基于物联网的移动通信基站节能减排的研究与实现

黄春进 唐勇

摘要：随着网络规模不断增长、新一代通信技术的应用，支撑移动通信基站运行的电费支出日趋上涨，给通信运营商的降本增效工作带来很大压力;本文分析移动通信基站的能耗组成，结合移动通信网络组网特点，提出了节能新方案;新方案通过借助物联网技术，结合移动基站闲时、忙时工作状态，可依据需要，在保证网络安全、性能稳定及不影响用户使用感知的同时，定时关断/开启RRU供电，达到节省能耗的目标。

关键词：物联网;节能减排;基站

1引言

在2019年信息通信行业节能减排大会上，中国移动公布运营商耗电量情况：从2014年到2017年，运营商耗电增长了23%，2014年运营商耗电450.8亿度，占到全社会耗电量的0.8%，到2017年，运营商耗电量达556.8亿度，占全社会耗电量的0.9%。

因此，各通信运营商都希望采取有效的节能减排措施，降低运营成本，提高运营效率，在行业竞争环境中提升竞争力。

2移动通信基站能耗分析

在移动通信网络中，无线接入网基站数量最多，电费支出占维护成本支出的最大比重;无线基站的用电设备有：无线主设备（BBU+RRU）、传输设备（SDH+PTN）、电源转换设备（配电柜）、空调等，从表1可以看出电能消耗最多的是无线主设备和空调。

无线主设备24小时不间断地运行，运行中消耗电能，部分转化为热能释放，为要抵消这些热能导致的升温，需消耗更多的空调制冷量，因此无线主设备能耗决定了空调的制冷量及能耗;所以降低无线主设备的能耗是整个移动通信网络节能的源头，是节能减排、降本增效的关键;

2.1无线主设备能耗分析

无线主设备耗电量主要取决于在无线接入网基站设备数量、射频功放效率、天线馈线损耗、业务忙/闲时的信道载频负荷大/小的变化，以及是否采用新技术（如MIMO），都会引起基站系统耗电量发生很大的变化。

现有无线主设备节能措施主要有以下几种：

2.1.1减少无线接入基站数量：相比2G接入网，4G和正在部署的5G基站由于频段的原因，导致单基站覆盖范围缩小的前提下，无线接入网基站的数量必然有增无减，所以通过减少无线接入网基站数量的方法实现节能在当前的形式下已经不可能;

2.1.2选用大容量高集成度低能耗无线主设备或提高功放单元的功率放大效费比：该方法是否有效率，主要取决于设备厂家因素，运营商可操作性不大;

2.1.3传统2G网络采用智能载频、时隙关断技术提高载频资源利用率，降低能耗：无线主设备耗电与业务量、载频数成正比，智能关断技术可分为智能载频关断和智能时隙关断，主要通过软件实现，是根据基站业务量的变化进行调节，在业务空闲时将设备定为休眠状态，在业务高峰时则自动切换正常模式，从而达到设备节能的目的。智能载频关断是通过小区业务量大幅降低时关闭部分载频来实现;智能时隙关断是设备根据当前时隙是否存在话务，或调整话务到某些固定时隙后，控制关闭其他未被占用时隙，从而降低功率放大器的能耗来实现节能;

2.1.4采用分布式基站建设，减少馈线损耗：采用分布式基站建设模式，把射频远端信号经过光纤传输介质拉远覆盖目标区域，可以减少由金属馈线导致的损耗，目前中国移动已经广泛采用该方式进行4G、5G的建设，但是通过分布式建设模式减少的馈线损耗，无法抵消由于4G、5G的高频段衰减大的短板以及采用MIMO等高耗能新技术所新增的能耗。

2.2无线主设备节能新思路

由上述分析可知，无线接入基站数量大、主设备功放效率低、馈线损耗大、载频资源利用率低等都会造成无线主设备功耗增加;但上文分析的節能措施中，减少基站数量、设备功耗降低对运营商而言可操作性低，而采用分布式基站建设模式虽然已经普遍推广，但该方式的节能在4G、5G建设中入不敷出，节能效果并不明显;传统2G的智能载频、时隙关断技术等“软”关断方案可操作性高但节能效率较低，借鉴这种“软”关断方案，结合4G/5G组网特点，我们提出了节能效率更高的物联网“硬”关断RRU供电的节能方案：

2.2.14G、5G组网特点

首先我们分析4G、5G组网特点：其一是普遍推广分布式基站建设模式，基带单元BBU与射频单元RRU的分开部署;其二是逻辑分层，对4G/5G无线接入组网层次，可分为：全面实现市、县、乡、村的广度覆盖，以及繁华商业区、人群密集区、教科文卫体等重点区域的深度覆盖，所以大部分站点安装至少两套不同频段设备，广度覆盖设备（以下简称覆盖层）：F频段、FDD900频段作为基本网络覆盖;深度覆盖设备（以下简称容量层）：D频段、部分E频段室分小区、FDD1800频段作为高流量情况下的容量吸收。

2.2.2物联网“硬”关断RRU供电的节能思路

根据用户流动及上网行为特征，夜间23：00-8：00期间，大部分小区处于零低流量状态，尤其是容量层小区，仅覆盖特殊场景（如旅游景区、大学校园、商务中心区（CBD）、大型商场和火车站）的站点，每天流量时段只出现在固定的8-10个小时。基站用于容量分担的频段小区负荷很低，因此，在凌晨业务低时段，是否可在保证覆盖效果的同时，对容量层TDDD频段或FDD1800等无线设备射频单元（RRU），可通过物联网远程控制RRU单元的供电，从而控制关断/开启RRU单元，减少能耗占比最大的RRU（功放单元部署在RRU）工作时间来降低能耗，实现节能目标。

3物联网“硬”关断方案基本原理

3.1物联网“硬”关断RRU方案系统原理图

物联网“硬”关断RRU方案系统原理图如图1所示：

3.2物联网“硬”关断RRU供电方案执行流程图

物联网“硬”关断RRU供电方案执行流程图如图2所示：

4节能方案实施

项目由硬件平台和软件平台组成，其中硬件平台分为后端云主机服务器，以及前端物联网终端、常闭型继电器;软件平台采用Linux操作系统下Python开发的应用服务程序;

4.1硬件平台选型

4.1.1云主机配置

项目运行的云主机选用中国移动广西公司公有云，硬件配置如表2：

4.1.2物联终端产品选型

物联终端控制器选用市场成熟产品——济南有人物联网技术公司USR-IO424T产品，采用ModbusRTU协议数据处理，支持ModbusTCP/RTU协议自动转换，支持4路继电器输出、socket连接远程服务器和TCPClient;

4.2软件架构配置（表3）

4.2.1CentOS7.1linux操作系统

目前主流三大Linux服务器操作系统之一，稳定性、安全性高，可维护性好;

4.2.2开发语言

云端服务应用选用Python进行开发，python最大优势是丰富的第三方开发库可快速开发后台应用程序;项目中使用了Apscheduler等第三方开发库。

前端网页选用JavaScript开发，采用第三方JavaScript库eChart实现数据统计图表、地图展示的数据可视化功能。

4.2.3Web框架——Bottle

项目采用B/S方式管理物联终端，在PC维护终端和手机可以用浏览器方式查询、触发物联终端状态，因此选用了Bottle+Twisted组合的web网络架构：

Bottle是一个快速、简洁、轻量级的基于WSIG的微型Web框架，除了Python的标准库外，其不依赖任何其他模块，它虽然轻量但仍然支持模型（Model），视图（View）和模板（Template）即MVT开发模式。

物联终端USR-IO424T是一款支持Socket连接远程服务器的终端，为此我们选Twisted，一款用Python编写的异步网络架构开发三方库，很好地支持了大量USR-IO424T终端接入云主机后台服务程序;

图3的软硬件系统功能示意图，清晰展示了基于物联网的“硬”关断节能方案的软件模块功能，以及与硬件配合共同完成指定动作的能力;

4.3交互页面的实现

云主机通过Bottle框架提供web服务，向维护人员提供管理所有物联终端的能力，维护人员维护终端或智能手机登录交互页面，使用四个模块对所有物联终端进行状态查询、命令下发：

监控中心：可浏览所有物联终端的数量、状态的统计数据，地图展示终端大致物理位置;

数据管理：提供物联终端IMEI码、SN码的批量导入系统数据库、批量设置定时关断/开启继电器的时间的功能;

设备管理：提供对单个物联终端的查询、下发关断/开启继电器指令的功能;

定时管理：修改单个物联终端的定时关断/开启继电器的时间，如果该基站需要延迟到零点后关断;

5节能效果分析

移动通信基站节能效果一般无法通过实验室仿真进行测试，我们采用实际挂电表测量某试点4G基站耗电量的方式，来检验3种工作模式（正常、休眠、停闭）下的节能效果;

节能效果对比如图4所示，停闭模式节能效率明显优于“软”关断方式;

按2019年商业用电0.6元/kwh计算，单站年减少电费支出0.6x28x365=6132元;物联终端USR-IO424T市场采购价约220元，每月3GB通信流量费约10元，首次安装费用约60元，首年投入成本约400元，第二年开始降为120元，可见无线接入基站采用基于物联网“硬”关断方案，所带来的节能经济效益相当可观。

6结束语

节能减排是国家提倡的长期工作目标，绿色环保是中国移动时刻践行的原则，中国移动不断研究节能新产品和新技术，为行业以及全社会贡献节能减排、绿色环保的一份力量。本文通过分析移动通信网络能耗特点，利用物联网技术，结合4G、5G组网特点，提出了一種针对分布式移动通信基站中RRU单元的节电方案，通过实际测量对比方案实施前后消耗的电能，充分表明该方案具有较好的节能效果，可进一步推广部署。

参考文献

[1]济南有人物联网技术有限公司.USR-IO424T_V2_V1.0.0说明书

[2]安翔.物联网Python开发实战，2018.

[3]李强.通信基站电耗评估与节能分析[D].大庆：东北石油大学，2016.

[4]陆泽丰.铁塔公司通信基站专项规划思路探索[J].信息通信，2017（8）：253-254.

作者简介：黄春进（1975-），男，壮族，广西龙州人，硕士，中级工程师，现就职于中国移动通信通信集团广西有限公司桂林分公司，研究方向为SDN、NFV、物联网应用;

唐勇（1980-），男，壮族，广西平南人，本科，中级工程师，现就职于中国移动通信通信集团广西有限公司桂林分公司，主要从事高低用电力、通信电源、专业空调等设备的维护与管理工作。