英文摘要:This paper examines green network technologies using cooperative coverage. Base station power consumption is the biggest power issue concerning wireless networks. Saving power in base stations is therefore the primary focus in green wireless network development. This paper considers green base station architecture and form, power saving technology, and green site applications, and explores effective ways of limiting power use in base stations.

英文關鍵字:software defined radio; baseband unit; remote radio unit; high efficiency power amplifier; green power

基金項目：國家自然科學基金(60902041、61072076,、61002017)

在綠色環(huán)保成為全球關注的熱點的今天,，無線通信系統(tǒng)的綠色節(jié)能技術成為電信運營商和設備制造商面對的核心課題,。基站設備作為網絡的重要網元,，是運營商投資建設的關鍵,，也是移動網絡節(jié)能降耗的主要關注點,。

作為無線通信網絡的載體,，基站一方面需要保持高質量的覆蓋能力,，另外一方面需要保證足夠的升級演進潛力,。隨著用戶數(shù)和業(yè)務量的增加，移動網絡的能耗隨基站數(shù)量線性增長,，消耗了大量能源,。簡單地減少基站數(shù)量，會導致網絡質量變差,。如何在保證用戶業(yè)務體驗以及基站覆蓋和演進能力的前提下,，實現(xiàn)移動網絡的節(jié)能降耗是綠色基站解決方案的關鍵。

本文將從基站的架構與形態(tài)創(chuàng)新,、節(jié)能關鍵技術以及綠色站點應用等方面對綠色基站解決方案進行探討,，尋求基站節(jié)能降耗的有效途徑。

1 無線多制式融合基站系統(tǒng)

無線移動網絡是一個多代共存,、多頻共存的復雜網絡,。不僅有以全球移動通信系統(tǒng)(GSM)為代表的2G網絡，而且有以通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)為代表的3G網絡,，而長期演進(LTE)技術也已經開始逐步商用,。每一代技術都有其自身的一整套通信設備，包括從基站到核心網等一系列的網元,。每一代新技術的引入都疊加了一套新的設備,，這是傳統(tǒng)上普遍采用多網共存建網方式造成的。顯然,，對于這種建網方式,，隨著多代技術的不斷采用，網絡系統(tǒng)設備及配套設備規(guī)模將不斷增加,，從而導致網絡能耗相應大幅增長,。想實現(xiàn)在多網共存并保證業(yè)務質量的情況下降低網絡能耗，就需要從根本上改變多頻段多代技術共存網絡的建設方式,。

軟件無線電(SDR)軟基站是基于SDR技術設計和開發(fā)的基站[1-2],。軟基站與傳統(tǒng)基站最大的不同之處在于其射頻單元(RU)具備軟件可編程和重定義的能力,，進而實現(xiàn)了智能化的頻譜分配和對多標準的支持。

SDR軟基站解決方案使得運營商可以將多種頻段下的多種制式網絡融合成為一張網絡,，簡化了網絡整體結構,，極大地減少系統(tǒng)網元與配套設施，從而能大幅降低站點能耗,。

以亞太地區(qū)某領先運營商的2G/3G替換項目為例,。該運營商原有網絡的單個典型站點，使用了3個傳統(tǒng)機柜來組成GSM900+GSM1800+UMTS2100網絡,，功耗為4 280 W,。采用SDR基站進行單站容量替換(同時增加了UMTS900的覆蓋)后，單站典型功耗降低了57%,。這里僅僅比較了單站功耗,，未計算由于機房空間節(jié)省而降低的空調能耗。由此可見,，SDR基站在節(jié)能降耗上效果明顯,。

2 分布式基站與超級基帶群

SDR軟基站模塊化設計理念，使得基站形態(tài)得以不斷革新,。基帶處理單元+射頻拉遠單元(BBU+RRU)分布式基站使得網絡部署更加靈活,。超級基帶群解決方案使得網絡基帶處理資源重用和共享，進一步提升網絡資源利用效率,。

2.1 分布式基站

SDR軟基站系統(tǒng)不僅保留了傳統(tǒng)的機架式室內外宏基站形態(tài),，更創(chuàng)新地推出了BBU+RRU分布式基站。分布式基站將SDR基站的基帶單元和射頻單元獨立開來,，彼此之間用光纖相連[2-3],。

射頻單元可以直接安裝在樓頂或鐵塔上面，通過幾米的跳線和天線直接相連,，減少了傳統(tǒng)長達幾十米的饋線投資和損耗,，降低了功放輸出功率要求，節(jié)省了設備能耗,。另外,，隨著功耗的減小，射頻單元可以采用自然散熱技術,，不需要空調甚至風扇配置,，大幅降低了配套功耗，也降低了設備噪聲,。

基帶處理單元可以靈活地插入原有傳統(tǒng)電源或傳輸機架中,，或者直接安裝在墻上與支架上，從而將空間占用減少到最低程度,，可減少征地,、機房建設以及空調配套等費用,。

2.2 超級基帶群解決方案

利用分布式基站將基帶處理能力和射頻單元分離的特征，可以將多個基帶單元集中放置,，并通過光纖拉遠方式接入安裝在覆蓋區(qū)的RRU,。集中放置的基帶單元形成基帶群，可實現(xiàn)基站基帶資源共享,，并對不同小區(qū)之間的基帶資源進行集中調度和控制,，這就是超級基帶群解決方案。

超級基帶群解決方案進一步改變了基站建設的形態(tài),，使基帶處理能力集中,、充分共享及實現(xiàn)虛擬化[4]?；鶐С氐奶幚碓O備可以動態(tài)調度來處理不同RRU的基帶信號，適應移動通信系統(tǒng)的潮汐效應,，使基帶資源得到最優(yōu)利用,。遠端無線射頻單元的部署可以更加接近終端用戶，在不影響網絡整體覆蓋的前提下降低網絡側和用戶側的發(fā)射功率,，降低無線接入網絡功耗,。采用超級基帶群方案，通過集中調度和控制,，能極大地減少基站機房數(shù)量,，并最大程度地實現(xiàn)機房、電源,、傳輸?shù)扰涮踪Y源共享,，減少能源消耗?；诔壔鶐旱臒o線接入網絡如圖1所示,。

3 綠色基站節(jié)能技術

SDR基站架構與基站形態(tài)的革新使得移動網絡的建設更加高效，網絡設備數(shù)量配置更加合理,，最大可能地共享基礎設施和配套設備,，極大地節(jié)約了資源。在此基礎上,，通過采用高效率功放技術和智能節(jié)電技術可以進一步降低基站的整機功耗[5-9],。

3.1 高效率功放技術

在基站整體功耗中，射頻部分的功耗占據了最大部分,，而功放又是射頻中功耗最大的部分,，約占射頻部分總體功耗的80%。此外,，基站耗電量的降低可以減少設備發(fā)熱量,，相應空調的耗電量也會相應減少,。因此，提高功放效率是降低基站主設備功耗的有效手段,。

高效率功放的設計主要從功放電路應用,、器件選型和工藝突破等幾方面來開展。功放種類從傳統(tǒng)昂貴的線性前饋功放,，經過AB類高功放,，發(fā)展到了與數(shù)字預失真(DPD)技術配合的Doherty功放。功放芯片從橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)慢慢向氮化鎵(GaN),、高壓異質結雙極晶體管(HVHBT)等新器件發(fā)展,。整個功放的效率從不到10%提升到現(xiàn)在的45%，并朝50%以上努力,。目前,，DPD+Doherty功放技術是整個無線通信基站系統(tǒng)的主流應用。

持續(xù)提升功放效率的需求驅動功放技術不斷發(fā)展,。新的功放技術包括包絡跟蹤(ET)功放技術,、數(shù)字開關功放技術等。

3.2 智能節(jié)電技術

由于無線用戶的移動特性,，基站設備每天不同時間段的負荷具有較大差異,。基站智能節(jié)電技術就是通過實時評估基站小區(qū)載波上的話務量水平,，根據判決結果將空閑資源(如智能載波調整,、載頻智能下電等)轉入休眠狀態(tài)；或者根據負載情況,，智能配置功放電源(如智能功放控制,、動態(tài)調壓等)達到節(jié)能目的。下面重點對動態(tài)調壓技術和智能載波調整技術進行分析,。

(1)動態(tài)調壓技術

動態(tài)調壓也稱為動態(tài)功率匹配(D-PT)技術,。動態(tài)調壓技術主要通過跟蹤負載的變化，采用分級可變電壓,，對功放供電電源進行智能控制,，實現(xiàn)“呼吸式”功率管理。動態(tài)調壓技術原理如圖2所示,。圖2中,，當功放輸出功率較大時，給功放供電的電壓較大,；而在功放輸出功率低于某個值時,，則降低功放的供電電壓。動態(tài)調壓技術可以保證在不同的功率負荷下，功放均以最優(yōu)的效率工作,，實現(xiàn)不同功率配置下的節(jié)能降耗,。智能高效率電源可滿足在不同的負載下，電源的高效率轉換,，最大負載時電源效率高達92%,。在典型功耗下，動態(tài)調壓技術可以使整機功耗降低12%,。

(2)智能載波調整技術

基站在工作過程中的負荷是動態(tài)變化的,，特別在一天當中，忙時和閑時的業(yè)務量相差非常大,?；镜妮d波數(shù)量一般按照忙時業(yè)務量的需求配置。在空閑時,，各載波的業(yè)務量會很小,，某些載波的功率大部分用于控制信道而非業(yè)務信道，功率利用率很低,。

智能載波調整技術能夠根據基站業(yè)務量的變化動態(tài)調整基站輸出的載波數(shù),，適時關閉非工作載波，減小非工作載波的控制信道的功率開銷,。以S222站型配置為例，閑時可以降低功耗40%左右,。

4 綠色基站的應用

在移動站點整體的功耗構成中,，除了系統(tǒng)設備占據較大功耗比例外，空調等溫控系統(tǒng)自身的運轉也消耗了較大比例的電力資源,。如何有效節(jié)約基站溫控系統(tǒng)的能耗,，成為綠色基站應用領域不可或缺的部分；另外,，隨著太陽能,、風能等綠色能源技術自身發(fā)展的突破，在通信領域采用這些清潔能源為基站供電,，也得到廣泛應用,，以適應整個社會節(jié)能減排的發(fā)展要求。

4.1 機房智能溫控系統(tǒng)

無線設備的風扇及機房的空調在為系統(tǒng)設備提供適宜的工作環(huán)境的同時,，也在消耗大量的能量和資源,。降低設備風扇和機房空調的能耗，也是節(jié)能降耗的有效途徑,。

機房溫度自動控制系統(tǒng)(ACS)通過室內和室外溫度傳感器測量室內和室外環(huán)境溫度,，根據室內外溫度差異，利用自然風進行室內溫度調節(jié)。只有在室內外溫差較小且室內溫度高到一定程度時,，控制系統(tǒng)才打開空調進行降溫,。智能溫控系統(tǒng)構成如圖3所示。

自動控制系統(tǒng)可單獨使用,，也可以和空調結合使用,，充分利用自然條件實現(xiàn)機房節(jié)電和全天候的基站環(huán)境調節(jié)。智能溫控系統(tǒng)可大大減少機房空調的運行時間,，全年80%左右的時間可采用風扇強制通風替代空調,。與傳統(tǒng)機房相比，節(jié)能最高可達70%,。

4.2 綠色能源供電方案

基站本身功耗的大幅降低,，使得采用太陽能、風能等清潔能源方案替代傳統(tǒng)供電方式成為可能,。隨著技術的發(fā)展,，太陽能電源及風、光互補基站供電方案已經逐漸開始應用,。

太陽能和風能電源完全采用自然能源,，符合節(jié)能減排的大趨勢，具有清潔,、低耗,、不會枯竭、運營成本低,、一次性投入長期受益等優(yōu)點,，但有受制于氣候條件的缺點。為了使太陽能和風能電源正常工作,，每天的日照平均值至少達到4 kWh/m2,，風速能夠達到使渦輪正常工作的條件(即3.5 m/s)。

目前,，比較可靠的清潔能源方案是風,、光互補混合供電。在白天日照時間,，太陽能板和風能渦輪將一起為設備供電,；在夜間，設備供電將由風能和電池組提供,。在無風和沒有日照的時間,，則由電池組來供電。根據站點環(huán)境,，可靈活組合風能和太陽能設備,，風能與太陽能的利用比例可以從2:8到5:5不等，但采用風能供電的比例最大不能超過50%。

5 結束語

綠色基站解決方案涉及基站架構,、基站形態(tài),、綠色基站節(jié)能技術及綠色站點應用等多個方面?；赟DR的系統(tǒng)架構和分布式產品形態(tài)改變了傳統(tǒng)的多頻段多技術制式網絡建設模式,，極大地降低了網絡能耗，并促進了新型能源的應用,。功放技術進步及智能節(jié)電技術的運用進一步提升了資源利用率,，減少了排放。智能溫控技術及新型能源的采用使得無線基站更加綠色環(huán)保,。無線網絡節(jié)能降耗,，需要多種節(jié)能手段和技術的綜合應用，但基站自身的技術進步與創(chuàng)新是綠色基站解決方案的根本,。

基于SDR平臺的BBU+RRU新一代基站已經在全球大規(guī)模部署,。其突出的綠色節(jié)能特性在全球應用中得到客戶的信賴。綠色基站在架構和技術上的創(chuàng)新是沒有止境的,，持續(xù)的進步將使得人們的生活更加美好,。

6 參考文獻
[1] 王喜瑜, 郭丹旦, 崔卓. 無線通信系統(tǒng)中的軟基站技術 [J]. 中興通訊技術, 2010,16(4):41-45.
[2] 賈春明, 費曉菲.  SDR軟基站拓展3G網絡新平臺 [J]. 世界電信, 2008(12):71-72.
[3] 牟永建. 中興通訊的分布式軟基站解決方案 [J]. 郵電設計技術, 2008(4):38-39.
[4] 宋慶杰, 楊柳. 基于超級基帶群的全新3G建網方案的研究與應用 [J]. 山東通信技術, 2010,30(2):27-30.
[5] 宋玉利, 李東曉, 武占生. 基站主設備智能節(jié)電技術探討 [J]. 郵電設計技術, 2010(3):70-73.
[6] 肖俊, 李江, 譚雙江. 基站節(jié)能減排技術淺析 [J]. 郵電設計技術, 2010(6):72-76.
[7] 劉星, 蔡文洲. 節(jié)能基站構建生態(tài)型TD網絡 [J]. 移動通信, 2009(12):87-89.
[8] 呂錢浩, 毛文勇, 朱潔. 引領環(huán)保趨勢的綠色GSM網絡方案 [J]. 郵電設計技術, 2009, 30(6):25-30.
[9] 徐金爐, 嚴海波, 孫琳. 移動通信基站節(jié)能減排解決方案 [J]. 郵電設計技術, 2008(12):57-59.

陳志萍，華中理工大學碩士畢業(yè),；中興通訊股份有限公司無線架構部方案總監(jiān),；負責無線通信高端市場技術支撐及綜合方案開發(fā)工作。

王利存,，中國科學院自動化研究所博士畢業(yè),；中興通訊股份有限公司無線架構部方案架構師；負責無線通信高端市場需求研究及綜合方案開發(fā)工作,；已發(fā)表學術論文30篇,。