通信接入機(jī)房“碳中和”之路

肖奇良

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

2020年9月，第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上闡明，應(yīng)對氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是保護(hù)地球家園需要采取的最低限度行動，各國必須邁出決定性步伐。同時宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

通信信息行業(yè)作為一個新興朝陽行業(yè)，目前處于高速發(fā)展階段，如何做到最終的碳中和，也值得行業(yè)進(jìn)行深入的思考，共同探討行業(yè)的“碳中和”發(fā)展之路。

其中無線基站是接入機(jī)房中最為重要的組成部分，也是未來發(fā)展最為迅速和具有代表性的接入機(jī)房類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國在用無線基站約650萬個。今年5月17日，“2021世界電信和信息社會日大會”上工信部副部長劉烈宏介紹，截止2021年3月底，我國已累計(jì)建成5G基站超81.9萬個，占全球70%以上。另據(jù)工信部發(fā)布《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動計(jì)劃（2021—2023年）》征求意見稿，到2023年全國5G基站數(shù)量將達(dá)到252萬個。

如何做好諸如眾多無線基站的接入機(jī)房的碳中和，將會是引領(lǐng)通信行業(yè)的雙碳工作的潮流。

1 通信接入機(jī)房現(xiàn)狀

通信接入機(jī)房是通信企業(yè)直接面向客戶的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)，早期主要體現(xiàn)在有線接入機(jī)房方面。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前接入機(jī)房更多的體現(xiàn)在無線接入機(jī)房的建設(shè)使用上。

1.1 電源系統(tǒng)

接入機(jī)房電源系統(tǒng)供電保證要求比較高，由交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)組成。交流電源系統(tǒng)主要由外電引入、交流配電屏（箱）、發(fā)電機(jī)等組成。當(dāng)市電供電正常時，外電經(jīng)供電線路輸送到交流配電屏（箱），然后再分配到各用電負(fù)荷。當(dāng)市電停電時，電源由應(yīng)急發(fā)電機(jī)發(fā)電并通過供電線路輸送到交流配電屏（箱），再分配到各用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)各需保證供電負(fù)荷的正常用電[2]。

直流電源系統(tǒng)由直流電源設(shè)備、供電電源饋線及直流供電負(fù)荷組成。而直流電源設(shè)備由開關(guān)電源和蓄電池組組成。接入機(jī)房一般采用組合式開關(guān)電源設(shè)備供電。組合式開關(guān)電源設(shè)備是由交（直）流配電單元、高頻開關(guān)整流器及蓄電池組組成。交流電源供電正常時，整流器對負(fù)荷供電，并對蓄電池組進(jìn)行浮充充電。交流電源供電不正常時，整流器停止工作，由蓄電池組向負(fù)荷供電，從而實(shí)現(xiàn)對直流用電負(fù)荷的無瞬間中斷供電[3]。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

為保障通信設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，機(jī)房需要控制在一定的溫度和濕度范圍內(nèi)。為滿足這一要求，在接入機(jī)房內(nèi)配置相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備，空調(diào)配置容量主要滿足設(shè)備散熱和機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)等熱負(fù)荷。目前接入機(jī)房普通采用房間級空調(diào)設(shè)備，空調(diào)氣流組織為先冷卻環(huán)境、再冷卻設(shè)備，制冷效率較低。

1.3 動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，機(jī)房大多配置了相應(yīng)的動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要對現(xiàn)有的電源設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、機(jī)房環(huán)境狀態(tài)等通過現(xiàn)場采集設(shè)備進(jìn)行實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，并通過監(jiān)控單元將數(shù)據(jù)匯總后通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，從而接入共用監(jiān)控平臺。

1.4 能耗情況現(xiàn)狀

以國內(nèi)某通信企業(yè)為例，在2020年全年接近250億kW·h用電中，基站用電占了39%，達(dá)到接近100億kW·h，其中5G占比9%，非5G占91%。5G通信設(shè)備功耗的提升是同級4G基站的4倍左右，而同一覆蓋范圍下，5G基站的需求數(shù)量又是4G的3～4倍左右，不難看出，從發(fā)展的角度來看，5G基站很快將占據(jù)耗電核心地位。

2 存在的問題

針對目前通信運(yùn)營企業(yè)接入機(jī)房的現(xiàn)狀，在雙碳政策制度大環(huán)境下，大量在用的接入機(jī)房特別是無線基站機(jī)房，若要做到“碳中和”，還面臨著諸多的問題。

2.1 能耗將會幾何級增加

5G系統(tǒng)各通道內(nèi)由于面積限制，電路設(shè)計(jì)難度增強(qiáng)，插損加大，導(dǎo)致5G自動尋址單元（AAU）效率下降，能耗上升；5G系統(tǒng)全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用智能多天線技術(shù)和有源天線單元結(jié)構(gòu)，由傳統(tǒng)的2～4無源天線陣子2發(fā)射4接收單元，變成192天線陣子64通道，容量增加的同時，基站用電量大幅增加。5G基站較4G基站在單個扇區(qū)功耗由原來的200 W提升到800 W。

隨著5G基站的大量優(yōu)化部署，其能耗將會大幅度提升，根據(jù)預(yù)測，運(yùn)營企業(yè)在2021年的能耗增量中，5G是最大的主要增量因素，占能耗增量部分的51%。

2.2 動力系統(tǒng)容量無法滿足需求

通信設(shè)備用電大幅度提升，現(xiàn)有高頻開關(guān)電源、蓄電池組、外電引入、機(jī)房空調(diào)等需求容量也相應(yīng)提高，很多機(jī)房無法滿足設(shè)備擴(kuò)容的需求。另外，大部分機(jī)房由于機(jī)房面積、機(jī)房承重等限制條件也無法對現(xiàn)有動力系統(tǒng)進(jìn)行有效擴(kuò)容[4]。

目前，部分機(jī)房通過縮短電池后備時間、提升機(jī)房溫度等較為“暴力”方式來節(jié)省電力容量，采用犧牲系統(tǒng)可靠性的方式，這顯然是采取“下下簽”的應(yīng)急應(yīng)對方式。

2.3 運(yùn)營成本高、監(jiān)控智能化水平低

隨著接入機(jī)房的優(yōu)化覆蓋，一方面單基站功耗增大，另一方面基站數(shù)量也增多，將使得通信企業(yè)電費(fèi)支出、人員投入等運(yùn)營成本逐漸增加。另外，目前部署的動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要還是處于數(shù)據(jù)收集階段，還沒有對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析應(yīng)用，智能化水平相對較低。

3 接入機(jī)房“碳中和”方案

鑒于接入機(jī)房存在的能耗問題，傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)運(yùn)營模式已經(jīng)無法滿足節(jié)能減排的要求，對于響應(yīng)國家“雙碳”政策，更是類似“火上澆油”，進(jìn)一步加重了碳排放壓力。為走好接入機(jī)房的“碳中和”之路，解決其存在的若干問題，無疑需要對接入機(jī)房的動力系統(tǒng)采取革新性建設(shè)理念。

3.1 因地制宜采用清潔能源

由于無線基站的特殊性，其大量建設(shè)在譬如屋頂、野外、山頭等較為開闊的地帶，該類型機(jī)房具備較為優(yōu)越的太陽能、風(fēng)能等清潔能源的建設(shè)條件，可以充分利用現(xiàn)場資源條件，因地制宜采取光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源并結(jié)合儲能系統(tǒng)解決機(jī)房用電[5]。

3.2 充分利用“免費(fèi)”制冷

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)普遍采用直膨式機(jī)械制冷方式，空調(diào)的耗電量占到機(jī)房總用電的40%左右。隨著通信設(shè)備對環(huán)境適應(yīng)能力的提升，采用切實(shí)有效的“免費(fèi)”制冷技術(shù)（如氟泵技術(shù)、自清潔新風(fēng)節(jié)能技術(shù)、直（間）接蒸發(fā)冷卻技術(shù)等），充分利用自然冷源，將可以為機(jī)房用電進(jìn)行有效減負(fù)。

3.3 針對性精確制冷

摒棄原有的房間級空調(diào)的“先冷卻環(huán)境、再冷卻設(shè)備”氣流組織模式，采取精確送風(fēng)方式，比如建設(shè)DC艙，采用一體化機(jī)柜等“先冷卻設(shè)備、再冷卻環(huán)境”的精確送風(fēng)氣流組織模式，可以大幅度降低空調(diào)系統(tǒng)用電功耗。

3.4 AI技術(shù)深度賦能節(jié)能減排

在采用清潔能源、“免費(fèi)”制冷、精確制冷等技術(shù)的前提下，采用大數(shù)據(jù)AI技術(shù)更替現(xiàn)有智能化水平較低的動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)優(yōu)化，充分利用AI來協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的運(yùn)行邏輯關(guān)系，可以使動力系統(tǒng)工作在最優(yōu)最節(jié)能的工作模式下，充分挖掘各技術(shù)最優(yōu)配合節(jié)能模式。

AI技術(shù)將會體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，運(yùn)用AI技術(shù)進(jìn)行深度賦能，一站一策制定AI節(jié)能策略并深度學(xué)習(xí)，從而打通網(wǎng)管業(yè)務(wù)與基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字壁壘，引入AI算法，以業(yè)務(wù)反向影響動力系統(tǒng)運(yùn)行，降低無效供電能耗。

3.5 推進(jìn)主設(shè)備自主節(jié)能

前期介入環(huán)節(jié)，聯(lián)合5G設(shè)備的供應(yīng)商合作伙伴，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)流程中降低設(shè)備功耗，比如推薦5G設(shè)備采用液冷散熱模式，優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

設(shè)備采購環(huán)節(jié)，制定節(jié)能的工作模式及功耗指標(biāo)參數(shù)并落實(shí)在設(shè)備采購中，采購可耐高溫運(yùn)行的設(shè)備。

運(yùn)行及后評估環(huán)節(jié)，對主設(shè)備及節(jié)能設(shè)備實(shí)行生命周期內(nèi)的能效閉環(huán)管理，進(jìn)行設(shè)備全壽命周期能效后評估，節(jié)能效果評價作為后期設(shè)備采購的指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系為新時代高質(zhì)量發(fā)展指明了方向，通信信息行業(yè)以5G、數(shù)據(jù)中心為抓手引領(lǐng)國家新基建的發(fā)展。一方面面臨著減碳壓力，應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行升級改造，另一方面可以發(fā)揮信息技術(shù)行業(yè)特性引導(dǎo)促進(jìn)其他各行各業(yè)加速減碳步伐。正是由于信息技術(shù)在提高工作效率、改善生活質(zhì)量、提升資源利用等方面體現(xiàn)了顯著促進(jìn)作用，故其所走的“碳中和”之路不單單只體現(xiàn)自己減排上，同時也體現(xiàn)在為其他各行各業(yè)的減排上。