通信基站節(jié)能減排評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估方法研究*

張高記，呂建東，陳文學(xué)

（西安郵電學(xué)院 西安 710061)

1 引言

通信業(yè)是工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，作為通信大國(guó),我國(guó)每年通信業(yè)消耗的能源非常巨大，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2009年三家電信企業(yè)的能耗總量將近290億度，增幅約26%，折合440.7萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可見(jiàn)，通信業(yè)已發(fā)展為耗能大戶，已作為重點(diǎn)用能單位納入國(guó)家節(jié)能減排重點(diǎn)監(jiān)管范圍。從電信運(yùn)營(yíng)商能耗分布來(lái)看，渠道用房能耗約占7%、管理用房能耗約占6%、核心機(jī)房能耗約占24%，而基站機(jī)房能耗占比高達(dá)63%左右[1]。因此，移動(dòng)通信基站的節(jié)能減排已經(jīng)成為通信業(yè)節(jié)能減排的重中之重。2009年,隨著我國(guó)3G牌照的發(fā)放,標(biāo)志著我國(guó)通信業(yè)進(jìn)入3G移動(dòng)通信時(shí)代，移動(dòng)通信基站的布設(shè)數(shù)量迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2010年6月，我國(guó)移動(dòng)用戶數(shù)已經(jīng)突破8億戶，達(dá)到8.05億戶，移動(dòng)通信基站數(shù)已超過(guò)了120萬(wàn)個(gè)，這意味著移動(dòng)通信基站能源消耗與日俱增。

近年來(lái)，隨著環(huán)境氣候的急劇變化，各國(guó)的通信業(yè)也越來(lái)越重視節(jié)能減排工作，建立了一系列節(jié)能減排管理體系與評(píng)估方法，主要有：國(guó)際節(jié)能效果測(cè)量和驗(yàn)證規(guī)程（IPMVP）[2]，由美國(guó)能源部支持，國(guó)際節(jié)能測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程委員會(huì)制定，提出了節(jié)能量測(cè)的基本方法、步驟、測(cè)量和認(rèn)證方案，適用于通信業(yè)的節(jié)能改造項(xiàng)目評(píng)測(cè)；能效評(píng)估PUE指標(biāo)，最早由美國(guó)綠格聯(lián)盟提出，目前已經(jīng)成為國(guó)際公認(rèn)的數(shù)據(jù)中心設(shè)施電力效率標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于IDC數(shù)據(jù)中心設(shè)施電力效率評(píng)估，也可推廣到通信行業(yè)各類機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施的能效評(píng)估；通信設(shè)備能效率（telecommunications equipment energy efficiency rating，TEEER）[3], 由 美 國(guó)Verizon通信公司最先提出，主要用來(lái)衡量、比較新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品的能源消耗，目標(biāo)是提高20%的能源效率。我國(guó)的電信運(yùn)營(yíng)商都非常重視通信基站的節(jié)能減排工作，相繼也在努力推出設(shè)備采購(gòu)的能耗要求和評(píng)估，但都是針對(duì)節(jié)能技術(shù)和項(xiàng)目的指標(biāo)及評(píng)估方法，缺少科學(xué)合理的通信基站節(jié)能減排評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估方法，制約了節(jié)能新技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用。為此，在全面分析研究通信基站能耗要素和能耗模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了通信基站節(jié)能減排能效指標(biāo)體系，提出了通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估方法，為通信基站節(jié)能減排指標(biāo)體系及評(píng)估方法提供了方法依據(jù)。

2 通信基站能耗模型

2.1 通信基站能耗要素分析

一個(gè)單一、完整的通信基站，其能耗因素主要從以下5個(gè)方面進(jìn)行考慮[4，5]。

（1）基站主設(shè)備

是指通信基站的無(wú)線設(shè)備，主要包括天饋系統(tǒng)、BTS以及BSC等。它是基站中耗電量最多的部分，這部分的能耗占通信基站總能耗的49%～51%。

（2）機(jī)房環(huán)境設(shè)備

主要指空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)等溫濕度調(diào)控設(shè)備。這部分的耗電量是基站耗電的另一個(gè)重點(diǎn)，這部分的能耗占通信基站總能耗的40%～46%。

（3）電源系統(tǒng)

一般主要指開(kāi)關(guān)電源、蓄電池以及發(fā)電機(jī)等，這部分的能耗占通信基站總能耗的3%～5%。

（4）其他輔助設(shè)備

主要指數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)房監(jiān)控及照明設(shè)備等，這部分的能耗約占通信基站總能耗的3%。其特點(diǎn)是能耗較小，而且能耗一般是固定值。

（5）機(jī)房建設(shè)能耗

主要指新建基站的機(jī)房建設(shè)能耗，其屬于一次性能耗，在基站建成投入使用階段便無(wú)須考慮。

因此，對(duì)通信基站進(jìn)行節(jié)能減排評(píng)估時(shí)，可以對(duì)這5個(gè)主要的構(gòu)成要素進(jìn)行分析。

2.2 通信基站能耗模型

通過(guò)對(duì)通信基站能耗主要構(gòu)成要素的分析，除去一次性的機(jī)房建設(shè)能耗之外，通信基站的能耗主要由基站主設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、供電系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備這4個(gè)方面的因素決定。由此，給出了如圖1所示的通信基站能耗模型[6]。

3 通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估指標(biāo)體系

3.1 通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

通過(guò)上述分析，通信基站能耗主要由基站主設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、供電系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備這4個(gè)方面的因素決定，其中，機(jī)房環(huán)境設(shè)備、供電系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成了通信基站的配套設(shè)備。因此，可以將通信基站看作是由基站主設(shè)備和基站配套設(shè)備兩個(gè)部分構(gòu)成。這樣，在對(duì)通信基站進(jìn)行節(jié)能減排效能評(píng)估時(shí)，可將基站主設(shè)備能效、配套設(shè)備能效這兩個(gè)要素定為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)而細(xì)分，并結(jié)合國(guó)際上常用的通信業(yè)能效相關(guān)指標(biāo)，得到衡量這兩個(gè)要素的二級(jí)指標(biāo)，因此，可以構(gòu)建通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 通信基站節(jié)能減排評(píng)估指標(biāo)體系

（1）半載業(yè)務(wù)量

半載業(yè)務(wù)量是指基站配置業(yè)務(wù)量的一半，配置業(yè)務(wù)量指通信基站設(shè)備軟硬件配置所能支持的最大業(yè)務(wù)量，可根據(jù)無(wú)線信道配置數(shù)量，按照取定的呼損指標(biāo)，查找erl B表計(jì)算，對(duì)于混合業(yè)務(wù)可通過(guò)等效愛(ài)爾蘭法、后愛(ài)爾蘭法和坎 貝 爾 法 計(jì) 算[7，8]。

圖1 通信基站機(jī)房能耗模型

（2）半載單位業(yè)務(wù)量能耗

半載單位業(yè)務(wù)量能耗是指基站主設(shè)備能耗與半載業(yè)務(wù)量之比，即：

（3）實(shí)際單位業(yè)務(wù)量能耗

實(shí)際單位業(yè)務(wù)量能耗是指基站主設(shè)備能耗與實(shí)際業(yè)務(wù)量之比，即：

（4）通信基站 PUE

通信基站PUE是指基站總能耗與基站主設(shè)備能耗之比，即：

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

一般來(lái)講，評(píng)估指標(biāo)體系確定后，首先要確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，目前通用的指標(biāo)權(quán)重獲取方法主要有：專家調(diào)研法、二元比較法、客觀計(jì)算的、方法等，這里采用了專家調(diào)研的方法來(lái)獲得權(quán)重。根據(jù)專家調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得到P1、P2、P3指標(biāo)的權(quán)重向量為：

3.3 指標(biāo)基準(zhǔn)值測(cè)算

根據(jù)二級(jí)指標(biāo)討論情況，其基準(zhǔn)值（即度量標(biāo)尺）主要有單位業(yè)務(wù)量能耗基準(zhǔn)值和通信基站PUE基準(zhǔn)值，具體測(cè)算方法如下。

（1）單位業(yè)務(wù)量能耗基準(zhǔn)值的測(cè)算方法

· 單位業(yè)務(wù)量能耗基準(zhǔn)值計(jì)算

取各廠家通信基站主設(shè)備能耗的最優(yōu)值作為基準(zhǔn)，測(cè)算單位業(yè)務(wù)量能耗基準(zhǔn)值，其計(jì)算公式如下：

· 各廠家基站主設(shè)備能耗最優(yōu)值的確定

各廠家基站主設(shè)備能耗最優(yōu)值參考業(yè)界對(duì)現(xiàn)網(wǎng)各主流設(shè)備的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，選取最優(yōu)能耗值作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。以GSM網(wǎng)絡(luò)為例，根據(jù)某運(yùn)營(yíng)商對(duì)各主流GSM設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的能耗測(cè)試情況，基站主設(shè)備耗電量見(jiàn)表2。

按照以上結(jié)果，以能耗最低的廠家1單載頻能耗可以計(jì)算出GSM典型基站S2/2/2設(shè)備能耗為810 W，按照2%的呼損計(jì)算，該站型配置話務(wù)量為24.6 erl（根據(jù)配置業(yè)務(wù)信道數(shù)查erl B表），以此來(lái)表征基站配置業(yè)務(wù)量，從而可測(cè)算出GSM半載單位業(yè)務(wù)量能耗基準(zhǔn)值為0.06585度/erl。

表2 某運(yùn)營(yíng)商基站主設(shè)備耗電量統(tǒng)計(jì)

（2）通信基站PUE基準(zhǔn)值的確定

大家知道，PUE指標(biāo)的理想值為1，即基站主設(shè)備的能耗與基站總能耗相等，也就是說(shuō)，基站配套設(shè)備不耗電，但實(shí)際通信基站的總能耗中，環(huán)境設(shè)備的能耗可以為0，而電源、傳輸和照明等設(shè)備的能耗不可能為0，總占有一定的比例，經(jīng)測(cè)算，在環(huán)境設(shè)備能耗為0的情況下，電源、傳輸照明等配套設(shè)備能耗約占基站總能耗的10%左右。因此，這里取通信基站PUE基準(zhǔn)值為1.1。

4 通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估方法

4.1 通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估模型

基于以上評(píng)估指標(biāo)體系的分析，可得到通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估模型如圖2所示。

圖2 通信基站節(jié)能減排評(píng)估模型

模型中，半載單位業(yè)務(wù)量能耗用來(lái)評(píng)估基站主設(shè)備產(chǎn)品自身能效（P1），實(shí)際單位業(yè)務(wù)量能耗用來(lái)評(píng)估基站實(shí)際使用能效（P2），P1和P2的綜合評(píng)價(jià)構(gòu)成基站主設(shè)備能效評(píng)估（B1）。另外，通信基站PUE（P3）用來(lái)評(píng)估基站配套設(shè)備能效 (B2)，B1和B2的綜合評(píng)價(jià)構(gòu)成通信基站節(jié)能減排效能評(píng)估結(jié)果。

4.2 通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估方法

設(shè)Ai為某個(gè)待評(píng)估的通信基站，具體評(píng)估方法如下。

第一步，數(shù)據(jù)采集測(cè)算。

根據(jù)采集到的樣本數(shù)據(jù)，測(cè)算通信基站的半載單位業(yè)務(wù)量能耗、實(shí)際單位業(yè)務(wù)量能耗以及通信基站PUE。

第二步，基站主設(shè)備能效評(píng)價(jià)。

第三步，基站配套設(shè)備能效評(píng)價(jià)。

第四步，通信基站節(jié)能減排效能綜合評(píng)價(jià)。

4.3 評(píng)估方法實(shí)測(cè)例證

為驗(yàn)證基站能效評(píng)估方法，選擇某運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)運(yùn)行典型基站進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估，具體如下。

（1）被測(cè)對(duì)象

被測(cè)基站具體情況見(jiàn)表3。

（2）測(cè)試方法

測(cè)試時(shí)間為2010年9至10月，室外溫度為20～25℃，測(cè)試方法采取掛表分路測(cè)量方式，實(shí)際測(cè)量基站總能耗與主設(shè)備能耗，測(cè)算基站PUE值，按照基站硬件配置測(cè)算配置業(yè)務(wù)量,按照測(cè)試期間網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)量記取實(shí)際業(yè)務(wù)量。

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)及綜合評(píng)分

測(cè)試數(shù)據(jù)及綜合評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表4。

（4）評(píng)估結(jié)果分析

從各項(xiàng)得分來(lái)看，P1得分中基站2最高，體現(xiàn)出了設(shè)備優(yōu)勢(shì)，但P2得分統(tǒng)一較高，說(shuō)明主設(shè)備產(chǎn)品自身能耗相差不大，在目前技術(shù)情況下節(jié)能空間有限；P2得分普遍較低，失分嚴(yán)重，這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)負(fù)載率普遍較低，建議開(kāi)啟主設(shè)備軟件節(jié)能技術(shù)，提高單位業(yè)務(wù)量能效指標(biāo)；B2得分中基站1和基站4得分較高，基站1得益于機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又有一臺(tái)空調(diào)關(guān)閉，PUE較低，基站4得益于“機(jī)房升溫+電池恒溫柜”節(jié)能技術(shù)，PUE較低，建議對(duì)基站2、3和5引入自然冷源節(jié)能技術(shù)，以改善PUE值，提高B2得分。

表3 被測(cè)基站相關(guān)信息

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)及綜合評(píng)分

綜合來(lái)看，基站1得分最高，主要體現(xiàn)在PUE值較低，業(yè)務(wù)負(fù)載率較高；基站 3和5，得分較低，主要體現(xiàn)在PUE值高，業(yè)務(wù)負(fù)載率太低；基站4雖然業(yè)務(wù)負(fù)載率較低，但由于機(jī)房使用了升溫技術(shù)，改善了PUE值，所以總體得分適中。

從以上分析可以看出，各項(xiàng)評(píng)估得分以及基站綜合得分，基本與實(shí)際相符，體現(xiàn)了產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)、實(shí)際使用以及節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用情況等，可以滿足通信基站節(jié)能評(píng)估要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通信業(yè)已作為重點(diǎn)用能單位納入國(guó)家節(jié)能減排重點(diǎn)監(jiān)管范圍，而通信基站具有數(shù)量多、能耗占比大、節(jié)能潛力大的特點(diǎn)，必將成為通信業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)。實(shí)測(cè)表明：通信基站節(jié)能減排能效評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估方法，可以有效量化基站節(jié)能指標(biāo)、查找基站高能耗問(wèn)題所在、評(píng)價(jià)節(jié)能減排工作成效，為通信基站節(jié)能減排的科學(xué)評(píng)估提供可參考的依據(jù)，對(duì)通信基站節(jié)能減排監(jiān)管、能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的建立以及節(jié)能減排新技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新具有積極的推進(jìn)意義。

1 彭軍.推動(dòng)“綠色行動(dòng)計(jì)劃”營(yíng)造健康產(chǎn)業(yè)環(huán)境.通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，2010（4）：26～38

2 國(guó)際節(jié)能測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程委員會(huì).國(guó)際節(jié)能效果測(cè)量和驗(yàn)證規(guī)程（IPMVP），2002(3)

3 VZ TPR,9205.Verzion NEBSTM compliance：energy efficiency requirements for telecommunications equipment verzion technical purchasing,2008

4 秦延奎等.電信行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)、方法與案例.北京：人民郵電出版社，2010

5 編委會(huì).綠色行動(dòng)計(jì)劃——系統(tǒng)科學(xué)與中國(guó)移動(dòng)節(jié)能減排實(shí)踐.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

6 吳京文.通信電源與機(jī)房環(huán)境節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系研究.通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，2010（4）：13～19

7 張慧瑜,杜明輝.WCDMA系統(tǒng)混合業(yè)務(wù)下的小區(qū)容量預(yù)測(cè)與仿真.微計(jì)算機(jī)信息,2006(22):186～187

8 楊暢.TD-SCDMA室分設(shè)計(jì)中的容量估算及小區(qū)配置.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2009(9):42～46