绿色通信基站的组成和功耗分析

绿色通信基站的组成和功耗分析

本章首先对基站的组成、工作原理以及技术发展方向进行简单介绍,再进一步分析基站的功耗的组成和降耗的可能性。

2.1基站的概述

为了深入了解基站的节能技术和产业情况,我们首先对基站的基本组成和技术应用做简单的分析和介绍。

2.1.1基站定义

基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式,是指在一定的无线电覆盖区中,通过移动通信交换中心,与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。移动通信基站的建设是移动通信运营商投资内容的重要部分,移动通信基站的建设一般都是围绕着覆盖范围、通话质量、建设难易、维护方便、投资效益等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展,移动通信基站的发展趋势也必然是宽带化、lP化及大覆盖面建设。

广义的基站,是基站子系统(Bss,BaseStationsubsystem)的简称。以GSM网络为例,包括基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)。一个基站控制器可以控制几个、十几个以至数十个基站收发信机。而在WCDMA等系统中,类似的概念称为NodeB和RNC。

狭义的基站,即公用移动通信基站是无线电台站的一科,形式,是指在一定的无线电覆盖区中,通过移动通信交换中心,与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

2.1.2基站的构成

一个基站的选择,通常需要从性能、配套、兼容性及使用要求等各方面综合考虑,其中特别要注意的是基站设备必须与移动交换中心相兼容或配套,这样才能取得较好的通信效果。基站子系统主要包括两类设备:基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)。

基站收发台

大家经常看到的房顶上高高的天线,就是基站收发台的一部分。一个完整的基站收发台包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。基站收发台可以被看作一个无线调制解调器,负责移动信号的接收、发送处理。一般情况下在某个区域内,多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络,通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送,这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。如果没有了收发台,那就不可能完成手机信号的发送和接收。基站收发台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区。所以基站收发台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。基站收发台在基站控制器的控制下,完成基站的控制与无线信道之间的转换,实现手机通信信号的收发与移动平台之间通过空中无线传输及相关的控制功能。收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送。

基站使用的天线分为发射天线和接收天线,且有全向和定向之分,一般可有下列三种配置方式:发全向、收全向方式;发全向、收定向方式;发定向、收定向方式。

由于信号传输到基站时可能比较弱,并且有一定的信号干扰,所以要经预选器模块滤波和放大,进行双重变频、放大和鉴频处理。功率放大器模块的作用是把信号放大到IOW,不过这也依据实际情况而定,如果小区发射信号半径较大,也

可采用25W或40W的功放模块,以增强信号的发送半径。

基站控制器

基站控制器包括无线收发信机、.天线和有关的信号处理电路等,是基站子系统的控制部分。主要包括四个部件:小区控制器(CSC)、话音信道控制器(VCC)、信令信道控制器(SCC)和用于扩充的多路端接口(EMPI)。一个基站控制器通常控制几个基站收发台,通过收发台和移动台的远端命令,基站控制器负责所有的移动通信接口管理,主要是无线信道的分配、释放和管理。当你使用移动电话时,它负责为你打开一个信号通道,通话结束时它又把这个信道关闭,留给其他人使用。除此之外,还对本控制区内移动台的越区切换进行控制。如你在使用手机时跨入另一个基站的信号收发范围时,控制器又负责在另一个基站之间相互切换,并保持始终与移动交换中心的连接。

2.1.3基站的分类

基站应该基于环境来分类,总体来说可分为四大类:第一类为宏基站,英语叫MACRO,发射功率大,支持的载扇数多,体积较大;第二是微基站,发射功率小,支持的载扇数少,体积较小;第三种类型是分布式基站,和二代相比,分布式基站是三代新增的一种基站;第四类是微微基站,英语叫做PICO,发射功率更小,体积轻巧,主要用于室内覆盖。

在不同的环境下,运营商对基站类型的需求也是不一样的。应用类型主要分为三种环境—城区环境、农村环境和室内覆盖环境。针对这些环境应用,我们应该采用不同类型的基站来适应相应的业务需求。

2.1.4基站的发展趋势

无论ZG还是3G基站,都有一些通用的要求,总结起来有八点:性能卓越,包括接收灵敏度、抗干扰能力、极限容量、发射频谱等;投资节省,就是降低综合运营成本,能够充分利用己有投资,设备投资注重长远收益;基站的容量配置比较灵活,支持多载波技术、大功率功放、多频段;支持的业务更加多样,除了基本业务还能支持一些新的业务,对视频和其它新的业务支持更加方便;产品的形态更加丰富,如宏蜂窝基站、微基站,小型基站,室内站和室外站等;设备的集成度更高,从射频和基带两方面提高设备的集成度;灵活的部署方式,要选址/安装方便,共用己有设施,美化环境;另外,升级维护要方便,支持硬件/软件升级、远程维护管理等。

传统型基站主要提供宏基站和微基站服务。宏基站容量大、体积大、功率大,适用于大部分区域;微基站特点是容量小、体积小,小功率型适用于密集地区和室内覆盖,大功率型适用于机房获取困难及偏远地区。特色型基站包括分布式基站RRU形式,其特点备受关注,应用前景广阔。大功率的分布式基站被用于解决大容量问题,小型化基站则主要解决室内覆盖的建网。另外还有概念型基站微微蜂窝,这主要是解决家庭小区域的覆盖。

从基站的发展趋势来看,主要呈现下面几个特点:

第一,将呈现开放式模块化的特点,使基站建设可以以“搭积木”的方式进行,能够快速响应,缩短建设时间,同时使维护设备种类减少,降低运维难度,节省运维成本。微基站将进一步缩小体积,分布式基站则继续强化灵活性,未来将扮演复杂无线环境的应用主角。

第二,基站将能够支持多载波、大容量,具有更高的集成度、更低的功耗、更高的性能。容量需求变化时只需增加信道板,就可以实现快速平滑扩容,这将成为基站的另一个重要发展趋势。现在能看到的是12个载波的系统,或者搭载更多,一个宏基站加上RUU就能够提供更好的覆盖。

第三,高功率效率。功放部分现在有两种主流实现:一种是DSP加IPTA,其中采用了软件技术,能够更灵活更快地响应市场需求;还有一种方式是采用专用的集成芯片,其优点是集成芯片能够批量生产,成本和集成度方面比第一种方式更有优势,可以有效降低维护成本,并增强系统的可靠性。

第四,IP化发展。如今从核心网到无线接入网再到终端,移动通信网络整体都在向全IP方向发展,基站设备和传输也必须注重IP化,从而降低从传统的TDM 网络直接升级为全IP网络的风险,保护投资。

第五,一些新的室内覆盖解决方案将面世。3G室内业务量特别是多媒体业务量在室内比较多,现在能够统计的结果是70%左右的业务量是发生在室内的。此外,3G对室内覆盖的要求比ZG要高,因此有必要细分各种室内覆盖的设备市场,发展大型、中型和小型室内办公,家庭办公等地区室内覆盖解决方案。

2.2基站的能耗分布分析

移动通信网络的能耗组成有很多,具体包括无线接入网络能耗,核心网络能耗,传输网络能耗,以及生产运营支撑能耗等。根据近几年的运营数据统计,移动通信基站及其机房耗电量占通信网络总耗电量的60%到70%左右。因此移动通信基站的节能降耗对移动通信网络实现节能减排目标有着十分重要的意义。

图2一l移动通信网络能耗的构成示意图

基站的实时能耗受到多种因素的影响:基站所处的环境(温度、湿度)、基站安装位置和散热方式、载频的配置和业务量、基站供电电源等r.这些都会对基站的能耗有较大的影响。基站能耗主要由射频单元功耗、基带单元功耗、数据传输单元功耗、电源分配损耗、电缆传输损耗、交直流转换损耗、冷却系统(空调与新风)组成,只有提高基站能耗主要环节的能源利用效率才能有效提高基站的整体的能源利用率,进而实现整个无线通信网络节能

无线主设备全天候不间断地运转,运转过程中消耗电能,部分转化为热能释放出来,要消除这些热能就需消耗更多的空调制冷量,所以无线主设备能耗决定了空调的制冷量及能耗。可见降低无线设备的能耗是整个移动通信网络节能的源头,优化无线网络、重点实施无线设备节能和空调系统节能是移动通信网络节能的关键。

无线设备能耗分析

无线设备用电主要取决于在网设备数量及其功耗,同时业务信道载频负荷的变化也会引起基站系统耗电很大的波动。无线设备数的不合理增加主要是由基站不合理布点造成的。进行移动通信基站的规划时,往往由于环境因素或人为因素

造成选址困难,使一些基站的布局不够合理。

为增强覆盖,实际基站建设数量比规划数量有所增加,导致网络设备数量成倍增加,使设备总体能耗增大。无线设备中耗能最大的部分是射频部分(约占总功耗的65%),而射频部分中耗能最大的部分又是功放部分(约占射频部分总功耗的80%),因此功放效率决定了基站主设备功耗。传统基站采用独立模拟功放技术,功放模块功耗约占总体功耗的60%,然而功放效率通常却低于10%。另外,基站输出功率通过馈线送到天线,也会产生功率损耗。由此可见,基站数量大、功放效率低、馈线损耗大、载频资源利用率低等都会造成无线设备功耗增加。

空调能耗分析

空调产生的能耗约占整个基站总能耗近46%。其中33%左右的能耗来源于空调的制冷系统,13%左右的能耗来源于空调的送风和回风系统。

空调制冷过程中通过频繁开启压缩机来调节房间温度,压缩机的磨损是不可避免的,而这种磨损会导致压缩机的泄漏加大,工作效率降低。另外,空调系统内的冷冻油用来润滑机械,有时会有少量进入到循环管道中并砧附在管道壁上,生成一种油膜,随着空调使用年限的增加,油膜组织会越来越多,极大地阻碍了空调的热能交换,导致空调制冷能效降低。

机房气流组织方式也会影响空调制冷效率。由于机房内设备散发的热量向上部扩散,采用地板下送风、上回风方式的气流组织形式,则空调吹出的冷风与设备热量扩散方向相同,可以加速热量散发的气流流动过程,部分冷风也能够顺着气流流动的方向直达机架内部最热的地方,直接带走热量。相反,若采用上送风、下回风的气流组织方式,空调吹出的冷风逆着设备散发的热气流方向流动,增加了热气向上散发的阻力,需要消耗更大的空调制冷量和出风风压,这无疑增加了空调系统的电能消耗。理论和实践都证明地板下送风、上回风的气流组织方式是设备散热效率最高、空调制冷效率最高的方式。

因此,采取有效的技术手段改善空调制冷系统,采用下送风、上回风方式改善机房气流组织方式,将显著降低空调系统能耗。

供电系统能耗分析

从基站机房整体能耗构成来看,电源系统整体耗能仅占5%,比重相对较小。但通信电源系统作为电能的引入端和输送通道,与用电设备相级联,能耗之间有级联效应,因此供电系统是节能工作的重要组成部分。

移动通信基站的供电系统主要由交流引入、开关电源(或UPS)和蓄电池组构成。开关电源和UPS运行过程中都会产生大量谐波,给电网带来严重的污染,使电网波形失真,降低实际负荷能力,增加损耗。其次,开关电源配置通常采取整流模块冗余配置,且在实际运行中,蓄电池的充电时间对整个电源系统而言很短,造成整流模块长期处于低负载率工作,转换效率低下,极大地浪费了能源。

2.3本章小结.

本章首先简要介绍基站的定义,并对基站构成和工作原理和发展方向进行了

重点介绍;之后重点介绍了基站功耗的组成,和降耗的重要环节。