通信网络能耗分析与节能技术应用

蒋 青 泉^{1, 2}

(1. 华中科技大学 电子与信息工程系，湖北 武汉，430074；

2. 长沙通信职业技术学院，湖南 长沙，410015)

摘  要：针对通信网络能耗特点及环境条件，根据通信设备、电源和基站的能耗现状，分析通信网络的能耗分布及节能潜力，提出通信网络节能降耗的途径与措施。以此为基础，提出并设计通信机房新风节能改造方案和移动通信基站综合节能解决方案。运用定性比较评估方法，对该方案在中国电信、中国移动等通信运营企业实际应用的节能效果进行科学测量统计。应用试验结果表明：通信运营商有效控制管理能耗，在实现信息化、精确化管理基础上，因地制宜采用节能技术，建设节能型通信网络，有利于通信网络的节能减排与可持续发展，保证通信网络可靠、高效运行，降低资本开支和运营开支。

关键词：通信网络；能耗；节能

中图分类号：TN915          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)02-0464-07

Analysis of energy consumption of telecommunications network and application of energy-saving techniques

JIANG Qing-quan^{1, 2}

(1. Department of Electronics and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074, China;

2. Changsha Telecommunications and Technology Vocational College, Changsha 410015, China)

Abstract: Based on the characteristics and circumstance conditions of energy consumption of telecommunications network and according to the current situation of energy consumption of the communication equipment, power supply and base station, the energy-consumption distribution and energy-saving potential of the communications network were analyzed and the ways and measurements were put forward to save energy and reduce consumption. The fresh air energy-saving renovation plan in the communication equipment room and the comprehensive energy-saving solution for the mobile telecommunication base station were also proposed and designed. Qualitative comparative appraisal method was used to make scientific measurements and statistics of the practical energy-saving effect of the plan in the communications operation enterprises such as China Telecom and China Mobile. The experimental results show that if the communication operators can control and manage the energy consumption effectively, energy-saving techniques can be used and the energy-saving communications network can be designed which are based on informatization and precision management, and this is favorable for the energy saving, consumption reduction and sustainable development of the communications network and can guarantee the reliable and highly-effective operation of the communications network, so that capital and operational expenditure can be reduced.

Key words: communications network; energy consumption; energy-saving

随着通信及信息化的不断发展，通信已成为推动国民经济发展的基础性、先导性和支柱性产业，通信网络的规模不断扩大，通信网络设备、电源系统以及机房、基站等数量成倍增加，再加上全天候不间断的通信要求，使通信网络的能耗迅速增长^[1]。虽然对于单位GDP的能耗而言，通信业的能耗较低，但是，总量很大。通信网络主要是电力和燃油等能源消耗，其中，电力能耗达87%以上。目前，基础电信运营企业每年的耗电量超过200亿kW?h。中国电信2007年消耗电量达60多亿kW?h，其中主要是电信设备和机房空调用电，电信设备耗电约占50%，电信机房空调耗电约占40%，照明、散热等约占10%^[2]。中国移动在2007年消耗电量近80亿kW?h，其中主要是移动设备和机房空调用电，移动设备的耗电约占51%，移动机房空调约占46%，照明、环境监控等约占3%。在移动基站的耗电中，基站设备和空调约各占50%。近年来，中国通信网络规模已跃居世界第1，我国通信运营企业每年的能耗费用超过100亿元，其中能源成本近3%。各通信运营商为了降低资本开支和运营开支，在通信机房及移动通信基站等节能领域积极进行理论探索和实践，主要围绕如何减少空调耗电和基站设备耗电，提出了新风节能、变频节能、新型制冷剂节能等技术应用，并实现网络优化设计、信息化管理、精确化管理等节能措施。新一轮电信重组方案的实施使中国电信、中国移动和中国联通都实现全业务经营，通信市场的竞争将越来越激烈。因此，通信企业要统筹考虑业务发展和节能降耗工作，建立节能减排的组织管理体系，用绿色建网的理念指导通信网络建设，自觉承担节能减排的社会责任，在满足电信业务发展的前提下，尽量节省资源，以提升通信运营商的社会形象，更重要的是，能够帮助通信运营商在激烈的市场竞争下降低运营成本，获得竞争优势^[3]。

1  通信网络能耗分析

通信业既是高科技行业，也是高耗能行业。通信业的高速发展为公众提供了快捷、方便的通信服务，用户规模进一步扩大和业务量的迅猛增长也使通信网络的能耗较快增长。通信运营商的能耗主要由通信网络设备能耗和机房空调能耗组成，为了确保通信网络核心设备的正常运行，需要使用空调等设施来控制机房的温度和湿度，故通信网络设备能耗决定了通信机房空调数量及能耗。降低通信网络设备的能耗是整个通信网络节能的关键，大力节能、控制需求总量、发展清洁能源技术、加快开发利用可再生能源是通信网络节能降耗的重要途径。

1.1  通信网络设备的能耗分析

1.1.1  通信网络设备的供电方式

程控交换设备是传统PSTN的核心设备，S1240和EWSD等程控交换机使用直流供电方式(-48 V)。由于程控交换设备要求实时完成电话通信，不能中断电力供给，为了尽量使程控交换机房的电源分布系统安全可靠，主电源经电源分配架通过不同独立路径分  布到各机架，每个机架同时接收2路电源^[4]，如图1所示。

图1  程控交换设备电源分布系统

Fig.1  Power distribution system of SPC (stored program control) switching equipment

宽带交换设备是数据通信网的核心设备， ATM/FR交换机使用直流供电方式(-48 V)。服务器、路由器是IP网的核心设备，主要使用UPS交流供电方式(220/380 V)。

1.1.2  通信网络设备的主要能耗

目前，通信网络在用设备新旧交替，包括程控数字交换机、帧中继交换机、ATM交换机、No.7信令设备，智能网设备、光纤传输设备、接入网设备、DDN设备、路由器和服务器设备等。

交换机房主要是传统PSTN的程控交换设备和NGN的软交换设备。其中，程控交换设备集成度低，机架数量多，占用机房面积大，机房环境要求高，能耗大。数据机房主要是基础数据网的DDN设备、宽带交换设备和IP网的网管、计费等专业服务器、磁盘阵列等，数据机房目前主要采用交流供电的服务器，当交流市电最终转换为服务器芯片使用的±12，±5和±3.3 V直流电源时，要经过几次交流、直流变换过程，每次变换都要损失部分能量；此外，磁盘阵列能耗也较大。

1.1.3  通信网络设备的节能途径

通信网络设备的节能思路是：首先，选用低能耗、环境条件要求低的节能型网元设备；其次，合理调整用电负荷：一是采用高效节能的通信网络设备，通过设备普查，对通信局(站)中效率低、耗电多、发热量大的设备进行更新，使设备小型轻量化，相对于传统通信网络设备的耗电量，低能耗的通信设备有软交换设备、3G移动通信基站设备、光纤接入设备、直流供电的服务器、无变压器的UPS设备等，例如，软交换设备替代电路交换设备，既提高了业务的支撑和融合能力，又减少占地面积、承重和电力消耗，而且延长使用寿命^[5]；二是合理设置通信网络设备的工作参数，使其运行在最佳工作状态，达到节能目的。

1.2  通信电源系统的能耗分析

1.2.1  通信电源系统的工作方式

电信网络电源系统除交流供电系统外，还有独特的直流供电系统，为通信网络设备提供直流基础电源(-48 V)。目前，通信基础电源从传统的集中供电方式转向分散供电方式，在整体上提高了供电可靠性，并减少了电力消耗。分散供电方式是指将直流供电系统进行分散，将使用同一电压种类的通信设备采用2个以上独立供电系统，并靠近通信设备安装进行供电的方式。当某一个供电系统发生故障时，不会造成整个通信系统瘫痪，而且可以使直流供电馈线距离减小到最短^[6]。

1.2.2  通信电源系统的主要能耗

目前，通信电源系统存在供电方式不合理、蓄电池老化、集中监控不完善等问题。此外，开关电源与相控整流器相比，设备的体积及质量大幅度降低，但只能获得脉冲电流，含有大量的3次及高次谐波；UPS的整流装置也产生大量的高次谐波，因此，通信电源系统中的开关电源和UPS设备在运行过程中产生了大量的谐波，从而使电能质量恶化造成谐波干扰，增加了附加损耗，降低了供电系统的可靠性，严重的谐波造成UPS切换失败、整流控制模块被烧坏、控制保护装置失效、后备油机发电机无法启动等。

1.2.3  通信电源系统的节能途径

电信网络采用分散供电方式在节能降耗方面的优势是使直流供电更接近实际通信负荷，直流供电馈线距离减小到最短，使直流电源线截面变小和条数减少，从而减少材料费用、施工难度和不必要的直流损耗，达到节能降耗的目的；分散供电方式只要求动力机房保证交流供电，市电直接送入通信机房直流电源系统上，与集中供电方式(即由动力机房用低压直流向各通信机房供电)相比较，减少了能耗。通信电源系统采用谐波治理技术可以降低UPS供电方式带来的交流谐波失真。低谐波输入不但可以改善电源对电网的负载特性，减少对其他网络设备的谐波干扰，同时，也节省设备额定容量，提高了电源的利用率和效率，降低损耗^[7]。在通信电源工程设计时，还应考虑选用效率高的UPS、开关电源、变压器等电源产品，采用经济合理的运行方式。

1.3  移动通信基站的能耗分析

1.3.1  移动通信基站环境要求

移动通信基站机房温度要求为10~35 ℃，湿度要求为10%~90%，空气洁净度要求为B类。

1.3.2  移动通信基站的主要能耗

随着移动通信业务的发展，移动通信基站的数量不断增多，基站耗电总量的需求越来越大，例如，中国移动基站耗电约占总耗电量的73%。移动基站的用电设备有基站主设备、传输设备、电源设备、空调等，基站主设备功耗占基站总耗电量的52%，空调功耗占基站总耗电量的47%。

1.3.3  移动通信基站的节能途径

移动通信基站的节能思路是：首先用最少数量的移动通信基站完成同样的覆盖范围，其次减少每个移动通信基站的耗电。具体措施如下：一是进行无线网络优化设计，在确保通信质量的前提下，减少基站数量；二是因地制宜采用节能技术，减少移动通信基站空调的工作时间，充分利用室外冷空气资源代替空调进行降温；三是推广应用太阳能、风能供电系统，使用风光互补型供电的移动通信基站；四是采用发射功率控制功能^[8]。

1.4  通信机房空调的能耗分析

1.4.1  通信机房环境要求

通信机房环境要求是由机房内运行的通信网络设备工作环境要求决定的，如程控交换机机、ATM交换机及外围设备的长期工作温度要求为15~30 ℃，湿度要求为40%~65%，防尘要求灰尘粒子浓度达标和无腐蚀性尘埃^[9-10]。

1.4.2  通信机房空调的主要能耗

通信机房有交换机房、传输机房、数据机房、IDC机房、NGN机房、3G机房等，这些通信设备的主要部件由集成电路和电容等电子元器件组成，在工作过程中消耗电能，部分被转化为热量释放；电子元器件工作的稳定性和老化速度与环境温度有很大关系，随着工作环境温度的升高，电子元器件的失效率将明显升高，每当环境温度升高10 ℃时，功率元件的寿命减少50%，计算机的可靠性将下降25%。由于通信机房内所运行的设备数量多，密度高，发热量大，而且全程全网不间断为电信用户提供可靠连续的电信业务服务，对机房环境有较苛刻的温度、湿度及防尘要求，因此，通信机房空调一般是全年不间断工作，以保持通信机房内温度、湿度符合标准要求，所以，通信机房空调能耗大^[11]。

1.4.3  通信机房空调的节能途径

通信机房空调的节能思路是：首先，采用变频、新型制冷剂、隔绝换热、新风系统等节能技术；其次，采用冷热通道分离、合理组织气流，以及建立动力环境集中监控系统。变频技术是一种应用广泛的电机节能技术,变频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，因此，应用了变频技术的空调机不仅降低了开关损耗,而且提高了低频运转时的能效，是通信机房空调提高能效和降低能耗的有效途径。新风节能技术利用通信机房室外的自然环境为冷源，当室外大气温度和湿度低于机房环境标准要求的温度和湿度时，通过新风节能装置引进符合机房空气质量要求的室外自然新风到通信机房内，可以降低机房内环境温度以满足机房环境标准要求，通过减少空调的使用时间来降低能耗^[12]。动力环境集中监控系统利用计算机对分散的电源设备、空调设备、机房环境等进行遥测、遥信和遥控，提高通信局(站)供电系统的稳定性和可靠性，保证安全供电；动力环境集中监控系统能够实时监测通信电源和空调设备的运行状态，记录和处理监测数据，及时检测告警故障并通知维护人员处理，实现电源设备、空调设备的集中维护及优化管理，提高工作效率，并能够根据实际情况和要求自动调节电源、空调设备的工作状态及参数变化，节约能源。

2  通信网络节能方案及效果分析

2.1  通信网络节能技术原理

2.1.1  空调自适应控制节能技术

空调自适应技术是通过空调回风口上的温度探测点延伸到所有机架及整个机房环境里，利用模糊控制、比例积分微分(PID)调节、计算机温度场模拟等动态控制整个空调的运行、关闭或者温度调整的状态。通过精确控制把大自然温度变化的能量转化为空调可节约的电能部分，即充分利用大自然温度下降的冷却影响，有效地控制空调不合理工作消耗的能量；自动控制空调合理的开启或关闭状态，减少空调耗电量，达到节能的效果。因此，通信机房采用空调自适应技术使空调制出的冷量、温度场、风量扩张方向等对交换机的冷却作用最好。

2.1.2  空调添加剂节能技术

空调添加剂加入到压缩机冷冻油和制冷剂的同时，把碳氢化合物引入制冷周期中。这种化合物能除去热交换器表面的油污层，然后，在金属表面上形成一层永久性保护膜，这样，提高了制冷效果，使压缩机、冷凝器和蒸发器处于理想工作状态；同时，节能添加剂与金属表面发生化学反应，形成坚硬的表面，以此减少磨损，使压缩机运行更加平稳, 启动时摩擦阻力最小化，提高制冷系数，降低能耗^[13]。

2.1.3  新风节能技术

新风节能技术主要用于自然通风新风系统和热交换新风系统。自然通风新风系统是当室外空气温度较低时，直接将室外低温空气送入室内，为机房室内降温，若不足以带走室内热量，则需开启空调。热交换新风系统采用隔离换热的方式，只利用室外新风作带走热量的冷源，室外空气并不进入室内，室内空气经过热交换冷却后再被送回室内^[14-15]。

2.1.4  分布式基站节能技术

目前，比较成熟的分布式基站技术是把基站分为基带和射频2部分，用光纤代替传统的馈线将射频部分拉远，可以减少由馈线导致的损耗约3 dB，基站消耗的功率将大幅度降低。拉远单元可以采用自然散热技术，可节省温控能耗，占地面积小，安装快捷，广泛应用于室内覆盖、城区站址困难区域、热点覆盖等场景。分布式基站先进的分布式架构设计，可实现上塔安装，大幅度降低馈线损耗，在同等覆盖区域下可以有效降低设备功耗20%以上。传统分布式基站容量偏小，一般只支持1~2个载波，所以，只适用于室内覆盖或小容量的场景。

2.2  通信机房新风节能改造方案

通信机房节能技术改造要考虑节能的系统性、安全性、有效性和经济性，需要增加或改造一些设备及维护管理工作量。通信机房新风节能改造是利用自然风循环交换原理及室内外温差的自然温度调节作用，并采用智能温控技术实现对空调的启用控制。

2.2.1  通信机房新风节能改造原则

通信机房新风节能改造原则是：

a. 保证机房安全；

b. 满足机房温度要求；

c. 满足机房湿度和洁净度要求。

2.2.2  通信机房新风节能运行控制

通信机房新风节能系统由智能控制器、进风机、排风机、温度和湿度传感器等组成，实现通信机房专用空调与通风系统联动。当温度传感器检测到室内温度高于室外和设定温度时，由通风系统工作将室外冷空气抽进室内，逐步关闭空调，自动调节风门比例，使室内温度降低并达到规定标准要求；当温度传感器检测到室外温度高于室内和设定温度时，机房空调自动启用，温度降至规定要求后空调又自动停止工作；当温度传感器检测到室内温度等于或低于设定温度时，此时无需降温，空调和通风系统均不工作；当湿度传感器检测到空气湿度低于设定湿度时，系统自动启用加湿器，使机房湿度维持在设定范围内。

2.2.3  通信机房新风节能效果评测

对通信机房新风节能效果必须依赖现场环境条件，通常采用以下定性的比较评测方法：

a. 在稳定负荷下，采用挂表测量方式对全年同期耗电量进行比较。

b. 通过等时间间隔通断统计，进行节能技术设备投入与不投入的比较。由于通风系统工作耗电远低于机房专用空调耗电，实际上就是在保证室内温度达到规定标准要求的前提下减少机房空调使用时间，从而达到节能目的。通信机房新风节能改造技术成熟，可靠性高，稳定性好，在适合的室外气候下，可以节能近30%。

2.3  移动通信基站综合节能解决方案

2.3.1  移动通信基站综合节能基本原则

移动通信基站综合节能基本原则是：

a. 保证机房安全；

b. 节能技术可行；

c. 满足环境要求；

d. 具有监控组网能力。

2.3.2  移动通信基站综合节能系统架构

移动通信基站综合节能系统由智能控制器、输入单元(包括室内外温度和湿度传感装置、防盗防火装置等)、输出单元(包括空调控制装置、进风排风装置、加湿除湿装置等)等组成，通过通信接口连接到移动通信运营企业的基站动力及环境集中监控系统，如图2所示。

图2  移动基站综合节能系统架构

Fig.2  Architecture of comprehensive energy-saving system of mobile base station

2.3.3  移动通信基站综合节能技术应用

在空调节能方面，一是在机房设计时应明确上走线下送风的原则，采用冷热通道分离，合理组织气流，使散热效果最佳，减少空调耗电等方法^[16]；二是合理应用新风节能、变频节能、新型制冷剂节能、隔绝换热等技术；三是采取信息化管理和精确化管理等措施，合理调控每台空调运行时间，以降低单机长期超负荷运转概率，实现空调资源的合理配置，在节约空调用电的同时，延长空调的使用寿命。在设备节能方面，一是对能耗大的老基站进行整改，选择低能耗的BTS设备，在话务量变化明显的基站中引入载频关断技术；二是推广基于3G移动通信的分布式基站建设方式；三是采用太阳能、风能、谐波治理技术等。

2.3.4  移动通信基站综合节能效果评测

移动通信基站综合节能效果很难通过实验室仿真来进行测试，通常采用以下定性的比较评测方法：

a. 节能技术应用前后制冷值的比较；

b. 同一工况的双区域功能效果比较；

c. 在稳定负荷下，采用挂表测量方式对全年同期耗电量进行比较。移动通信基站综合节能要有针对性地选择高效和安全的节能技术，例如，将新型添加剂加入制冷循环系统，可以减少空调内部系统衰耗，提高单机制冷效率，实现大幅度节能。同时，要建立节能管理制度，建设统一的集中监控平台，实现能耗科学计量与监管，加强对综合节能项目实施效果的定期检查和考核。

2.4  通信网络节能效果分析

通信网络节能效果分析的基本方法是假设在相同的环境温湿度、机房设备热负荷前提下，对比测量空调系统或节能系统在一个相同时间段内的能耗数据，并通过数据计算与对比，计算出节能系统的节能率和节费率。计算方法是：

从系统开始正式运行，在测试允许的时间段内系统正常运行，实时记录运行数据，进行对比分析。某电信交换局(5万门)节能前后的能耗数据对比分析见表1。可见，交换设备通过升级改造及采用软交换，节能32.5%左右；配套的通信电源通过更换老化的设备和谐波治理，节能29%左右；机房空调通过新风节能改造和添加添加剂，节能31.8%左右。

表1  通信网络节能数据对比分析

Table 1  Comparative analysis on energy saving data of telecommunications network

在保证机房电信设备安全运行的基础上，选择合适的节能技术和节能措施，通信网络的综合节能可以达到32.1%。

3  结  论

a. 降低通信网络设备的功耗是通信网络从源头节能的关键，不仅可以节省通信网络设备运行成本，而且可以降低配套的通信电源系统及空调设备的建设和运行成本。

b. 新风节能系统本身能耗低，自动化程度高，技术成熟且稳定性好，在合适的环境条件下，全年可节能近30%，是通信机房空调配套系统的最佳选择；在通信机房专用空调与通风系统联动时，通过空调控制回路，以优化的数学模型达到最佳的节能效果。

c. 移动通信基站综合节能需要综合性手段，全面考虑各方面因素，从技术、管理上实现节能目标，全年可节能近35%；应根据当地实际情况选择合适的节能技术和节能措施，重点是空调节能和设备节能。

d. 重视通信网络节能不仅有利于减少运营成本，更能实现增长方式的转变，形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式和消费模式。

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收稿日期：2008-05-10；修回日期：2008-07-20

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(06JJ2011)；湖南省社会科学基金资助项目(07YBB313)

通信作者：蒋青泉(1965-)，男，湖南洞口人，副教授，从事通信工程研究；电话：0731-6895101；E-mail: jqqhn@126.com