綠色通信基站的組成和功耗分析

1、 綠色通信基站的組成和功耗分析本章首先對基站的組成、工作原理以及技術(shù)發(fā)展方向進行簡單介紹,再進一步分析基站的功耗的組成和降耗的可能性。2.1基站的概述為了深入了解基站的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)情況,我們首先對基站的基本組成和技術(shù)應(yīng)用做簡單的分析和介紹?；径x基站即公用移動通信基站是無線電臺站的一種形式,是指在一定的無線電覆蓋區(qū)中,通過移動通信交換中心,與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發(fā)信電臺。移動通信基站的建設(shè)是移動通信運營商投資內(nèi)容的重要部分,移動通信基站的建設(shè)一般都是圍繞著覆蓋范圍、通話質(zhì)量、建設(shè)難易、維護方便、投資效益等要素進行。隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)向數(shù)據(jù)化、分組化方向發(fā)展,移動通信基站

2、的發(fā)展趨勢也必然是寬帶化、lP化及大覆蓋面建設(shè)。廣義的基站,是基站子系統(tǒng)(Bss,BaseStationsubsystem)的簡稱。以GSM網(wǎng)絡(luò)為例,包括基站收發(fā)信機(BTS)和基站控制器(BSC)。一個基站控制器可以控制幾個、十幾個以至數(shù)十個基站收發(fā)信機。而在WCDMA等系統(tǒng)中,類似的概念稱為NodeB和RNC。狹義的基站,即公用移動通信基站是無線電臺站的一科,形式,是指在一定的無線電覆蓋區(qū)中,通過移動通信交換中心,與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發(fā)信電臺?；镜臉?gòu)成一個基站的選擇,通常需要從性能、配套、兼容性及使用要求等各方面綜合考慮,其中特別要注意的是基站設(shè)備必須與移動交換中心相

3、兼容或配套,這樣才能取得較好的通信效果?；咀酉到y(tǒng)主要包括兩類設(shè)備:基站收發(fā)臺(BTS)和基站控制器(BSC)?；臼瞻l(fā)臺大家經(jīng)?？吹降姆宽斏细吒叩奶炀€,就是基站收發(fā)臺的一部分。一個完整的基站收發(fā)臺包括無線發(fā)射/接收設(shè)備、天線和所有無線接口特有的信號處理部分。基站收發(fā)臺可以被看作一個無線調(diào)制解調(diào)器,負(fù)責(zé)移動信號的接收、發(fā)送處理。一般情況下在某個區(qū)域內(nèi),多個子基站和收發(fā)臺相互組成一個蜂窩狀的網(wǎng)絡(luò),通過控制收發(fā)臺與收發(fā)臺之間的信號相互傳送和接收來達(dá)到移動通信信號的傳送,這個范圍內(nèi)的地區(qū)也就是我們常說的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面。如果沒有了收發(fā)臺,那就不可能完成手機信號的發(fā)送和接收?；臼瞻l(fā)臺不能覆蓋的地區(qū)也就是手

4、機信號的盲區(qū)。所以基站收發(fā)臺發(fā)射和接收信號的范圍直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)信號的好壞以及手機是否能在這個區(qū)域內(nèi)正常使用?；臼瞻l(fā)臺在基站控制器的控制下,完成基站的控制與無線信道之間的轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)手機通信信號的收發(fā)與移動平臺之間通過空中無線傳輸及相關(guān)的控制功能。收發(fā)臺可對每個用戶的無線信號進行解碼和發(fā)送。基站使用的天線分為發(fā)射天線和接收天線,且有全向和定向之分,一般可有下列三種配置方式:發(fā)全向、收全向方式;發(fā)全向、收定向方式;發(fā)定向、收定向方式。由于信號傳輸?shù)交緯r可能比較弱,并且有一定的信號干擾,所以要經(jīng)預(yù)選器模塊濾波和放大,進行雙重變頻、放大和鑒頻處理。功率放大器模塊的作用是把信號放大到IOW,不過這也依

5、據(jù)實際情況而定,如果小區(qū)發(fā)射信號半徑較大,也可采用25W或40W的功放模塊,以增強信號的發(fā)送半徑?；究刂破骰究刂破靼o線收發(fā)信機、.天線和有關(guān)的信號處理電路等,是基站子系統(tǒng)的控制部分。主要包括四個部件:小區(qū)控制器(CSC)、話音信道控制器(VCC)、信令信道控制器(SCC)和用于擴充的多路端接口(EMPI)。一個基站控制器通?？刂茙讉€基站收發(fā)臺,通過收發(fā)臺和移動臺的遠(yuǎn)端命令,基站控制器負(fù)責(zé)所有的移動通信接口管理,主要是無線信道的分配、釋放和管理。當(dāng)你使用移動電話時,它負(fù)責(zé)為你打開一個信號通道,通話結(jié)束時它又把這個信道關(guān)閉,留給其他人使用。除此之外,還對本控制區(qū)內(nèi)移動臺的越區(qū)切換進行控制。

6、如你在使用手機時跨入另一個基站的信號收發(fā)范圍時,控制器又負(fù)責(zé)在另一個基站之間相互切換,并保持始終與移動交換中心的連接。2.1.3基站的分類基站應(yīng)該基于環(huán)境來分類,總體來說可分為四大類:第一類為宏基站,英語叫MACRO,發(fā)射功率大,支持的載扇數(shù)多,體積較大;第二是微基站,發(fā)射功率小,支持的載扇數(shù)少,體積較小;第三種類型是分布式基站,和二代相比,分布式基站是三代新增的一種基站;第四類是微微基站,英語叫做PICO,發(fā)射功率更小,體積輕巧,主要用于室內(nèi)覆蓋。在不同的環(huán)境下,運營商對基站類型的需求也是不一樣的。應(yīng)用類型主要分為三種環(huán)境城區(qū)環(huán)境、農(nóng)村環(huán)境和室內(nèi)覆蓋環(huán)境。針對這些環(huán)境應(yīng)用,我們應(yīng)該采用不同類

7、型的基站來適應(yīng)相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求。2.1.4基站的發(fā)展趨勢無論ZG還是3G基站,都有一些通用的要求,總結(jié)起來有八點:性能卓越,包括接收靈敏度、抗干擾能力、極限容量、發(fā)射頻譜等;投資節(jié)省,就是降低綜合運營成本,能夠充分利用己有投資,設(shè)備投資注重長遠(yuǎn)收益;基站的容量配置比較靈活,支持多載波技術(shù)、大功率功放、多頻段;支持的業(yè)務(wù)更加多樣,除了基本業(yè)務(wù)還能支持一些新的業(yè)務(wù),對視頻和其它新的業(yè)務(wù)支持更加方便;產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富,如宏蜂窩基站、微基站,小型基站,室內(nèi)站和室外站等;設(shè)備的集成度更高,從射頻和基帶兩方面提高設(shè)備的集成度;靈活的部署方式,要選址/安裝方便,共用己有設(shè)施,美化環(huán)境;另外,升級維護要方便,

8、支持硬件/軟件升級、遠(yuǎn)程維護管理等。傳統(tǒng)型基站主要提供宏基站和微基站服務(wù)。宏基站容量大、體積大、功率大,適用于大部分區(qū)域;微基站特點是容量小、體積小,小功率型適用于密集地區(qū)和室內(nèi)覆蓋,大功率型適用于機房獲取困難及偏遠(yuǎn)地區(qū)。特色型基站包括分布式基站RRU形式,其特點備受關(guān)注,應(yīng)用前景廣闊。大功率的分布式基站被用于解決大容量問題,小型化基站則主要解決室內(nèi)覆蓋的建網(wǎng)。另外還有概念型基站微微蜂窩,這主要是解決家庭小區(qū)域的覆蓋。從基站的發(fā)展趨勢來看,主要呈現(xiàn)下面幾個特點:第一,將呈現(xiàn)開放式模塊化的特點,使基站建設(shè)可以以“搭積木”的方式進行,能夠快速響應(yīng),縮短建設(shè)時間,同時使維護設(shè)備種類減少,降低運維難度

9、,節(jié)省運維成本。微基站將進一步縮小體積,分布式基站則繼續(xù)強化靈活性,未來將扮演復(fù)雜無線環(huán)境的應(yīng)用主角。第二,基站將能夠支持多載波、大容量,具有更高的集成度、更低的功耗、更高的性能。容量需求變化時只需增加信道板,就可以實現(xiàn)快速平滑擴容,這將成為基站的另一個重要發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在能看到的是12個載波的系統(tǒng),或者搭載更多,一個宏基站加上RUU就能夠提供更好的覆蓋。第三,高功率效率。功放部分現(xiàn)在有兩種主流實現(xiàn):一種是DSP加IPTA,其中采用了軟件技術(shù),能夠更靈活更快地響應(yīng)市場需求;還有一種方式是采用專用的集成芯片,其優(yōu)點是集成芯片能夠批量生產(chǎn),成本和集成度方面比第一種方式更有優(yōu)勢,可以有效降低維護成本,

10、并增強系統(tǒng)的可靠性。第四,IP化發(fā)展。如今從核心網(wǎng)到無線接入網(wǎng)再到終端,移動通信網(wǎng)絡(luò)整體都在向全IP方向發(fā)展,基站設(shè)備和傳輸也必須注重IP化,從而降低從傳統(tǒng)的TDM網(wǎng)絡(luò)直接升級為全IP網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險,保護投資。第五,一些新的室內(nèi)覆蓋解決方案將面世。3G室內(nèi)業(yè)務(wù)量特別是多媒體業(yè)務(wù)量在室內(nèi)比較多,現(xiàn)在能夠統(tǒng)計的結(jié)果是70%左右的業(yè)務(wù)量是發(fā)生在室內(nèi)的。此外,3G對室內(nèi)覆蓋的要求比ZG要高,因此有必要細(xì)分各種室內(nèi)覆蓋的設(shè)備市場,發(fā)展大型、中型和小型室內(nèi)辦公,家庭辦公等地區(qū)室內(nèi)覆蓋解決方案。2.2基站的能耗分布分析 移動通信網(wǎng)絡(luò)的能耗組成有很多,具體包括無線接入網(wǎng)絡(luò)能耗,核心網(wǎng)絡(luò)能耗,傳輸網(wǎng)絡(luò)能耗,以及生產(chǎn)

11、運營支撐能耗等。根據(jù)近幾年的運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計,移動通信基站及其機房耗電量占通信網(wǎng)絡(luò)總耗電量的60%到70%左右。因此移動通信基站的節(jié)能降耗對移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)有著十分重要的意義。圖2一l移動通信網(wǎng)絡(luò)能耗的構(gòu)成示意圖基站的實時能耗受到多種因素的影響:基站所處的環(huán)境(溫度、濕度)、基站安裝位置和散熱方式、載頻的配置和業(yè)務(wù)量、基站供電電源等r.這些都會對基站的能耗有較大的影響?；灸芎闹饕缮漕l單元功耗、基帶單元功耗、數(shù)據(jù)傳輸單元功耗、電源分配損耗、電纜傳輸損耗、交直流轉(zhuǎn)換損耗、冷卻系統(tǒng)(空調(diào)與新風(fēng))組成,只有提高基站能耗主要環(huán)節(jié)的能源利用效率才能有效提高基站的整體的能源利用率,進而實現(xiàn)整個無

12、線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能無線主設(shè)備全天候不間斷地運轉(zhuǎn),運轉(zhuǎn)過程中消耗電能,部分轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來,要消除這些熱能就需消耗更多的空調(diào)制冷量,所以無線主設(shè)備能耗決定了空調(diào)的制冷量及能耗。可見降低無線設(shè)備的能耗是整個移動通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的源頭,優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)、重點實施無線設(shè)備節(jié)能和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是移動通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的關(guān)鍵。無線設(shè)備能耗分析無線設(shè)備用電主要取決于在網(wǎng)設(shè)備數(shù)量及其功耗,同時業(yè)務(wù)信道載頻負(fù)荷的變化也會引起基站系統(tǒng)耗電很大的波動。無線設(shè)備數(shù)的不合理增加主要是由基站不合理布點造成的。進行移動通信基站的規(guī)劃時,往往由于環(huán)境因素或人為因素造成選址困難,使一些基站的布局不夠合理。為增強覆蓋,實際基站建設(shè)數(shù)量比規(guī)劃數(shù)量有

13、所增加,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量成倍增加,使設(shè)備總體能耗增大。無線設(shè)備中耗能最大的部分是射頻部分(約占總功耗的65%),而射頻部分中耗能最大的部分又是功放部分(約占射頻部分總功耗的80%),因此功放效率決定了基站主設(shè)備功耗。傳統(tǒng)基站采用獨立模擬功放技術(shù),功放模塊功耗約占總體功耗的60%,然而功放效率通常卻低于10%。另外,基站輸出功率通過饋線送到天線,也會產(chǎn)生功率損耗。由此可見,基站數(shù)量大、功放效率低、饋線損耗大、載頻資源利用率低等都會造成無線設(shè)備功耗增加?？照{(diào)能耗分析空調(diào)產(chǎn)生的能耗約占整個基站總能耗近46%。其中33%左右的能耗來源于空調(diào)的制冷系統(tǒng),13%左右的能耗來源于空調(diào)的送風(fēng)和回風(fēng)系統(tǒng)。空調(diào)制

14、冷過程中通過頻繁開啟壓縮機來調(diào)節(jié)房間溫度,壓縮機的磨損是不可避免的,而這種磨損會導(dǎo)致壓縮機的泄漏加大,工作效率降低。另外,空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的冷凍油用來潤滑機械,有時會有少量進入到循環(huán)管道中并砧附在管道壁上,生成一種油膜,隨著空調(diào)使用年限的增加,油膜組織會越來越多,極大地阻礙了空調(diào)的熱能交換,導(dǎo)致空調(diào)制冷能效降低。機房氣流組織方式也會影響空調(diào)制冷效率。由于機房內(nèi)設(shè)備散發(fā)的熱量向上部擴散,采用地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式的氣流組織形式,則空調(diào)吹出的冷風(fēng)與設(shè)備熱量擴散方向相同,可以加速熱量散發(fā)的氣流流動過程,部分冷風(fēng)也能夠順著氣流流動的方向直達(dá)機架內(nèi)部最熱的地方,直接帶走熱量。相反,若采用上送風(fēng)、下回風(fēng)的氣流組織方式,空調(diào)吹出的冷風(fēng)逆著設(shè)備散發(fā)的熱氣流方向流動,增加了熱氣向上散發(fā)的阻力,需要消耗更大的空調(diào)制冷量和出風(fēng)風(fēng)壓,這無疑增加了空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗。理論和實踐都證明地板下送風(fēng)、上回風(fēng)的氣流組織方式是設(shè)備散熱效率最高、空調(diào)制冷效率最高的方式。因此,采取有效的技術(shù)手段改善空調(diào)制冷系統(tǒng),采用下送風(fēng)、上回風(fēng)方式改善機房氣流組織方式,將顯著降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。供電系統(tǒng)能耗分析從基站機房整體能耗構(gòu)成來看,電源系統(tǒng)整體耗能僅占5%,比重相對較小。但通信電源系統(tǒng)作為電能的引入端和輸送通道,與用電設(shè)備相級聯(lián),能耗之間有級聯(lián)效應(yīng),因此供電系統(tǒng)是節(jié)能工作的重要組成部分。移動通信基站的供電