毕业设计（论文）-移动通信基站节能降耗技术的研究.doc

移动通信基站节能降耗技术的研究摘要：当前全方位全过程节能减排已成为趋势，推进节能减排工作，加快建设资源节约型、环境友好型社会是我国经济社会发展的重大战略任务。本文介绍了移动通信业节能减排的背景，对移动通信基站用电能耗的分析， 通过移动通信基站节能技术的介绍，指出通信业节能减排的关键是节电，并就此从工程可实施性角度出发，对机房里使用耐高温蓄电池和采取新风技术节能方案举措作了探讨。关键词：节能减排 移动通信基站 节电 耐高温蓄电池 新风系统The Research of Mobile Communication Base Station Energy Saving Technology Abstract：the current comprehensive energy conservation and emission reduction has become a trend, promote energy conservation and emissions reduction work, speed up the construction of a resource-conserving and environment-friendly society is our countrys economic and social development of major strategic task. Mobile industry background of energy saving and emission reduction has been introduced in this paper, the analysis of energy consumption of mobile communication base station electricity, through the mobile communication base station energy saving technology is introduced, points out that telecommunication industry is the key to power saving, energy saving and emission reduction and from the Angle of the engineering practical, use high temperature resistant battery and take the fresh air in the room technology energy saving solution measures were discussed. Key words：Energy conservation and emissions reduction,mobile communication base stations, power saving, high temperature batteries, fresh air system I目录1 前言42 移动通信基站用电能耗的分析42.1无线设备能耗分析42.2 空调能耗分析52.3 供电系统能耗分析63 移动通信基站节能技术的介绍63.1 设备节能63.1.1 节能措施63.1.2 关键技术73.2 空调节能83.2.1 节能措施83.2.2 关键技术83.3 供电系统节能93.3.1 节能措施93.3.2 关键技术94 移动通信基站节能方案104.1 移动通信基站节能原则104.2 移动通信基站综合节能方案105 移动通信基站节能效果分析及测试125.1 测试过程125.1.1 测试选点125.1.2 测试准备155.1.3 测试过程175.2 结果分析226 结束语23参考文献24致谢25II1 前言节约资源和保护环境是我国的基本国策，推进节能减排工作，加快建设资源节约型、环境友好型社会是我国经济社会发展的重大战略任务。为确保实现节能减排“十二五”规划节能减排约束型目标，缓解资源环境约束，应对全球气候变化，促进经济发展方式转变，建设资源节约型社会，增强可持续发展能力。 近年来，我国移动通信业发展迅速，网络规模已跃居世界首位，通信行业已成为推动国民经济发展的支柱性产业。随着网络规模的不断扩大，移动通信设备数量越来越多，三大电信运营商的移动通信基站总数已经超过150万个，3G建设的全面发展，基站设备能耗占到整个移动通信网络能耗的90%以上，通信企业设备运行的耗电量也成为不断增加的重要成本。若采用有效的节能减排措施，不仅是为国家节能减排目标的实现贡献力量，也有利于企业降低运营成本，提高运营效率，在全业务竞争环境中提升竞争力。2 移动通信基站用电能耗的分析随着无线网络建设的逐步推进和用户的数量不断增加，移动通信基站的数量不断增多，这就意味这基站耗电的需求越来越大。无线基站的用电设备包括无线设备、传输维护设备、电源、空调等，耗电绝大部分来自于无线设备和空调.根据中国电信六安分公司CDMA基站2012年实测数据统计，无线设备和空调两部分耗电量占基站总耗电量的92%，电源耗电占5%，传输与维护分别占到2%和1%。无线设备全天候不间断地运作，运行过程中消耗电能，部分转化为热能释放出来，要消除这些热能就需要消耗更多的空调制冷量，所以无线设备的能耗决定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关键。2.1无线设备能耗分析无线设备用电主要取决于在网设备的数量及其功耗，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。不合理增加的无线设备主要是有基站的不合理布点造成的。进行基站通信的规划是，往往由于环境因素造成或人为因素造成选址困难。使一些基站的布局不够合理。为了增强覆盖，实际基站建设数量比规划数量有所增加，导致网络设备数量的成倍增加，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。2.2 空调能耗分析空调产生的能耗约占整个基站总功耗近46%。其中33%左右的能耗来源于空调的制冷系统，13%左右功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露加大，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黏附在管道壁上，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，导致空有制冷能效的降低。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，部分冷风也会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、空调制冷效率之高的方式。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。2.3 供电系统能耗分析从基站机房整体能耗构成来看，电源系统整体能耗仅占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是交流引入、开关电源盒蓄电池组构成。开关电源运行过程中都会产生大量的谐波，给电网带来严重的污染，是电网波形失真，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频率工作，转换效率低下，极大地浪费了能源。3 移动通信基站节能技术的介绍3.1 设备节能从前面对无线设备的能耗分析得出，降低无线设备能耗从两大方面入手，一是减少设备数量，二是降低单个设备的能耗。而降低单个设备能耗重点在于提高功放效率，提高设备集成度、降低馈线损耗及提高载频资源利用率。3.1.1 节能措施设备节能的具体措施如下。 优化无线网络规划，减少基站数量； 选用大容量高集成度低能耗设备，节省机房空间占用，降低未来扩容成本，从而降低设备能耗； 采用功放技术提高主设备功放效率； 采用分布式基站建设模式把射频远端经过光纤等传输介质拉远覆盖目标区域，减少由馈线导致的损耗；采用智能载频关断技术提高载频资源利用率，降低能耗。3.1.2 关键技术（1）高效率功放技术功放的核心问题是线性化和高效率。正在研究的功放高效率技术有许多种，如Doherty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术。已经可以实用的是Doherty技术，其工作原理是将输入信号的均值和峰值分开放大，合成输出，通过Doherty所固有的负载牵引能力，使均值放大器和峰值放大器都工作在饱和状态下，从而保证输出线性的情况下，最大可能提高功放效率。配合使用Doherty技术与数字预失真（DPD）技术，可以提高功放效率至27%以上。如表一所示，和传统基站功放技术相比，DPD+Doherty技术不但功放效率高，还兼具体积小，可靠性高和成本低的优势。 表1 DPD+Doherty技术与传统基站功放技术对比内容功放效率 生产难度 体积可靠性成本前馈功放技术低于10%难大低高DPD技术较高，典型值19%易小高低DPD+Doherty高，高于27%易小高低（2） 分布式基站技术分布式基站（BBU+RRU）模式，把基站分为基带和射频两部分，射频远端通过光纤传输可拉远至数十公里以外进行覆盖，可以减少由馈线导致的损耗约3dB，并且拉远的射频单元对安装环境要求不高，无需机房，无需空调降温，可以采用自然散热技术。同时，基站近端可置于同一机房内，共用电源、传输、环境监控以及空调等配套设施，为集中供电提供了先决条件。集中供电将覆盖不同区域的多个基站近端安装于同一机房内，利用同一电源系统实现集中供电。这种供电方式具有电源集中，便于维护，节省设备投资的优点，适合于覆盖面积较广、地理位置相对集中、单独建设和维护难度大的场景，如山区自然村覆盖、交通干线覆盖、区域多热点覆盖等场景。（3） 智能载频关断技术智能载频关断技术的基本原理是：用软件实时统计分析载波和信道的负荷程度，当基站的话务量下降时，软件自动关闭部分没有负载的载频模块，这样在保证网络服务质量的前提下，有效地降低了基站在话务低谷时段的能耗。3.2 空调节能前面已经分析了空调的能耗由空调制冷效率和送风回风系统决定，而空调制冷效率的降低跟空调制冷系统的磨损和机房气流组织方式皆有关，因此降低空调能耗的关键在于改善空调制冷系统，优化机房气流组织方式，另外减少空调运行时间也可以显著降低空调能耗。3.2.1 节能措施空调节能的具体措施如下。 采用机房地板下送风、上回风的气流组织方式，提高机房空调使用效率。对于在网空调系统，送风方式已经固定，则不再适用； 通过变频改造、空调添加剂等技术提高空调制冷效率，减少能耗； 通过其他换热方式对机房进行散热处理，减少空调运行时间。目前采用的较新的方法是新风节能技术。3.2.2 关键技术（1） 变频改造变频技术是一种应用广泛的电机节能技术，应用了变频技术的空调通过变频器调节压缩机转速。不用频繁开启压缩机来调节房间温度，一方面降低了开关损耗，另一方面提高了低频运转时的能效。（2） 空调添加剂技术 空调添加剂技术是在制冷系统中加入一定量的添加剂，让它与系统中的油膜发生作用，减少甚至完全去点油膜，那么制冷系统的整体能耗将大大增加。（3） 新风节能新风节能基本原理是：利用室外的低温空气作为自然冷源，采用空气质量交换和能量交换原理，将基站内的热量迅速向外迁移，实现室内散热、降温，从而减少空调使用时间。主要分自然通风新风系统和热交换新风系统两种类型。 自然通风新风系统：直接利用室外新风送入机房内，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。当室外温度高不足以带走室内热量时，则仍然开启空调工作。 热交换新风系统：在室外新风冷源的利用上采用了隔绝换热的方式，只利用室外新风作为冷源带走热量，室外空气并不直接进入室内；室内空气通过换热冷却后在被送回室内。自然通风系统一般适用于温差大、空气质量好的地区，热交换节能系统则适用于室内外温度差比较大的环境。3.3 供电系统节能通过前面电源能耗的分析得出，电源节能重点在于减少谐波干扰和提高整流模块的带载率。目前能源供应大多以节流为主，开源也同样重要，所以在节能降耗的同时还应积极探索太阳能、风能等可再能源替代常规能源。3.3.1 节能措施供电系统节能的具体措施如下。 采用谐波治理技术降低供电系统带来的谐波失真，提高电源的利用率和效率，降低损耗； 采用开关电源智能休眠技术调整整流模块至最佳负载率下工作，从而降低系统的带载损耗和空载损耗； 在合适的站址采用太阳能、风能等新能源作为替代能源，这样运营商还可以将电信网络扩展到基础设施尚不具备的偏远地区。3.3.2 关键技术开关电源休眠技术就是根据系统的电流负荷情况和当前整流模块的工作状况，通过软开关技术，在保证系统冗余安全的条件下，自动调整工作整流模块的数量，在负荷较小时使用部分模块处于休眠状态，把整流模块调整到最佳负载率下工作，从而降低系统的带载损耗和空载损耗，达到节能的目的。4 移动通信基站节能方案4.1 移动通信基站节能原则（1） 安全性：节能的前提是要确保通信系统的安全。移动机房温度应保持在1035之间，湿度应保持在10%90%之间；空气净化度应达到B级。基站节能系统的设计应确保达到上述规定的要求；（2） 可行性:节能技术多种多样，具体实施时，应因地制宜，综合考虑应用场景、机房布局和地理位置，选择合理可行的节能技术；（3） 经济性:节能要考虑经济效益，不能盲目的增加节能产品，要充分衡量企业资本能力和网络发展能力,关注投资回收期，在试点的基础上推广节能技术，并做好设备的利旧工作；（4） 有效性：实施节能技术方案后，是否达到预期效果、效果如何，必须用一定指标体系进行定性、定量的评估，进而有效的推进节能工作。4.2 移动通信基站综合节能方案根据前面分析，提出移动基站总体节能思路：首先通过优化无线网络规划，减少基站数，以最少的基站数量达到同样的覆盖。其次通过设备节能、电源节能、空调节能减少每个基站的耗电。在设备节能方面，一是在现网密集城区新建站优先考虑大容量高集成度低能耗节能设备；二是通过高功放技术和智能载频关断技术等措施降低基站整体能耗；三是推广分布式基站建设模式。在空调节能方面，一是基站机房设计时应明确下送风上回风的气流组织方式；二是通过变频技术、空调添加剂等技术提高空调制冷率；三是采用新风节能减少空调运作时间。在电源节能方面，一是对供电系统进行谐波治理，采用开关电源休眠技术提高电源系统效率，因地制宜应用新能源；二是采用耐高温蓄电池提高基站运行温度从而直接节省基站空调用电量达到节能目的。图1给出了一种基于分布式基站集中供电的节能方案，适用于山区自然村覆盖、交通干线覆盖、城区多热点覆盖等场景。图1（a）是综合节能控制系统原理图，系统由中央控制器、输入单元（包括室内外温度湿度传感器、防盗、电源监测装置等）、输出单元（包括空调控制装置、进出风装置，加、除湿装置）等组成，通过中央控制器与运营商的动力环境集中监控系统相连，实现对基站电源空调的远端自动控制。图1（b）是基于分布式基站集中供电的综合节能方案的工作原理图，基站采用先进的分布式架构设计，实现上塔安装，中央控制器、温度湿度传感器组成测温测湿系统，判断环境状况、控制通风系统和空调的启停；采用新风（a） 综合节能控制系统原理图 （b） 分布式基站集中供电的综合节能方案工作原理图节能原理，有进出风口组成通风系统代替高功率空调，当室内温度高于室外温度时，开启通风系统，室外冷空气从出风口引入，在机房内形成气流循环，将热空气排出室外，降低室温；通过电源监控单元芯片实现整流模块的智能休眠节能。5 移动通信基站节能效果分析及测试移动通信基站节能效果很难通过实验室仿真进行测试，本文结合六安当地实际情况，采用耐温蓄电池节能模块与新风技术进行基站建设，采用定性比较的方法进行评测，假设在相同环境条件，相同设备运行状况前提下，对比测量节能系统在相同时间段内的能耗数据，通过数据分析，得出节能系统的节能效率和经济效率。5.1 测试过程5.1.1 测试选点由于不同类型的基站对室外温度变化的敏感度不一样，为了全面了解待测试电池的性能，根据导师指导意见，选取不同房屋类型的以下站点作为测试站点，同时为了分析基站与标准基站能耗差别，选取了与测试站点设备情况一致，场景类似的站点作为对比参考站点，本次共选取以下10个站点，详细情况如下：序号本地网基站名称房屋情况备注1六安园林处楼顶裁钢板机房誉阳电池测试点，替换500AH电池2组2六安鼓楼新天地（园林处对比）楼顶裁钢板机房3六安五里桥农村裁钢板机房南都电池测试点，替换500AH电池2组4六安兴隆（五里桥对比）农村裁钢板机房5六安新店农村砖房誉阳电池测试点，替换500AH电池2组6六安汽车东站（新店对比）农村砖房7六安挥手农村砖房南都电池测试点，替换500AH电池2组8六安陈粉坊（挥手对比）农村砖房9六安南岳秒蔡新庄室外机柜南都电池测试点10六安汪神室外机柜誉阳电池测试点测试基站现场图片如下： 图表 1测试基站园林处 图表 2测试基站汪神5.1.2 测试准备 在测试基站分别安装总电表与空调电表，纳入能耗监测系统，这样可以实时详细的记录测试基站的能耗数据，六安利用前期基站能耗分析已安装的电表后增补了部分基站的电表；为了能按照测试计划控制基站在指定温度下运行，又在测试基站安装了新风设备或节电器设备；同时对测试基站的蓄电池进行了替换，详细替换安装设备清单如下：序号本地网基站名称增加安装设备材料备注1六安园林处需要安装新风设备誉阳电池测试点，替换500AH电池2组2六安鼓楼新天地（园林处对比）3六安五里桥节电器，采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）南都电池测试点，替换500AH电池2组4六安兴隆（五里桥对比）采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）5六安新店节电器，采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）誉阳电池测试点，替换500AH电池2组6六安汽车东站（新店对比）采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）7六安挥手节电器，采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）南都电池测试点，替换500AH电池2组8六安陈粉坊（挥手对比）采集器、智能电表两块（总表三相20-80,空调表三相10-40）9六安南岳秒蔡新庄南都电池测试点10六安汪神誉阳电池测试点现场安装设备照片： 图表 3五里桥南都电池替换 图表 4南岳庙南都电池替换5.1.3 测试过程35度测试测试周期：2012年7月12日2012年8月12日测试周期内主设备与传输配套设备运行情况记录：现场检查时间基站名称主设备网管情况传输网管情况新风运行情况2012-7-18园林处正常无告警正常汪神正常无告警新店正常无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙正常无告警五里桥正常无告警正常2012-8-2园林处正常无告警正常汪神正常无告警新店断站，停电导致无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙空调故障，主设备停机无告警五里桥正常无告警正常2012-8-11园林处正常无告警正常汪神正常无告警新店正常无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙正常无告警五里桥正常无告警正常测试周期内新店、南岳庙基站出现过断站，但与基站温度无直接关系，其他配套设备运行正常。测试周内基站能耗数据情况:序号本地网基站名称测试时间测试周期内基站总耗电(度)测试基站上年同期总耗电(度)测试周期内基站平均节电率(%，以基站总耗电为基数)1六安园林处2012.7.12-2012.8.121252.42166826.03%2六安鼓楼新天地（园林处对比）2012.7.12-2012.8.121693.1516543六安五里桥2012.7.12-2012.8.121402.72157210.77%4六安兴隆（五里桥对比）2012.7.12-2012.8.128月10日前数据异常15585六安新店2012.7.12-2012.8.121165.31141411.47%6六安汽车东站（新店对比）2012.7.12-2012.8.121316.3215997六安挥手2012.7.12-2012.8.121343.68151415.12%8六安陈粉坊（挥手对比）2012.7.12-2012.8.121583.0815229六安南岳秒蔡新庄2012.7.12-2012.8.1210六安汪神2012.7.12-2012.8.12蓄电池在35度下运行一月容量无明显变化。40度测试测试周期：2012年8月20日2012年9月20日测试周期内主设备与传输配套设备运行情况记录现场检查时间基站名称主设备网管情况传输网管情况新风运行情况2012-8-20园林处正常无告警正常汪神正常无告警新店正常无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙正常无告警五里桥正常无告警正常2012-9-7园林处正常无告警正常汪神正常无告警新店正常无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙正常无告警五里桥正常传输风扇告警正常2012-9-17园林处主设备t1告警无告警正常汪神正常无告警新店正常无告警正常挥手正常无告警正常南岳庙正常无告警五里桥正常传输风扇告警正常测试周期内五里桥基站传输风扇出现告警，园林处基站MCR出现T1告警，其他基站设备工作正常。测试周内基站能耗数据情况：序号本地网基站名称测试时间测试周期内基站总耗电(度)测试基站上年同期总耗电(度)测试周期内基站平均节电率(%，以基站总耗电为基数)1六安园林处2012.8.20-2012.9.20872.25125243.55%2六安鼓楼新天地（园林处对比）2012.8.20-2012.9.201545.113473六安五里桥2012.8.20-2012.9.201157.52100913.34%4六安兴隆（五里桥对比）2012.8.20-2012.9.201335.7612125六安新店2012.8.20-2012.9.20861.98102316.74%6六安汽车东站（新店对比）2012.8.20-2012.9.201035.2611707六安挥手2012.8.20-2012.9.201038.01117718.57%8六安陈粉坊（挥手对比）2012.8.20-2012.9.201274.7212649六安南岳秒蔡新庄2012.8.20-2012.9.2010六安汪神2012.8.20-2012.9.2