5G占运营商用电成本七成减碳红线倒逼技术创新

业界作者：中国电子报 2021-09-04 07:15:33

未来10年是5G网络建设和发展的主周期。相比3G/4G网络，无论单基站能耗还是建设总量，5G网络都远高于它们。因此，5G建网降低能耗充满挑战。近期，三大电信运营商都设定了自己的减碳目标，正在积极推进5G建网走向绿色低碳。

共建共享5G基站

运营商纷纷公布减碳目标

在8月下旬的低碳日上，中国电信公布了自己的减碳目标。到“十四五”期末，实现单位电信业务总量综合能耗和单位电信业务总量碳排放下降23%以上。在5G网络上，全面深化5G的共建共享，加快推动4G网络存量资源的深度共享，同时深入开展基站节能技术研究推广及应用，“十四五”期间，实现4G/5G网络共建共享节电量超过450亿度，新建5G基站节电比例不低于20%。针对5G新建基站，中国移动、中国联通也公布过不低于20%的节电目标。

9月1日，在世界5G大会上，5G与碳达峰、碳中和也是一个热门话题。“目前5G基站的功耗比较高，相当于4G基站的3倍左右，但是从每比特耗能这个指标看，5G比4G其实已经下降了很多。”中国移动研究院副院长黄宇红说，“说实话，2019年5G商用之前，5G基站的功耗是4G现网的4~5倍，通过新的基站设计、高集成度的基站、新材料的应用、新器件和新功能的改进，已经使5G基站功耗降低了1/4，现在5G是4G功耗的3倍左右，后续还会积极采用各种新的技术。”

“中国联通一年耗电不到200亿度，大致分布在三个方面：无线网络、基础网络、数据中心，目前这三者之间的耗电比例是7∶2∶1。”中国联通研究院副院长魏进武说，“5G单基站的功耗是4G基站的3~4倍，这是因为5G采用了中高频段，基站的密度比4G大。”

5G与智能平台结合

5G网络的共建共享是一件明显节电的系统性举措。

截至2021年6月，中国联通与中国电信共建共享5G基站已经达到46万站、累计共享4G基站46万站，每年可节约用电117亿度以上，为双方累计节省投资超过千亿元。而在中国电信和中国联通共建共享过程中，出现了大量的创新性解决方案。

5G将实现系统性减碳

5G要降低功耗并不是一个新话题。从发现5G基站功耗比4G高开始，从运营商到设备商都在想办法把功耗降下来。业界的办法相当一致：一方面要实现单基站功耗下降，另一方面要系统性考虑网络结构，从网络结构的大方向下手，实现明显的节电成效。

黄宇红说，针对5G网络，我们在做“四新两化”的降耗工作。“四新”包括新架构、新功能、新材料、新能源四类，其中新架构对5G网络建设影响最大。“两化”则是会引入人工智能技术，让网络运转更加智能，更加匹配业务的需要，包括采用灵活的开关、模块等提高网络效能、降低功耗。第二个“化”是协同化，通过终端、基站、网络、动力环境设备，协调起来，进一步降低能耗。

5G基站与新能源结合

“对于耗能最大的无线基站设备，可再进一步优化，例如降低基站的有源部分（有源即基站中用电部分），让功耗进一步下降；例如在不同场景，减少宏基站天线的通道数，现在基本采用的是64通道、32通道的大规模天线，在一些具体场景，可以用2通道、4通道满足需求，同时降低了功耗。”黄宇红说，“在网络架构上，采用集中化部署的方式，降低对机房的要求，这不仅降低基站本身的功耗，还减少了配套的电源、空调等耗电大的设备。减少机房、集中化设置，可以降低不少功耗，中国移动在推动新型组网方式。”

在新功能上，会推动更多的智能化模块、深度休眠、发射信号的设计，需要根据业务负荷，不高的时候不用工作，进一步降功耗。在新能源上，中国移动在加大利用太阳能为基站供电的部署力度。

“5G设备技术之外，还有网络部署布局的进步和优化，要在5G单站能耗提升的同时实现5G网络能耗下降，就需要在网络整体架构上下功夫，包括5G和4G的协同，以及简化整体网络的架构。”魏进武认为，“电网和通信基站之间如果能够在部署上再优化，也就是说，将移动通信基站和能源提供之间，再能推进深度共建共享，这种模式上的创新，可能比技术上的进步，带来的效益和效果会更大。”

绿色5G的技术方向

8月31日，华为发布了《绿色5G白皮书》。华为无线网络SRAN产品线总裁马洪波表示，绿色5G网络，将具备设备高集成化、站点极简化、网络智能化和全生命周期环保化四个特征，由此产生出的绿色5G网络技术，将在减碳“红线”压力下获得更好的发展机会。

这些绿色技术可以分为单基站的降耗、网络结构性降耗以及配套设备的降耗。在单基站中，射频中将含有更多天线、一台设备要支持从2G到5G的超宽频，业内称之为“高密度”设备，其中的主要技术是5G Massive MIMO。实验已经表明，射频单元（RRU）从单频向三频演进可获得30%以上的节能收益。

“ITU定义5G网络到2030年需要把整个能耗再下降45%，这是很有追求的一个目标。”华为无线网络产品线首席营销官甘斌告诉《中国电子报》记者，“移动通信每一代际协议有突破、产业有突破的时候，其实设备也会有非常大的突破。”5G有两个关键创新，一个是Massive MIMO，一个是大带宽，这两个技术也是绿色5G最关键的两个创新。

“现在所有讲到的业界指标都是PA（功率放大器）效率如何提升，现在5G基站32通道、64通道，以后还会有128通道和更高的通道，射频通道要提升，你会发现其中的重点是集成度在提升，芯片的集成度功耗要提升，所以我们在讲Massive MIMO时，所有关键技术提升全部在有源部分，更多的创新焦点集中在提升转化效率。”

基站的工作模式也会发生变化。未来的硬件休眠机制会更精细化。“在网络中低负载下，影响设备能耗主要因素为硬件关断深度和响应时间。这可以通过硬件模块化设计、精细休眠机制实现关断深度和响应时间的大幅优化。”马洪波说，“要支持这种颗粒度更小的休眠，需要对设备做智能化改进，但这对设备本身、对用户，都会显得更友好一些。设备下电再重启，对设备是有损伤的。”

在这些绿色技术中，目前挑战最大的是实现站点去机房、去空调化。无线站点的能耗主要来源于空调等外设设备。“我进一些机房，温度都定得很低，低到十几度，无线设备可以承受更高的环境温度。”马洪波表示，“要实现去机房化，一是实现机房集中化，这几年一直在讨论C-RAN（集中化无线接入网），通过前一段时间的部署已经看到了成效，国内的运营商也想继续扩大机房集中化的范围；二是实现站点室外化部署，减少空调使用并补充以液冷等高效散热技术提升站点效率，实现站点能耗降低30%。”马洪波提到一个更超前的想法，如果站点能够上抱杆，站网的部署会更简单，综合降耗会更多。

引入太阳能等清洁能源，使用可循环利用的设备配件等，也是运营商和设备商在推动的减碳技术。例如将太阳能引入无线站点，并与业务联动最大化利用太阳能板发电效率，在高日照地区可以减少50%的市电消耗。在保障用户体验的基础上，借助智能网络，根据业务的变化实时调整频谱、载波等网络资源分配已成为业界的共识。

多地5G网络部署经验表明，5G新技术的持续引入正推动网络能效持续增长。引领业务向高制式承载，有助于充分利用5G高能效优势，降低网络能源消耗。

延伸阅读：

这场新掀起的“云减碳” 浪潮，有点意思

占据公共建筑物能耗60%，这个领域中国企业如何“碳中和”

“碳中和”，第三代半导体未来可期

全国第一！最先实现5G独立组网全覆盖的城市竟然是……

5G应用集结了一批“灯塔榜样”

作者丨刘晶

编辑丨连晓东

美编丨马利亚