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5G建网减碳进行时

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。
发布时间:2021-09-03 10:56        来源:电子信息产业网        作者:刘晶

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。

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。

“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。

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