考虑通信与配套设备协调优化的大规模5G宏基站网络能量管理模型

李昆，方家琨，艾小猛*，周博，姚伟，文劲宇

（强电磁技术全国重点实验室（华中科技大学））

DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.213172

2019年6月6日，工信部发放5G商用牌照，我国正式进入5G商用元年。为满足用户日益增长的通信需求，相较于前代通信技术，5G宏基站配备了更多的天线数目、采用了更大的带宽及更高的基站部署密度。通信技术与设备的升级给用户带来了更好的通信体验，也增加了5G设备的功耗。根据中国移动公布数据，单个5G宏基站中通信设备的功耗达到了4297W，约为单个4G宏基站通信设备功耗(1100W)的4倍，并且由于5G宏基站部署密度增大，仅通信设备一项，5G网络中宏基站的总功耗将达到4G网络宏基站总功耗的12倍。此外，制冷系统等维持基站正常工作的配套设备功耗约占基站总功耗的10%~30%，考虑到5G宏基站的超密集部署特性，这部分功耗也不容忽视。5G宏基站网络用电量的上升将直接导致电信运营商运行成本的上升，预计到2025年，电费支出将超过其运营成本的15%。在世界范围内绿色低碳发展的背景下，研究5G宏基站节能技术是未来移动通信行业可持续发展的必由之路。

     （1）5G宏基站网络能量管理模型

本文的研究对象是蜂窝状分布的5G宏基站同构网络(homogeneous network)，如图1所示。每个5G宏基站包含通信设备、空调、储能电池与可再生能源发电装置，宏基站结构图如图2所示。根据网络中各设备工作的物理过程，建立考虑通信与配套设备协调优化的5G宏基站网络能量管理模型，优化通信与配套设备的运行策略，实现网络用电成本最小化。

图1  5G宏基站网络示意

（2）5G宏基站网络能量管理模型重构方法

所提5G宏基站网络能量管理模型考虑了多时段、多基站、多设备、多用户的优化调度，大规模网络下直接求解将面临两方面的困难：1）优化模型中整数决策变量过多难以决策；2）网络中所有通信与配套设备的运行方式存在耦合关系，直接求解面临困难。

针对上述2点，本文采用基于地理位置的用户聚类方法减少用户分配的整数变量，如图3所示；提出适应性改进Benders分解算法对原问题进行模型重构，解决大规模网络无法求解的问题。

图3  基于地理位置的用户聚类示意

华中科技大学SGO（思构）课题组由程时杰院士1988年留学回国后创建，目前课题组学术带头人为中国科学院院士、IEEE Fellow程时杰教授，现有教授11名（教育部“长江学者”特聘教授1名），博士后9名。先后获得国家科技进步一等奖1项、二等奖3项，省部级一等奖6项，国家级教学成果二等奖3项，省级教学成果特等奖和一等奖各1项。发表论文600多篇，出版专著2部、译著1部，获得专利和软件版权100多项。目前课题组主要包括新能源电力系统稳定分析与控制、储能与新能源并网、直流输电和直流电网、电力人工智能及应用等特色研究方向。课题组详细信息可参见网页：http://sgo.hust.edu.cn。

李昆(1997)，男，博士研究生，研究方向为负荷侧管理与需求响应、考虑频率安全的低惯量电力系统优化运行等，likun_20@hust.edu.cn。

方家琨(1985)，男，博士，华中科技大学教授、博导，电气与电子工程学院副院长，研究方向为氢能、储能技术的系统应用、综合能源系统优化建模等，jfa@hust.edu.cn。

艾小猛(1986)，男，博士，华中科技大学教授、博导，研究方向为储能规划与市场模式、含大规模新能源并网的电力及综合能源系统规划与优化运行、负荷侧管理与需求响应等，xiaomengai1986@foxmail.com。