5G通信基站参与需求响应：关键技术与前景展望

　　摘要：第5代移动通信技术(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)发展方兴未艾。5G网络的普及需要建设大量的5G基站，这些海量的5G基站将在未来成为可观的潜在灵活性资源。5G基站参与需求响应，即对于5G基站中的供电设备和用电设备进行调度，能够在降低5G用电成本的同时，为电力系统提供灵活性资源，实现通信系统与电力系统的双赢。本文总结了5G基站的基本组成设备和用电特性，分析了其参与需求响应的潜力;梳理了5G基站参与需求响应所必需的关键技术;展望了5G基站作为需求侧资源参与电力系统互动的应用场景;最后，对于5G基站参与需求响应潜在的商业模式进行探讨。

　　关键词：5G通信;5G基站;能源互联网;能量管理;储能电池;需求响应

　　0引言

　　第5代移动通信技术(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)相比于前代技术，具有“高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”的特点[1]，将提供更优秀的通信质量和更丰富的应用场景，推动经济和社会的快速发展。近年来5G技术的研发和推广方兴未艾。

　　通信论文范例：5G通信技术在泛在电力物联网的应用

　　2015年，国际电信联盟(Internationaltelecommunicationunion，ITU)正式将5G通信的法定名称确定为“IMT-2020”。2017年，第三代合作伙伴计划(3rdgenerationpartnershipproject，3GPP)启动5G标准的制定工作，并于2019年3月和2020年7月分别发布了Release15版本和Release16版本的5G标准，推进5G技术规范的全球统一。世界各国均积极推动5G通信的技术研发和商业部署，美国、德国、日本、韩国等纷纷公布各自的5G发展计划。

　　截至2020年11月中旬，全球已有52个国家和地区的125家运营商推出了符合3GPP标准的5G商用服务[2]。我国在5G技术积累、商用推广和设施建设方面位于世界前列。国家“十三五”规划纲要明确提出“积极推进第五代移动通信(5G)和超宽带关键技术研究，启动5G商用”的目标。2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G商用牌照，标志着我国正式进入5G商用元年[3]。

　　作为保障5G网络覆盖的重要环节，5G基站建设得到高度重视。2020年3月4日，中央政治局常务委员会明确提出“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”。截至2020年9月，我国已累计开通5G基站69万座，占全球比重近7成，终端连接数超过1.8亿个[4]。据估计，到2030年，我国建成5G基站数量将会突破千万[5]。建设海量的5G基站保障了5G网络覆盖，但同时也会导致通信运营商的用电成本成倍上升。一方面，当前单个5G基站的满载功耗约为4kW，相当于4G基站的3倍;另一方面，5G基站的建设数量也将大大超过4G基站。

　　因此，通信运营商需要寻找有效降低用电成本的办法。当前主要采取的方法为：在不影响通信服务的前提下，通过动态关闭部分设备与功能，或者动态调整设备功耗，达到节能目的[6]。虽然上述思路已经取得了一定效果，但是5G基站用电成本仍然显著高于4G基站。高昂的用电成本或将成为制约5G通信进一步发展的瓶颈之一。5G基站参与需求响应是降低用电成本的潜在途径。其中，本文中所指的电力需求响应为广义上的需求响应，包括了调度用户侧的灵活性资源参与到电力系统运行中的一系列应用，例如电网调峰、辅助服务等。

　　5G基站建设时均装设了储能电池作为不间断电源(Uninterruptiblepowersupply，UPS)，同时基站设备功耗本身可调节，因此在保证供电可靠性和通信服务质量的同时具有一定的用电灵活性。通过充分发掘5G基站的用电灵活性，通信运营商可以参与到电网需求响应中，降低基站的用电价格或获取相应的需求响应补贴，从而有效缓解5G基站用电成本过高的问题。

　　对于电力系统而言，利用5G基站提供的灵活性资源，能够促进可再生能源消纳。为应对大量可再生能源并网带来的强不确定性，电力系统需要更多的灵活调节资源来实现发电和负荷的实时平衡[7]。虽然单个5G通信基站的功率较小，但是5G基站的总数量庞大，属于典型的分布式资源。如果能够有效对海量5G基站进行协调调度，充分发挥其用电灵活性，则可以形成可观的聚合效应，为消纳可再生能源提供支撑。国内外部分企业已经开展了控制通信基站与电网互动的尝试。日本最大的通信运营商NTTDOCOMO公司开展了“绿色基站”的技术验证[8];南非MTN公司采用华为PowerStar技术，实现基站能量动态管理[9];南方电网启动了“通信基站闲散储能”示范项目。然而当前各种项目仍以示范和技术验证为主，尚未开展大规模商业应用。主要原因如下：前代基站体量较小，且用电负荷相对稳定，开展需求响应潜力不足;其次，部分关键技术仍不成熟;再次，缺乏有效的运营和商业机制，盈利模式不清晰。

　　此外，大多数项目在调度基站储能电池时，电池可能无法同时兼顾UPS供能，难以协调供电可靠性和参与需求响应的经济性。5G基站参与需求响应，可实现电力系统与通信系统的有效互动，促成双方的合作共赢。当前仍鲜有文献对于5G基站参与需求响应进行探究，因此有必要梳理其关键性技术，分析其发展前景。本文介绍了构成5G基站的基本设备，基于5G基站的用电特点分析了其参与需求响应的潜力;梳理了实现5G基站参与需求响应的关键技术;展望了5G基站作为需求侧资源参与电力系统互动的应用场景;最后，探讨了5G基站参与需求响应潜在的商业模式。

　　15G基站基本构成与特点

　　为满足大容量、低时延的通信要求，新设备的投用使得5G基站性能相比于前代基站取得了显著提升。同时，新设备也使得基站的用电负荷特性发生变化。

　　在5G技术框架中，5G基站包含宏基站和微基站，其中宏基站用于广域覆盖，功耗大;微基站用于室内补盲，功耗小。宏基站开展需求响应的潜力更大，本节主要对目前主流的商用5G宏基站进行分析。1.15G基站的基本构成5G基站设备主要包括供电设备和通信设备两类，此外还需安装照明、空调设备等。其中，供电设备包含电源和储能电池;通信设备主要包括有源天线单元(Activeantennaunit，AAU)、基带单元(Basebandunit，BBU)和网络传输设备。通信设备负责收发无线信号，对于信号进行处理，并接入5G核心网，是移动终端与5G网络间的接口。BBU用于实现基带数字信号处理，功能包括快速傅里叶变换/逆变换、调制/解调、信道编码/解码等。

　　传输设备用于实现5G网络接入，按照规定的协议与模式同5G主干网络交互。AAU由天线阵列和前代基站的射频单元集成而来。其中，为了提高信道容量，5G通信使用多天线组成的天线阵列代替了传统天线，从而实现了多进多出(Multiple-inMultiple-out，MIMO)技术[10]。AAU的发送(下行)功能将数字中频信号通过数模转换模块转换为模拟信号，使用射频模块将其调制为射频信号，经过功率放大器进行放大后，由天线阵列发射;同时，接收(上行)功能接收空间中的无线电信号，并逆向将其转化为数字信号。

　　供电设备负责为基站中的通信设备提供直流电。其中外部电源是主要的供电途径，将配电系统中的交流电转换为直流，供给各通信设备;储能电池是后备供电途径，当配电系统发生故障停电时，由储能电池给设备供电，保障通信服务不受影响，提高可靠性。传统铅酸电池能量密度较低，很难适应5G基站需求，使用性能优良的锂离子电池作为基站备用电源已经逐渐成为主流。随着近年来电动汽车的快速发展，回收梯次利用退役动力电池作为基站储能，能够有效降低投资成本[12]。作为中国最大的基站运营商，中国铁塔公司已经在2018年已停止采购铅酸电池，统一采购梯次利用的动力锂离子电池[1]。

　　1.25G基站负荷需求

　　5G基站的负荷需求根据供电的形式可以分为交流负荷和直流负荷。交流负荷主要包括照明负荷、空调负荷等维持基站室内环境的用电负荷;直流负荷是基站内负荷的主要形式，由AAU负荷、BBU负荷、传输设备负荷以及其他部分如直流电源损耗等组成。

　　5G基站用电设备中，耗电量最大的为AAU，占到总用电量的约90%[6]。AAU的功耗随基站的通信负载变化而变化。从用途上来看，AAU的功耗可以进一步分为功率放大、小信号、数字中频和电源功耗。图3给出了不同通信负载率下的AAU功耗分布。不同负载率下，功率放大模块的功耗变化最明显：满载条件下，可占到总功耗的58%;而空载条件下，仅占15%。相比之下，其他用电设备(包括直流设备如BBU、传输设备等和交流设备如照明、空调等)的负荷随通信负载率的变化则较小。

　　25G基站参与需求响应关键技术

　　5G基站参与需求响应需要有一系列关键技术作为前提。本节主要讨论需要开展的相关研究和技术实现，包括基站设备功耗管理、储能电池能量管理、储能电池可调度容量评估、通信负载预测和基站聚合与协同调度。基站设备功耗管理和储能电池能量管理是5G基站用电调控的直接技术;储能电池可调度容量评估用于评价在保障基站供电可靠性前提下，储能电池的调度可行域;通信负载预测用于估计5G基站用电负荷，服务于储能电池的可调度容量分析;基站聚合与协同调度用于实现海量5G基站的协同。

　　35G基站参与需求响应应用前景

　　本节主要对于5G基站在需求响应中的应用前景展开讨论;分析在不同需求响应应用场景下，5G基站的响应潜力，能否参与响应，如何参与响应，以及参与响应的收益。本节主要涉及电力调峰、阻塞管理、调频辅助服务等典型的电力需求响应场景。

　　3.1参与电力调峰

　　随着可再生能源渗透率的不断提高，电力系统净负荷的峰谷差增大，面临愈发严峻的调峰问题[42]。5G基站由于装设了储能电池，同时可以对于基站设备进行功耗管理，具备参与电力调峰的能力。虽然单站的功率仅为千瓦级，但是作为“新基建”的重要组成部分，未来5G网络基本建成后，数量庞大的基站群将使得基站能耗在电力负荷中的比例大大提高，具有很强的调峰潜力。

　　基站参与电力调峰主要依靠储能电池的充放电和基站设备的功耗管理。对于储能电池，在评估得到未来时段用于满足供电可靠性的最小储能备用容量后，可将剩余容量参与到电力调峰中。在用电高峰时段放电，并在用电低谷时段充电，基于储能的日内调度进行削峰填谷。同时，在用电高峰的时段，在不影响用户通信质量的情况下，开展例如通道关断、下行功率调控、多基站协同等设备功耗管理技术，可以进一步降低高峰电力需求。

　　不同基站由于覆盖范围不同，其通信负载达峰的时段也不相同。对于那些通信负载高峰与电力系统负荷高峰错开的基站，在电力负荷高峰时段开展功耗管理的效果更加明显。在当前国内的峰谷电价机制下，在用电低谷时段充电，用电高峰时段放电，能够通过峰谷价差实现套利，降低基站的用电成本。在国外基于节点边际电价(Locationalmarginalprice，LMP)的实时电价机制下，5G基站同样具有很大的价差套利潜力。

　　45G基站参与需求响应商业模式

　　5G基站参与需求响应商业模式的核心问题包括，参与需求响应如何产生收益，产生的收益如何归属和分配，所需付出的成本如何测算，以及参与各方能否获得足够回报的问题。本节将从不同运维主体的视角，对于5G基站参与需求响应的商业模式进行分析和展望。

　　4.1基站运营商运维模式为了实现5G网络覆盖，通信运营商有两种途径：一种是自建基站并进行运维;另一种是向基站运营公司租赁基站，并在基站内安装本通信公司的设备。在这里，我们将拥有自建基站的通信运营商和专门的基站运营公司统称为基站运营商。在基站运营商运维模式下，基站运营商拥有基站灵活性资源的所有权和运维控制权，作为独立主体参与和电力系统的互动。电网公司在电力系统实时运行中向基站运营商提出需求，基站运营商控制基站灵活性资源参与需求响应。

　　5结论

　　5G通信网络的快速发展将会带来5G基站的大量建设。对于电力系统而言，数量庞大的5G基站是潜在的灵活性资源。促进5G基站参与需求响应，能够降低基站的用电成本，增加电力系统灵活性，从而实现通信系统和电力系统的互利共赢。本文首先分析了5G基站的基本构成设备，基站的用电特性表明了其具有较大的需求响应潜力。

　　从基站设备功耗管理、储能电池能量管理、基站可调度容量评估、通信负载预测、基站协同调度等方面对于5G基站参与需求响应的关键技术进行了梳理。在此基础上，本文展望了5G基站在需求响应中包括调峰、阻塞管理、调频等的应用场景;探讨了5G基站参与需求响应潜在的商业模式。当前，5G基站与电力系统的互动仍处于起步阶段，为实现大规模的商业应用，还需在关键技术上取得突破，同时需要建立合理的市场机制与盈利模式。

　　随着相关技术的发展和市场机制的建立，5G基站将作为一种负荷侧的灵活性资源，深度参与到电力系统运行中，在降低电力系统运行成本、促进可再生能源消纳、建设能源互联网方面发挥重要作用。希望本文能够为5G通信基站参与需求响应的相关研究和实际应用提供参考，促进电力系统和通信系统的共同发展。

　　参考文献

　　[1]张宁，杨经纬，王毅，等.面向泛在电力物联网的5G通信：技术原理与典型应用[J].中国电机工程学报，2019，39(14)：4015-4025.ZhangN，YangJ，WangY，etal.5GcommunicationfortheubiquitousInternetofthingsinelectricity：technicalprinciplesandtypicalapplications[J].ProceedingsoftheCSEE，2019，39(14)：4015-4025(inChinese).

　　[2]GlobalMobileSuppliersAssociation.LTEto5GNovember2020：globalmarketstatus[EB/OL].(2020-11-20).https://gsacom.com/technology/5g/

　　[3]新华社.我国正式发放5G商用牌照[EB/OL].(2019-06-06).http://www.xinhuanet.com/fortune/2019-06/06/c_1124590839.htmXinhuaNews.Chinaofficiallyissued5Gcommerciallicence[EB/OL].(2019-06-06).http://www.xinhuanet.com/fortune/2019-06/06/c_1124590839.htm(inChinese).

　　[4]中国电子信息产业发展研究院.5G融合应用发展白皮书(2020)[EB/OL].(2020-12-04).http://www.xinhuanet.com/tech/2020-12/04/c_1126821689.htmChinaCenterforInformationIndustryDevelopment.Whitepaperon5Gapplicationdevelopment(2020)[EB/OL].(2020-12-04).http://www.xinhuanet.com/tech/2020-12/04/c_1126821689.htm(inChinese).

　　作者：雍培，张宁，慈松，康重庆