未來10年是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展的主周期。相比3G/4G網(wǎng)絡(luò)，無論單基站能耗還是建設(shè)總量，5G網(wǎng)絡(luò)都遠(yuǎn)高于它們。因此，5G建網(wǎng)降低能耗充滿挑戰(zhàn)。近期，三大電信運(yùn)營商都設(shè)定了自己的減碳目標(biāo)，正在積極推進(jìn)5G建網(wǎng)走向綠色低碳。
運(yùn)營商紛紛公布減碳目標(biāo)
在8月下旬的低碳日上，中國電信公布了自己的減碳目標(biāo)。到“十四五”期末，實(shí)現(xiàn)單位電信業(yè)務(wù)總量綜合能耗和單位電信業(yè)務(wù)總量碳排放下降23%以上。在5G網(wǎng)絡(luò)上，全面深化5G的共建共享，加快推動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)存量資源的深度共享，同時(shí)深入開展基站節(jié)能技術(shù)研究推廣及應(yīng)用，“十四五”期間，實(shí)現(xiàn)4G/5G網(wǎng)絡(luò)共建共享節(jié)電量超過450億度，新建5G基站節(jié)電比例不低于20%。針對(duì)5G新建基站，中國移動(dòng)、中國聯(lián)通也公布過不低于20%的節(jié)電目標(biāo)。
9月1日，在世界5G大會(huì)上，5G與碳達(dá)峰、碳中和也是一個(gè)熱門話題。“目前5G基站的功耗比較高，相當(dāng)于4G基站的3倍左右，但是從每比特耗能這個(gè)指標(biāo)看，5G比4G其實(shí)已經(jīng)下降了很多。”中國移動(dòng)研究院副院長黃宇紅說，“說實(shí)話，2019年5G商用之前，5G基站的功耗是4G現(xiàn)網(wǎng)的4~5倍，通過新的基站設(shè)計(jì)、高集成度的基站、新材料的應(yīng)用、新器件和新功能的改進(jìn)，已經(jīng)使5G基站功耗降低了1/4，現(xiàn)在5G是4G功耗的3倍左右，后續(xù)還會(huì)積極采用各種新的技術(shù)。”
“中國聯(lián)通一年耗電不到200億度，大致分布在三個(gè)方面：無線網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心，目前這三者之間的耗電比例是7∶2∶1。”中國聯(lián)通研究院副院長魏進(jìn)武說，“5G單基站的功耗是4G基站的3~4倍，這是因?yàn)?G采用了中高頻段，基站的密度比4G大。”
5G網(wǎng)絡(luò)的共建共享是一件明顯節(jié)電的系統(tǒng)性舉措。
截至2021年6月，中國聯(lián)通與中國電信共建共享5G基站已經(jīng)達(dá)到46萬站、累計(jì)共享4G基站46萬站，每年可節(jié)約用電117億度以上，為雙方累計(jì)節(jié)省投資超過千億元。而在中國電信和中國聯(lián)通共建共享過程中，出現(xiàn)了大量的創(chuàng)新性解決方案。
5G將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性減碳
5G要降低功耗并不是一個(gè)新話題。從發(fā)現(xiàn)5G基站功耗比4G高開始，從運(yùn)營商到設(shè)備商都在想辦法把功耗降下來。業(yè)界的辦法相當(dāng)一致：一方面要實(shí)現(xiàn)單基站功耗下降，另一方面要系統(tǒng)性考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大方向下手，實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)電成效。
黃宇紅說，針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)，我們在做“四新兩化”的降耗工作。“四新”包括新架構(gòu)、新功能、新材料、新能源四類，其中新架構(gòu)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)影響最大。“兩化”則是會(huì)引入人工智能技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)更加智能，更加匹配業(yè)務(wù)的需要，包括采用靈活的開關(guān)、模塊等提高網(wǎng)絡(luò)效能、降低功耗。第二個(gè)“化”是協(xié)同化，通過終端、基站、網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力環(huán)境設(shè)備，協(xié)調(diào)起來，進(jìn)一步降低能耗。
“對(duì)于耗能最大的無線基站設(shè)備，可再進(jìn)一步優(yōu)化，例如降低基站的有源部分（有源即基站中用電部分），讓功耗進(jìn)一步下降；例如在不同場景，減少宏基站天線的通道數(shù)，現(xiàn)在基本采用的是64通道、32通道的大規(guī)模天線，在一些具體場景，可以用2通道、4通道滿足需求，同時(shí)降低了功耗。”黃宇紅說，“在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，采用集中化部署的方式，降低對(duì)機(jī)房的要求，這不僅降低基站本身的功耗，還減少了配套的電源、空調(diào)等耗電大的設(shè)備。減少機(jī)房、集中化設(shè)置，可以降低不少功耗，中國移動(dòng)在推動(dòng)新型組網(wǎng)方式。”
在新功能上，會(huì)推動(dòng)更多的智能化模塊、深度休眠、發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)荷，不高的時(shí)候不用工作，進(jìn)一步降功耗。在新能源上，中國移動(dòng)在加大利用太陽能為基站供電的部署力度。
“5G設(shè)備技術(shù)之外，還有網(wǎng)絡(luò)部署布局的進(jìn)步和優(yōu)化，要在5G單站能耗提升的同時(shí)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)能耗下降，就需要在網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)上下功夫，包括5G和4G的協(xié)同，以及簡化整體網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。”魏進(jìn)武認(rèn)為，“電網(wǎng)和通信基站之間如果能夠在部署上再優(yōu)化，也就是說，將移動(dòng)通信基站和能源提供之間，再能推進(jìn)深度共建共享，這種模式上的創(chuàng)新，可能比技術(shù)上的進(jìn)步，帶來的效益和效果會(huì)更大。”
綠色5G的技術(shù)方向
8月31日，華為發(fā)布了《綠色5G白皮書》。華為無線網(wǎng)絡(luò)SRAN產(chǎn)品線總裁馬洪波表示，綠色5G網(wǎng)絡(luò)，將具備設(shè)備高集成化、站點(diǎn)極簡化、網(wǎng)絡(luò)智能化和全生命周期環(huán)保化四個(gè)特征，由此產(chǎn)生出的綠色5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將在減碳“紅線”壓力下獲得更好的發(fā)展機(jī)會(huì)。
這些綠色技術(shù)可以分為單基站的降耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性降耗以及配套設(shè)備的降耗。在單基站中，射頻中將含有更多天線、一臺(tái)設(shè)備要支持從2G到5G的超寬頻，業(yè)內(nèi)稱之為“高密度”設(shè)備，其中的主要技術(shù)是5G Massive MIMO。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，射頻單元（RRU）從單頻向三頻演進(jìn)可獲得30%以上的節(jié)能收益。
“ITU定義5G網(wǎng)絡(luò)到2030年需要把整個(gè)能耗再下降45%，這是很有追求的一個(gè)目標(biāo)。”華為無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線首席營銷官甘斌告訴《中國電子報(bào)》記者，“移動(dòng)通信每一代際協(xié)議有突破、產(chǎn)業(yè)有突破的時(shí)候，其實(shí)設(shè)備也會(huì)有非常大的突破。”5G有兩個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新，一個(gè)是Massive MIMO，一個(gè)是大帶寬，這兩個(gè)技術(shù)也是綠色5G最關(guān)鍵的兩個(gè)創(chuàng)新。
“現(xiàn)在所有講到的業(yè)界指標(biāo)都是PA（功率放大器）效率如何提升，現(xiàn)在5G基站32通道、64通道，以后還會(huì)有128通道和更高的通道，射頻通道要提升，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的重點(diǎn)是集成度在提升，芯片的集成度功耗要提升，所以我們在講Massive MIMO時(shí)，所有關(guān)鍵技術(shù)提升全部在有源部分，更多的創(chuàng)新焦點(diǎn)集中在提升轉(zhuǎn)化效率。”
基站的工作模式也會(huì)發(fā)生變化。未來的硬件休眠機(jī)制會(huì)更精細(xì)化。“在網(wǎng)絡(luò)中低負(fù)載下，影響設(shè)備能耗主要因素為硬件關(guān)斷深度和響應(yīng)時(shí)間。這可以通過硬件模塊化設(shè)計(jì)、精細(xì)休眠機(jī)制實(shí)現(xiàn)關(guān)斷深度和響應(yīng)時(shí)間的大幅優(yōu)化。”馬洪波說，“要支持這種顆粒度更小的休眠，需要對(duì)設(shè)備做智能化改進(jìn)，但這對(duì)設(shè)備本身、對(duì)用戶，都會(huì)顯得更友好一些。設(shè)備下電再重啟，對(duì)設(shè)備是有損傷的。”
在這些綠色技術(shù)中，目前挑戰(zhàn)最大的是實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)去機(jī)房、去空調(diào)化。無線站點(diǎn)的能耗主要來源于空調(diào)等外設(shè)設(shè)備。“我進(jìn)一些機(jī)房，溫度都定得很低，低到十幾度，無線設(shè)備可以承受更高的環(huán)境溫度。”馬洪波表示，“要實(shí)現(xiàn)去機(jī)房化，一是實(shí)現(xiàn)機(jī)房集中化，這幾年一直在討論C-RAN（集中化無線接入網(wǎng)），通過前一段時(shí)間的部署已經(jīng)看到了成效，國內(nèi)的運(yùn)營商也想繼續(xù)擴(kuò)大機(jī)房集中化的范圍；二是實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)室外化部署，減少空調(diào)使用并補(bǔ)充以液冷等高效散熱技術(shù)提升站點(diǎn)效率，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)能耗降低30%。”馬洪波提到一個(gè)更超前的想法，如果站點(diǎn)能夠上抱桿，站網(wǎng)的部署會(huì)更簡單，綜合降耗會(huì)更多。
引入太陽能等清潔能源，使用可循環(huán)利用的設(shè)備配件等，也是運(yùn)營商和設(shè)備商在推動(dòng)的減碳技術(shù)。例如將太陽能引入無線站點(diǎn)，并與業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)最大化利用太陽能板發(fā)電效率，在高日照地區(qū)可以減少50%的市電消耗。在保障用戶體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助智能網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務(wù)的變化實(shí)時(shí)調(diào)整頻譜、載波等網(wǎng)絡(luò)資源分配已成為業(yè)界的共識(shí)。
多地5G網(wǎng)絡(luò)部署經(jīng)驗(yàn)表明，5G新技術(shù)的持續(xù)引入正推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能效持續(xù)增長。引領(lǐng)業(yè)務(wù)向高制式承載，有助于充分利用5G高能效優(yōu)勢，降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗。
