Пути повышения энергоэффективности подсистемы базовых станций сетей сотовой связи

Для базовых станций (БС) затраты, связанные с их эксплуатацией, делятся на три группы: затраты на эксплуатацию оборудования, затраты на эксплуатацию антенно-мачтовых сооружений, затраты на эксплуатацию линий связи.

В каждой из групп можно выделить затраты на снабжение электроэнергией, поскольку они составляют от общих около 70%.

Выделяются два основных направления повышения энергоэффективности подсистемы базовых станций:

1. Снижение энергопотребления базовой станции.
2. Использование альтернативных источников электроэнергии.

Снижение энергопотребления базовой станции не может быть бесконечным, поэтому применение альтернативных источников энергии становится все более оправданным, однако в целом их применение достаточно ограничено на практике.

Можно отметить следующие пути снижения энергопотребления [1].

Обновление устаревшего оборудования

Электронное оборудование постоянно совершенствуется, современные базовые станции обладают меньшим энергопотреблением за счет лучшей оптимизации работы передатчиков, совершенствования цифровых модулей и т. д. При этом совершенствование происходит как на уровне элементарной базы, в том числе при использовании специально разработанных усилителей с меньшими потерями энергии, при переходе к цифровой обработке сигналов, так и за счет совершенствования схем подавления помех, распределения доступных частот и т. д. [2, с. 4281-4310].

Например, в стандартах четвертого поколения предусмотрена возможность варьировать ширину используемого спектра под конкретный уровень нагрузки и шума. Совершенствуется и вспомогательное оборудование. Так, например, КПД современных блоков питания доходит до 95% по сравнению с 80% для более старых модификаций, интерес представляет также использование энергосберегающих ламп для обозначения вышек базовых станций.

Системы динамического энергосбережения (Dynamic Energy Saving, Power Saving Mode)

Эта технология позволяет отключать или переводить в режим энергосбережения неиспользуемые модули базовых станций. Система динамического энергосбережения может работать на разных уровнях: отключение радиоблоков или отдельных модулей БС, отключение частот, отдельных услуг [3, с. 1-6]. Системы сотовой связи проектируются исходя из максимальной плотности абонентов, на основе которой определяется необходимая емкость базовых станций (число радиоблоков). Поэтому, если в зависимости от времени суток число активных абонентов претерпевает сильные изменения, емкость базовых станций в течение некоторых периодов времени не используется полностью. Системы динамического энергосбережения позволяют отключать неиспользуемые радиоблоки, что снижает суточное энергопотребление на 10–15% в зависимости от условий работы станции [4, с. 145-164].

Дальнейшее развитие подхода динамического энергосбережения – отключение части базовых станций (при наличии избыточного покрытия) [5, с. 56-61]. В этом случае система энергосбережения работает уже на уровне участка сети сотовой связи. Применение данного подхода возможно только на территориях с избыточным покрытием, иначе часть местности выпадет из зоны покрытия сети. Как правило, такая избыточность возникает естественным образом, когда емкость сети в местах скопления абонентов наращивается за счет размещения дополнительных базовых станций. Второй путь к созданию искусственной избыточности состоит в использовании ретрансляторов [5, с. 56-61].

Выносные радиоблоки и распределенные антенные системы

Потребление базовой станции можно снизить за счет использования выносных радиоблоков и распределённых антенных систем (Distributed Antenna Systems, DAS) [4, с. 145-164]. Выносные радиоблоки устанавливаются на вышке непосредственно рядом с антеннами, остальное оборудование размещается у основания вышки. При такой компоновке значительно уменьшается длина линий радиопередач (фидеров), что снижает их стоимость и уменьшает потери при передаче радиосигнала к антенне. Кроме того, снижается нагрузка на систему охлаждения, поскольку радиоблоки вынесены за пределы контейнера базовой станции.

В случае использования распределенной антенной системы вместо традиционных секторальных антенн используются выносные узлы DAS, располагаемые так, чтобы обеспечить нужное покрытие. Распределенная антенная система может строиться на основе фидеров и пассивных разделителей сигнала или на основе активных повторителей сигнала (репитеров). Такие системы часто применяются для обеспечения связи в метрополитене, в крупных торговых центрах.

Совершенствование вспомогательных систем

Вспомогательное оборудование базовой станции включает систему охлаждения и систему питания. Типовая система охлаждения базовой станции построена на основе бытовой сплит-системы. Наиболее чувствительным к температуре оборудованием, размещенным внутри контейнера, являются аккумуляторы источника бесперебойного питания. Поэтому от системы охлаждения требуется поддержание температуры порядка +18–23°C. В то же время остальное оборудование базовой станции может работать в более широком диапазоне температур. Путей снижения энергопотребления несколько:

• можно повысить максимально допустимую температуру внутри контейнера, но в ущерб сроку службы батарей;
• использовать естественное охлаждение. Этот подход особенно эффективен в случае «достаточно холодного» климата;
• использовать индивидуальную систему охлаждения для аккумуляторных батарей;
• переход от аккумуляторных батарей к топливным элементам [6, с. 77].

Топливный элемент представляет собой устройство, напрямую преобразующие химическую энергию в электрическую.

Однако, в настоящее время обычно устанавливают комплексную систему, состоящую из вентилятора охлаждения внешним воздухом и сплит-системы, причем кондиционер включается только, если естественного охлаждения оказывается недостаточно.

Размер энергопотребления конкретной базовой станции сильно зависит от состава оборудования. В базовой станции располагается основное оборудование станции, его нормальная работа обеспечивается вспомогательным оборудованием: системой питания, включающей также блок бесперебойного питания с аккумуляторами, и система климат-контроля. В зависимости от числа радиомодулей максимальное энергопотребление базовой станции стандарта GSM составляет от 2–3 кВт (1 радимодуль) до 5–6 кВт (6 радиомодулей) [7, с. 85].

При этом в случае сокращения энергопотребления основного оборудования уменьшается тепловыделение, что вызывает уменьшение энергозатрат на охлаждение, в результате снижаются требования к системе питания и емкости аккумуляторов. Таким образом, снижение энергопотребления основного оборудования на 1 Вт ведет к снижению потребления на уровне всей системы на более значительную величину.

Заключение

В настоящее время, кроме приведенных методов повышения энергоэффективности, разрабатываются и технологии использования ретрансляторов. Кроме того, целесообразно совершенствование вспомогательных систем, включающих в себя систему охлаждения и систему питания. Можно повысить максимально допустимую температуру внутри помещения, но в ущерб сроку службы батарей, а также использовать естественное охлаждение. Этот подход особенно эффективен в случае “достаточно холодного” климата. Дальнейшим развитием подобных систем охлаждения является использование индивидуальной системы охлаждения для аккумуляторных батарей [7, с. 85].