為了省電，通信網(wǎng)絡(luò)到底有多拼？

通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

根據(jù)運(yùn)營商財報數(shù)據(jù)，2020年，中國移動的能耗費(fèi)用是376.6億元，中國電信146.4億元，中國聯(lián)通129億元。三大電信運(yùn)營商加在一起，是652億元。要知道，2020年三大運(yùn)營商的利潤，一共也就1411.48億元。

三大電信運(yùn)營商的能耗費(fèi)用（單位：億元）

近年來，隨著5G和數(shù)據(jù)中心的規(guī)模建設(shè)，運(yùn)營商不僅投入了大量的建設(shè)資金，在能耗費(fèi)用方面也是開支甚巨，形成了沉重的成本負(fù)擔(dān)。

從下圖我們也可以看出，運(yùn)營商在2020年的能耗支出，相比前一年直接飆漲了60多億元，增速驚人。

不斷增加的通信網(wǎng)絡(luò)能耗，不僅意味著巨額的電費(fèi)，也意味著海量的碳排放量。

根據(jù)工信部估計，按目前的發(fā)展趨勢，2035年中國5G和數(shù)據(jù)中心的碳排放總量將達(dá)2.3~3.1億噸，約占中國碳排放總量的2~4%，相當(dāng)于北京目前全市二氧化碳排放量的兩倍。

眾所周知，我們國家在2020年明確提出了“雙碳”戰(zhàn)略，即2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，嚴(yán)重阻礙了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。它不僅僅關(guān)系到運(yùn)營商的經(jīng)營業(yè)績，更影響了我們的生態(tài)環(huán)境，以及國家社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

那么，通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，到底該如何解決呢？我們該如何進(jìn)行節(jié)能減排？5G、數(shù)據(jù)中心這些“電老虎”，真的有辦法馴服嗎？

█ 節(jié)能減排的思路演變

辦法當(dāng)然是有的。

事實(shí)上，通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排，業(yè)界已經(jīng)研究了很多年，并且也積累和沉淀了一些經(jīng)驗(yàn)和方法。

隨著時代的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模變得越來越大，能耗也越來越大。

于是，通信行業(yè)在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出了更宏觀、更科學(xué)的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排思路，歸納為兩個詞，分別是：網(wǎng)絡(luò)全生命周期、端到端。

所謂網(wǎng)絡(luò)全生命周期節(jié)能減排，是指在設(shè)計和規(guī)劃節(jié)能減排方案時，從宏觀上進(jìn)行整體規(guī)劃，覆蓋通信設(shè)備從研發(fā)、生產(chǎn)、建設(shè)到維護(hù)的各個環(huán)節(jié)，進(jìn)行全面提效降能。

而端到端，則是站在產(chǎn)品和設(shè)備類型的角度，將節(jié)能減排落實(shí)到終端、接入網(wǎng)（基站）、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等通信網(wǎng)絡(luò)的各個領(lǐng)域。

新的節(jié)能減排思路強(qiáng)調(diào)整體思維，以及多維度的協(xié)同合作，帶來了節(jié)能效率的大幅提升，逐漸被越來越多的運(yùn)營商和設(shè)備商接受，成為行業(yè)趨勢。

█ 節(jié)能減排的具體舉措

接下來，我們就按照網(wǎng)絡(luò)全生命周期的角度，逐一介紹通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能舉措。

先看看產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)。

在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段進(jìn)行設(shè)備功耗控制和改良，相當(dāng)于從源頭上進(jìn)行了節(jié)能減排。

這是效果最直接的方式，也是難度最大的方式，對企業(yè)的研發(fā)能力要求很高。企業(yè)需要需要投入大量的資源進(jìn)行創(chuàng)新和試錯，這里面可以提升的空間也越來越小。

以5G基站為例。5G基站的能耗問題，一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)橐肓薃AU有源天線以及Massive MIMO技術(shù)，5G基站的能耗相比4G有明顯的增加。5G單站的功耗，大約是4G的2.5~3.5倍。（當(dāng)然了，我們也需要注意到，5G的單位比特能耗是明顯下降的。也就是說，5G的能效明顯高于4G。）

2019年4G/5G基站功耗對比

數(shù)據(jù)來源：《新基建的新變量，“雙碳”之下的綠色通信》

為了壓低5G基站的工作功耗，設(shè)備商可以說是絞盡腦汁。

在產(chǎn)品設(shè)計階段，廠商們就需要將能耗指標(biāo)擺在和性能指標(biāo)同等重要的位置。

為了滿足能耗要求，他們會通過采用自研高性能芯片、更合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、更先進(jìn)的材料和工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的極致能效。

舉個中興通訊的例子。中興通訊是全球無線系統(tǒng)設(shè)備的核心供貨商，每年要向客戶交付數(shù)十萬個5G基站。所以，他們對5G基站的能耗指標(biāo)非常重視。

他們通過自研高集成度、高性能基帶處理、數(shù)字中頻處理芯片，配合使用高集成度收發(fā)信機(jī)，不斷優(yōu)化電路設(shè)計和DPD處理，有效提升功放效率，全面降低5G AAU設(shè)備的整機(jī)能耗。

中興通訊的基站產(chǎn)品

5G功放是基站核心器件，中興通訊采用GaN+技術(shù)配合硬件算法改進(jìn)，使功放效率達(dá)到55%以上。

在新工藝和新材料上，中興通訊通過優(yōu)化AAU導(dǎo)熱散熱性能，減低重量，采用創(chuàng)新的V型仿生散熱齒結(jié)合新材料及超輕架構(gòu)，提升了20%的散熱效率。

華為去年發(fā)布了綠色5G網(wǎng)絡(luò)的能效評估體系——E2（Energy Efficiency）。在接入網(wǎng)方面，華為認(rèn)為，5G射頻向超大規(guī)模天線陣列演進(jìn)，使能空間波束集中，提升了能量傳輸效率。

此外，華為還提出，射頻有源部分采用多通道技術(shù)提升設(shè)備容量，也可以大幅提升設(shè)備的比特能效。此外，通過高效超寬帶功放及通道技術(shù)的使用，將多個單頻設(shè)備融合成一個超寬頻設(shè)備，也能夠大幅減少設(shè)備部署數(shù)量和成本，降低設(shè)備能耗。

接下來，是產(chǎn)品生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。

如何降低工業(yè)制造過程中的能耗，不僅是通信行業(yè)的問題，更是整個工業(yè)界的共性問題。

以往的節(jié)能方式，主要集中在設(shè)備的工藝升級和能源的改造替換上。

現(xiàn)在，這種方式的節(jié)能空間越來越小。于是，引入5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、MEC、AI等多種數(shù)字智能技術(shù)，進(jìn)行智能制造，成為工業(yè)界的新選擇。

智能制造實(shí)現(xiàn)了高度數(shù)字化、智能化、無人化，大幅提升了生產(chǎn)效率，減少了生產(chǎn)過程中的碳排放。

再接下來，我們重點(diǎn)說說通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維環(huán)節(jié)。這兩個環(huán)節(jié)現(xiàn)在是整個行業(yè)關(guān)注的節(jié)能減排重點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

我們還是先看看基站側(cè)。

對于運(yùn)營商來說，5G能耗的70%，來自于RAN（接入網(wǎng)）。因此，站點(diǎn)側(cè)的節(jié)能降耗，是他們的首要任務(wù)。

基站站點(diǎn)的能源模型（來自：GSMA，翻譯：鮮棗課堂）

基站的節(jié)能，通常包括以下幾種方式：站點(diǎn)組網(wǎng)方案的改進(jìn)，清潔能源的使用，AI技術(shù)的引入，等等。

站點(diǎn)的集中化、綠色化、小型化，是這些年的主流趨勢。尤其是C-RAN被提出之后，隨著技術(shù)的升級，基站的組網(wǎng)部署方式開始發(fā)生明顯變化。

包括中興、華為在內(nèi)的主流設(shè)備商，都提出了極簡站點(diǎn)的方案。

方案中，基站的建設(shè)模式從分布式向集中式轉(zhuǎn)變，從幾何疊加向邏輯集成轉(zhuǎn)變。例如，設(shè)備小型化、集成化，將機(jī)房變機(jī)柜、機(jī)柜變桿站，盡量減少設(shè)備空間占用，減少機(jī)房數(shù)量，從而減少機(jī)房租賃成本以及空調(diào)費(fèi)用。

在能源方面，基站主要的節(jié)能舉措就是：采用大量的清潔能源，市電變綠電，降低電費(fèi)支出，減少碳排放。

具體的做法包括：

一、盡量采用太陽能光伏電源，實(shí)現(xiàn)太陽能、交流電源、蓄電池等多路供電保障。

白天高峰用電時段，由光伏與儲能電池設(shè)備供電，儲能電池利用夜間的低谷用電時段進(jìn)行儲能，達(dá)到“削峰填谷”的目的。

安徽六安移動的5G綠色基站

二、采用鋰電池代替鉛酸電池。

傳統(tǒng)的鉛酸電池面臨很多問題，如體積大、重量重、 循環(huán)壽命短，且對環(huán)境要求嚴(yán)苛，溫度太高會縮減壽命、 太低則影響使用性能。

相比之下，鋰電不僅體積小、重量輕，而且更環(huán)保。鋰電的能量體積密度和能量重量密度是鉛酸電池的4-5倍，循環(huán)壽命更是有10-20倍的提升。

圖片來源：面向5G的邊緣數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施白皮書

以往鋰電主要用于備電?，F(xiàn)在，圍繞鋰電有了很多智能儲能系統(tǒng)方案。

智能儲能系統(tǒng)（圖片來源：數(shù)字能源十大趨勢白皮書）

這類系統(tǒng)采用更精準(zhǔn)的電化學(xué)模型，引入數(shù)字化智能化技術(shù)，提升儲能管理精度，可以實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)更好的協(xié)同。它還可以針對階梯電價，進(jìn)行錯峰用電管理，實(shí)現(xiàn)錯峰運(yùn)營效率最大化。

除了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和能源改造之外，對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能減排的最有效手段，就是“智能化運(yùn)維”。

也就是說，部署智能化的能源管理工具，通過多層級能效提升、預(yù)防性維護(hù)、多維度運(yùn)營管理等功能，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率，降低無效上站成本和站點(diǎn)宕站風(fēng)險，減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。

說到智能化，當(dāng)然離不開AI。AI技術(shù)這幾年發(fā)展非常迅速，而通信技術(shù)對AI的引入，重點(diǎn)就在于運(yùn)維階段。

基于AI和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過智能算法對通信業(yè)務(wù)進(jìn)行預(yù)測、調(diào)度與分配，可以在保障用戶體驗(yàn)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)每比特的能耗最優(yōu)。

基站節(jié)能最有效的手段就是關(guān)斷。

前幾年，流行過這么一個說法，說運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)低峰期，會關(guān)閉5G基站，節(jié)約電費(fèi)。這個說法當(dāng)時引起了社會的一片嘩然。

其實(shí)，頻繁開關(guān)基站電源，對設(shè)備壽命的影響很大?，F(xiàn)在運(yùn)營商進(jìn)行設(shè)備關(guān)斷，并不是簡單地關(guān)掉整個設(shè)備的電源，而是基于對業(yè)務(wù)負(fù)荷的精準(zhǔn)分析和預(yù)測，進(jìn)行多維度多粒度的節(jié)能關(guān)斷。

換句話說，就是更聰明地關(guān)斷——不關(guān)基站，可以關(guān)載波、關(guān)天線通道，甚至關(guān)子幀、關(guān)符號。

亞幀關(guān)斷

通道關(guān)斷

載波關(guān)斷

4G/5G共?；緟f(xié)作關(guān)斷

以中興的PowerPilot智能節(jié)電方案為例。它可以實(shí)現(xiàn)符號級、通道級和載波級關(guān)斷，針對差異化覆蓋場景、時段和基站負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)級多層次的節(jié)電。

它還能夠通過網(wǎng)絡(luò)話務(wù)、配置信息分析，主動識別節(jié)能場景，匹配不同維度的節(jié)能功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能“一站一策”，準(zhǔn)確預(yù)測網(wǎng)絡(luò)話務(wù)負(fù)荷趨勢，進(jìn)一步挖掘網(wǎng)絡(luò)級的節(jié)能效率。

華為的PowerStar2.0解決方案，也是一種基于業(yè)務(wù)變化，實(shí)時調(diào)整頻譜、載波等網(wǎng)絡(luò)資源分配的智能節(jié)電方案。

它在關(guān)斷資源類型、關(guān)斷時長和運(yùn)維效率上，對節(jié)能手段進(jìn)行全方位提升，多維協(xié)同實(shí)現(xiàn)節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)性能雙優(yōu)。

█ 數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排

除了基站之外，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，我也簡單和大家聊一聊。

隨著國家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的推出，數(shù)據(jù)中心成為了整個社會的關(guān)注重點(diǎn)。作為算力的主要載體，它同樣面對嚴(yán)峻的能耗問題。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年，全國數(shù)據(jù)中心共耗電2045億千瓦時，占全社會用電量的2.7%，非常驚人。

圖片來源：《中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排方案，和基站有很多共通之處，例如新能源的引入，AI運(yùn)維的采用。但是，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心本身的大體量、大規(guī)模特點(diǎn)，它的節(jié)能方案又有很多特殊的地方。

之前我介紹“東數(shù)西算”的時候說過，數(shù)據(jù)中心專門有一個指標(biāo)叫做PUE（Power Usage Effectiveness，電能使用效率）。PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，這個值越接近1，則表明該數(shù)據(jù)中心的非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越高。

除了IT業(yè)務(wù)設(shè)備之外，數(shù)據(jù)中心最大的能耗開銷，集中在散熱制冷上。

所以，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能思路集中在兩個方面：一、使用更清潔的電能，提高可再生能源比例；二、采用新的制冷技術(shù)和方法，提高制冷效率。
 

可再生能源比例，這個就不用多說了。國家政策正在引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心建設(shè)往風(fēng)電、水電、太陽能更充沛的地區(qū)發(fā)展，就是為了更好地利用新能源，降低對化石能源的依賴。

除了外部能源之外，數(shù)據(jù)中心也努力進(jìn)行內(nèi)部儲能系統(tǒng)的改造，采用“HVDC+市電”的方案，替代傳統(tǒng)的“UPS+市電”方案。

HVDC是High Voltage Direct Current，高壓直流輸電。“HVDC+市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強(qiáng)于“UPS+市電”，是不間斷電源的主流發(fā)展趨勢。

現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)中心服務(wù)商，重點(diǎn)打造柔性用能電力模塊，把用電、備電、儲能進(jìn)行場景的設(shè)備整合和智能調(diào)動，形成數(shù)據(jù)中心能源網(wǎng)的本地路由器。說白了，就是從單一市電變?yōu)槎嗄芑パa(bǔ)，什么電都能用，靈活適配。

值得一提的是，直流現(xiàn)在正成為更多數(shù)據(jù)中心的選擇。因?yàn)橹绷鞯膿p耗更小，對電能的利用率更高，符合現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心高算力下的高能耗需求。

我們重點(diǎn)看一下散熱制冷。

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的散熱方式是風(fēng)冷。由機(jī)房空調(diào)（CRAC）或機(jī)房空氣處理單元（CRAH）產(chǎn)生的冷空氣，通過送風(fēng)通道，輸送至設(shè)備所在位置，進(jìn)行冷卻。

以前的風(fēng)冷，都是房間級，也就是對整個機(jī)房進(jìn)行吹風(fēng)制冷。這種方式制冷路徑太長，效率太低。

現(xiàn)在流行的是池級、排級和機(jī)柜級風(fēng)冷，也就是說，以一個機(jī)柜池、一排機(jī)柜或者單個機(jī)柜為中心，進(jìn)行散熱設(shè)計。

機(jī)柜排級散熱，以一排機(jī)柜為對象，進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計。

很顯然，氣流路徑越短，散熱效率越高。

除了風(fēng)冷之外，現(xiàn)在逐漸開始流行水冷、液冷。

液體的導(dǎo)熱能力是空氣的25倍，相同體積下，液體帶走的熱量是空氣的近3000倍。從噪音角度來看，同等散熱水平下，液冷的噪音比風(fēng)冷降低20-35分貝。從能耗的角度來看，液冷比風(fēng)冷節(jié)約電量30%-50%。

液冷分為兩種。一種是液體沒有與散熱器件進(jìn)行直接接觸的（只是參與熱交換），還有一種是液體制冷劑直接與散熱器件進(jìn)行接觸的（甚至是浸泡在制冷液中）。后者的制冷效率最高，幾乎可以做到PUE為1.04（極限接近于1），但是成本和技術(shù)難度也最高。

數(shù)據(jù)中心還有幾種制冷技術(shù)越來越火，例如背板空調(diào)和間接蒸發(fā)冷卻等。

除了可再生能源和制冷技術(shù)創(chuàng)新之外，數(shù)據(jù)中心還采用了很多其它的節(jié)能減排手段。例如，大規(guī)模采用預(yù)制模塊化數(shù)據(jù)中心，縮短建設(shè)工期，簡化建設(shè)流程。

再例如，和基站一樣，引入AI技術(shù)，對數(shù)據(jù)中心的能源管理和運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級，進(jìn)行節(jié)能和健康度的建模，利用AI算法進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，最后形成最佳參數(shù)尋優(yōu)。

█ 結(jié)語

面向未來，我們國家正處于數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速啟動的關(guān)鍵階段。各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型逐漸鋪開，對ICT數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施有強(qiáng)烈的需求。

如何在確保“雙碳”目標(biāo)的前提下，完成對這些需求的支撐，是擺在整個行業(yè)面前的難題。

希望行業(yè)企業(yè)能夠繼續(xù)加大節(jié)能領(lǐng)域的研發(fā)投入，探索出更多的節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，走出一條獨(dú)具特色的“綠色通信”發(fā)展之路。

參考文獻(xiàn)：

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2、《新基建的新變量，“雙碳”之下的綠色通信》，國盛證券

3、《5G 基站節(jié)能技術(shù)白皮書》，中移研究院

4、《數(shù)字能源十大趨勢白皮書》，數(shù)字能源產(chǎn)業(yè)智庫

5、《綠色5G白皮書》，華為