布局及熱力分布、站點(diǎn)氣候條件等關(guān)鍵因素，并重點(diǎn)研究基站機(jī)房?jī)?nèi)智能空調(diào)、自清潔新風(fēng)系統(tǒng)部署方案、節(jié)能管控策略以及智能化節(jié)能管控技術(shù)、高熱區(qū)域的溫控措施，同時(shí)結(jié)合新能源技術(shù)進(jìn)行基站機(jī)房新能源技術(shù)、空調(diào)智能管控與新風(fēng)節(jié)能技術(shù)的融合應(yīng)用研究。

針對(duì)上述研究，可建設(shè)基于融合應(yīng)用方案及節(jié)能管控技術(shù)研究的基站機(jī)房能耗一體化智能管控平臺(tái)?；緳C(jī)房能耗一體化智能管控平臺(tái)應(yīng)具備能耗監(jiān)測(cè)、熱力分布監(jiān)測(cè)、節(jié)能策略管控等功能。基于該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)的資源臺(tái)賬可視化管理、設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)及趨勢(shì)分析、熱力分布監(jiān)測(cè)及趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管控策略的自動(dòng)學(xué)習(xí)及人工輔助設(shè)定，實(shí)現(xiàn)空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)的智能管控，同時(shí)可支持5G-R基站的設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)及網(wǎng)絡(luò)級(jí)能效評(píng)估，驗(yàn)證融合應(yīng)用方案及管控技術(shù)的節(jié)能降耗效果，為基站節(jié)能技術(shù)研究及基站節(jié)能控制策略的制定提供數(shù)據(jù)支撐，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色基站機(jī)房的節(jié)能目標(biāo)?？照{(diào)智能管控及新風(fēng)節(jié)能技術(shù)融合應(yīng)用研究主要內(nèi)容如圖2 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路5G-R 作為鐵路下一代通信技術(shù)，容量更大、靈活性與兼容性更強(qiáng)等特性，未來(lái)將被大規(guī)模部署，逐步替代GSM-R 系統(tǒng)。當(dāng)前針對(duì)鐵路5G-R基站綠色化運(yùn)行進(jìn)行分析研究，未來(lái)將綠色化運(yùn)行策略納入基站設(shè)備要求，既有利于鐵路通信系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，又便于在鐵路5G-R 建設(shè)初期形成綠色節(jié)能的基站設(shè)備供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，為構(gòu)建鐵路5G-R綠色基站標(biāo)準(zhǔn)體系打下基礎(chǔ)。在鐵路5G-R 基站綠色化運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)不斷改進(jìn)升級(jí)逐步形成鐵路5G-R 綠色基站標(biāo)準(zhǔn)化體系，一方面可使得標(biāo)準(zhǔn)化助力行業(yè)發(fā)展，另一方面也將有利于中國(guó)鐵路綠色移動(dòng)通信建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的推廣和發(fā)展。分析研究鐵路5G-R 基站綠色化運(yùn)行既是國(guó)家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)所需，也是中國(guó)鐵路可持續(xù)綠色發(fā)展奏響交通運(yùn)輸行業(yè)行穩(wěn)致遠(yuǎn)的“主旋律”。