白 波，劉 舜，董 鵬，胡 健

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

氣候變化是人類(lèi)面臨的全球性問(wèn)題，碳達(dá)峰、碳中和是構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的大國(guó)擔(dān)當(dāng)。

國(guó)家層面，碳中和已成為國(guó)家重點(diǎn)任務(wù)，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1-2]。

運(yùn)營(yíng)商層面，中國(guó)電信啟動(dòng)“1236”行動(dòng)計(jì)劃，中國(guó)聯(lián)通啟動(dòng)“3+5+1+1”行動(dòng)計(jì)劃，中國(guó)移動(dòng)面對(duì)新形勢(shì)新要求，已將“綠色行動(dòng)計(jì)劃”升級(jí)為“C2三能計(jì)劃”，創(chuàng)新構(gòu)建“三能六綠”發(fā)展模式。

化石能源現(xiàn)階段依然是我國(guó)能源的支柱，同時(shí)我國(guó)的能源效率低于世界平均水平。資料顯示，我國(guó)單位GDP 消耗的能源仍是世界平均水平的1.3 倍。信息通信行業(yè)的能耗主要集中在信息基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備，研究表明信息基礎(chǔ)設(shè)施是信息通信行業(yè)能耗的最主要來(lái)源，占行業(yè)總能耗將近70%，信息基礎(chǔ)設(shè)施的綠色低碳化是通信行業(yè)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵，研究基礎(chǔ)設(shè)施低碳規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能技術(shù)部署方案，打造極致綠色的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同訴求[3]。

1 通信基站基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，通信基站基礎(chǔ)設(shè)施缺乏主動(dòng)規(guī)劃，存在多套設(shè)施疊加建設(shè)；電源、備電、空間不匹配，運(yùn)營(yíng)缺乏精細(xì)化管理，無(wú)效能耗高，系統(tǒng)運(yùn)行效率低；運(yùn)維尚未實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維，效率低下且成本高，缺乏對(duì)設(shè)備的全生命周期管理和評(píng)價(jià)[4]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年通信行業(yè)碳排放約2.33 億噸，其中基站碳排放每年約15 201 萬(wàn)噸，占比通信行業(yè)碳排的65%，根據(jù)移動(dòng)5G 計(jì)劃預(yù)測(cè)，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署，未來(lái)5 年電費(fèi)增長(zhǎng)74%，碳排放增加1.3 倍，相關(guān)數(shù)據(jù)分析如圖1 所示。

圖1 通信行業(yè)碳排放分布及預(yù)測(cè)圖

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)碳排放載體分為基站、機(jī)房和維護(hù)三大部分，傳統(tǒng)通信基站能源普遍以市電、油機(jī)供給為主，新能源供給基站僅占2%。同時(shí)，傳統(tǒng)基站由交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、空調(diào)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控組成。交流電源系統(tǒng)主要由外電引入、交流配電屏（箱）、發(fā)電機(jī)等組成。直流電源系統(tǒng)由組合式開(kāi)關(guān)電源、蓄電池組、供電電源饋線及直流供電負(fù)荷組成。另機(jī)房需要控制在一定的溫度和濕度范圍，配置相應(yīng)的空房間及空調(diào)設(shè)備，能源用電效率低、損耗高，主設(shè)備用電約占58%，配套設(shè)備用電高達(dá)約42%。

2 面向低碳目標(biāo)的移動(dòng)通信基站基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方法

2.1 目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃

面向碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)，嚴(yán)格管控自身能源消耗、碳排放增幅，持續(xù)降低能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度，提出基于三大能效指標(biāo)[5]，采用面向“低碳”目標(biāo)網(wǎng)整體規(guī)劃的全場(chǎng)景、全生命周期邏輯集成式規(guī)劃方法，圍繞基站和機(jī)房構(gòu)筑全場(chǎng)景全生命周期低碳，向綠色低碳基礎(chǔ)設(shè)施目標(biāo)持續(xù)演進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)綜合能耗持續(xù)降低，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展[6]，如圖2 所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)及三大指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)碳排放可量化、可跟蹤、可優(yōu)化，從總量和能效兩個(gè)維度進(jìn)行管控，從而構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)（Network carbon neutrality，NCN）以及三大能耗指標(biāo)：

網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)（NCN）：

能源碳排系數(shù)（Carbon Intensity，CRCO2）:

配套設(shè)備能效（Power Usage Effectiveness，PUE）[7]：

通信設(shè)備能效（Energy Efficiency，EEBTS）：

其中，EGGreen、EGGrid、EGD.G分別是通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)所用新能源發(fā)電總量、市電總量、油機(jī)發(fā)電總量；CRCO2、CRD.G分別是二氧化碳與火力發(fā)電轉(zhuǎn)化比率和與柴油發(fā)電轉(zhuǎn)化比率；ECTelecomEquip、ECTotal是通信設(shè)備輸入側(cè)能耗、供電輸入側(cè)能耗[8]。

可以通過(guò)降低三大能效指標(biāo)降低NCN，當(dāng)NCN 為0時(shí)代表通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)碳中和，如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)構(gòu)成圖

2.3 規(guī)劃方案及關(guān)鍵問(wèn)題

為更好地構(gòu)建低碳全生命周期，可以基于“綠電節(jié)能、高效配電、極簡(jiǎn)用電、主設(shè)備節(jié)能、比特管瓦特”的低碳通信基站方案降低三大能效指標(biāo)，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)，實(shí)現(xiàn)“低碳”建網(wǎng)、“低碳”運(yùn)行、“低碳”營(yíng)維[9]。

2.3.1 綠電節(jié)能

綠電節(jié)能可以通過(guò)采用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源替代傳統(tǒng)能源，光儲(chǔ)一體化替代油機(jī)，電力市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)綠電、錯(cuò)峰用電，電網(wǎng)協(xié)同等方式，從綠色能源使用者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)者，降低能源碳排系數(shù)（CRCO2），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“低碳”運(yùn)行。

2.3.2 高校配電

高效配電可以通過(guò)高效電源模塊，鋰電升壓降低線損，提升電源轉(zhuǎn)換效率，降低配套設(shè)備能效（PUE），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“低碳”運(yùn)行[10]。

2.3.3 比特管瓦特

比特管瓦特可以通過(guò)節(jié)能平臺(tái)建立基站信息數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)基站數(shù)字孿生，借助AI 輔助智能診斷、自動(dòng)方案設(shè)計(jì)、模型仿真、能效評(píng)估，降低配套設(shè)備能效（PUE），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“低碳”營(yíng)維[10]。

2.3.4 主設(shè)備節(jié)能

主設(shè)備節(jié)能主要通過(guò)分析控制負(fù)載/流量，可以通過(guò)亞幀靜默、通道靜默、淺層休眠、深度休眠、BBU/RRU 融合及同覆蓋小區(qū)智能關(guān)斷等手段實(shí)現(xiàn)降低通信設(shè)備能效（EEBTS），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“低碳”運(yùn)行。

初步分析，負(fù)載/流量是主要影響能效的因素，負(fù)載越高/能效越大，則能效越高，能效和流量關(guān)系如圖4所示。

圖4 能效和流量關(guān)系模型圖

部分節(jié)能手段的技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用建議如下。

亞幀靜默指的是5G 基站檢測(cè)到部分下行亞幀（下行符號(hào)）無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，關(guān)閉射頻硬件，從而降低基站功耗的技術(shù)。建議所有5G 宏基站全時(shí)段開(kāi)啟，只開(kāi)通5G時(shí)，在5% PRB 利用率時(shí)可獲得10%～15%的節(jié)電效果。

通道靜默指多通道基站（64/32 通道）在低負(fù)荷時(shí)通過(guò)關(guān)閉基站部分射頻通道，從而降低基站功耗的技術(shù)。在64/32 通道基站覆蓋區(qū)域（農(nóng)村等站間距較大的場(chǎng)景除外）夜間閑時(shí)應(yīng)用該技術(shù)，5G 單模基站在5% PRB 利用率時(shí)，可獲得10%～15%的節(jié)電效果。

淺層休眠是基站關(guān)閉5G AAU 的功放等模擬器件，AAU 進(jìn)入淺層休眠狀態(tài)從而降低功耗。設(shè)備只工作在5G 狀態(tài)時(shí)，當(dāng)5G 業(yè)務(wù)量極低時(shí)開(kāi)啟該功能，可實(shí)現(xiàn)20%～30%的AAU 節(jié)電效果[11]。

深度休眠是基站關(guān)閉5G AAU 的功放、射頻以及數(shù)字通路，僅保留最基本的數(shù)字接口電路工作，AAU 進(jìn)入深度休眠狀態(tài)從而降低功耗的技術(shù)。應(yīng)分時(shí)段按照不同策略應(yīng)用該技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)40%～80% 的AAU 節(jié)電效果[12]。

2.3.5 極簡(jiǎn)用電

極簡(jiǎn)用電可以通過(guò)CRAN 改造、由柜替房、基站室外化改造、應(yīng)用高密及多頻模塊、應(yīng)用一體化天線等手段實(shí)現(xiàn)降低配套設(shè)備能效（PUE）及通信設(shè)備能效，多種手段聯(lián)合實(shí)現(xiàn)如下：將BBU 合并并集中到CRAN 機(jī)房（通過(guò)室外機(jī)柜代替），DRAN 站點(diǎn)側(cè)AAU/RRU 應(yīng)用高密多頻模塊/一體化天線實(shí)現(xiàn)掛桿/塔，如圖5 所示，通過(guò)進(jìn)一步使用室外自散熱電源/電池，去空調(diào)提升能效，溫控節(jié)能約80%，整站降耗38%～68%，同時(shí)還可降低租金/服務(wù)費(fèi)[13]。

圖5 極簡(jiǎn)用電改造前后對(duì)比圖

以某T 市運(yùn)營(yíng)商為例，通過(guò)C-RAN 架構(gòu)，BBU 集中部署，基站從室內(nèi)到室外，免去空調(diào)、機(jī)房等配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)“一站一刀”極簡(jiǎn)站點(diǎn)，推出綠色站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模型，計(jì)劃打造全國(guó)最大綠色5G 極簡(jiǎn)站示范城市，建設(shè)3 000個(gè)極簡(jiǎn)基站，可實(shí)現(xiàn)每年減少碳排放35 000 噸，節(jié)省OPEX 4 200 萬(wàn)～7 500 萬(wàn)元，踐行國(guó)家雙碳目標(biāo)，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電費(fèi)計(jì)算比較

3 未來(lái)開(kāi)展重點(diǎn)與建議

當(dāng)前，我國(guó)正處于“數(shù)字化”和“綠色化”轉(zhuǎn)型加速建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，通信基站基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方法的制定應(yīng)與低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)相適應(yīng)并優(yōu)先解決以上所述的各方面關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)該領(lǐng)域，建議未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)重點(diǎn)開(kāi)展以下工作：

（1）跟蹤政府和國(guó)家部委對(duì)用能企業(yè)的碳排放政策，積極參與碳交易試點(diǎn)工作，建立碳排放的考核指標(biāo)體系，制定年度減排目標(biāo)，出臺(tái)對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)懲制度；

（2）在通信運(yùn)營(yíng)企業(yè)內(nèi)形成關(guān)于管理流程、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、5G 基站、通信設(shè)備以及配套設(shè)備的與碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)相一致的低碳評(píng)價(jià)體系；

（3）在新能源的建設(shè)上積極爭(zhēng)取國(guó)家/地方政府政策，在獲取國(guó)家/地方政府新能源的財(cái)政補(bǔ)貼的同時(shí)，可抵消企業(yè)的碳排放；

（4）以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，促進(jìn)通信設(shè)備芯片級(jí)的自主節(jié)能，引入AI 算法，以業(yè)務(wù)反向影響電源和空調(diào)設(shè)施供電控制，降低無(wú)效供電消耗，實(shí)現(xiàn)基站能源管理的智能化與低碳化。

4 結(jié)論

要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和任重道遠(yuǎn)，需要厘清能耗現(xiàn)狀，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，淘汰高能耗設(shè)備，引入新技術(shù)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，綜合施策。本文從通信基站能耗現(xiàn)狀、基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀及能效三大指標(biāo)入手，提出面向低碳目標(biāo)的移動(dòng)通信基站基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方法[14]，通過(guò)“綠電節(jié)能、高效配電、極簡(jiǎn)用電、主設(shè)備節(jié)能、比特管瓦特”的低碳通信基站方案降低三大能效指標(biāo)，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)碳中和指數(shù)，實(shí)現(xiàn)“低碳”建網(wǎng)、“低碳”運(yùn)行、“低碳”營(yíng)維。然而規(guī)劃方法和模型還不夠成熟，持續(xù)摸索和改進(jìn)是未來(lái)共同努力的方向[15]。