5G-A/6G綠色低碳技術現狀及發展趨勢

李福昌 呂 婷 曹 亙 張 濤 王 偉 賀 琳

中國聯通研究院 北京 100048

引言

綠色低碳發展不僅是國際減緩氣候變化的客觀需要，更是著力解決資源環境約束突出問題、實現經濟發展方式轉變的必然選擇。全球主要國家都承諾最晚于本世紀中葉完成國家層面碳中和計劃。

隨著通信技術的不斷創新與發展，移動網絡已經成為人們生活中不可或缺的一部分。尤其是5G，作為新型信息基礎設施，正在融入千行百業，提高傳統行業的能源使用效率，支撐整個社會的低碳化。與此同時，面對業務數量和流量的數倍甚至幾十倍增長，5G網絡自身面臨著隨之而來的絕對能耗與碳排放的增加。

在移動通信網絡中，基站是最大的能源消耗者，根據GSMA在2021年對31個網絡的研究，如圖1所示，基站能耗占典型運營商總能耗的73%[1]。目前，5G單站耗電量是4G的2~3倍，隨著5G的快速發展，預計到2025年我國每萬人將擁有26座5G基站，5G基站總數將不少于360萬座，這將導致5G網絡能耗持續增加，給移動通信行業“雙碳”戰略目標的實現帶來巨大的挑戰。

圖1 移動通信運營商能耗分布

為了促進網絡綠色低碳化發展，助力“雙碳”戰略實施，有必要全面分析移動通信網絡綠色低碳技術的發展現狀與面臨的挑戰，前瞻性探討未來的發展趨勢。

1 移動通信網絡綠色低碳技術現狀

從3G/4G時代起，節能技術一直是業界研究熱點。到5G時代，隨著技術演進與設備能力提升，5G基站設備能耗相較4G大幅增加。為了滿足移動網絡節能減碳需求，應對5G高能耗的挑戰，業界先后提出了多種節能技術方案，總體上可以分為：硬件節能、軟件節能、智能化節能、網絡共建共享節能幾個方面。

1.1 硬件節能技術

硬件節能主要通過優化基站設備硬件設計、改進生成工藝以及設備集成度等手段達到降低設備基礎能耗、提高硬件能效水平的目的[2]。主要包括：提高硬件平臺集成度，采用ASIC等高集成度器件替代FPGA等高功耗器件，引入新一代半導體工藝、新材料、新技術，優化功放架構，增強數字預失真算法，提高散熱能力等。比如，工藝方面，由7nm制程演進至5nm或3nm；技術方面，推動功放模塊、數字基帶、收發機等對功耗影響較大的關鍵器件的技術升級；算法方面，通過DPD算法及架構優化，提升功放效率；此外，還可利用高性能導熱材料，提高模塊的自然散熱能力，以節省散熱模塊帶來的功耗開銷。

硬件節能技術可以從本質上提高基站設備的能效水平。但是，硬件節能增益依賴于主設備廠商硬件平臺的迭代更新。隨著5G商用發展，設備軟硬件平臺將趨于成熟，硬件節能的收益空間將逐步縮小。此外，硬件節能主要應用于新增設備，難以在存量網絡中發揮作用。

1.2 軟件節能技術

軟件節能技術主要利用通信網絡業務的潮汐效應，在網絡閑時關斷基站設備的部分硬件資源，通過對硬件資源進行合理調配，降低設備運行時的動態能耗[2]。5G基站軟件節能技術主要包括符號關斷、通道關斷、載波關斷、深度休眠等。此外，還包括5G多頻層協同節能、AAU自動啟停、AAU動態調壓、BBU休眠等增強型節能方案，可更大程度地降低基站動態功耗。

目前，5G基站軟件節能技術已經成熟，具備規?；瘧脳l件，且在現網中發揮出一定的節能效果，綜合節能比例達到10%~20%。但是，軟件節能的增益與低負荷持續時長相關，在負荷較高的場景節能效果有限。

1.3 智能化節能技術

為了進一步提升基站的資源使用效率，兼顧能效與業務性能的需求，將AI技術引入基站的能耗管理中。通過采集基站運行指標、能耗等數據，利用機器學習對歷史業務數據進行建模與預測，根據預測結果自動生成節能策略，并通過發送指令的方式控制基站、電源等設備進入節能狀態，實現智能化、精細化的能耗管理，提升網絡節能效果[3]。

此外，智能化節能技術還被應用到站點配套設施的能耗管理中。通過自動感知基站的負載情況、供電質量、電池備電時長、溫度等運行數據，實現對電源、空調等配套設施的遠程智能控制，降低站點能耗。

智能化節能技術目前主要用于業務潮汐效應比較明顯的特定場景，基于業務預測分時段關斷基站硬件，不能在多樣化、復雜化的業務場景下兼顧業務性能與能效的要求，智能化算法與節能調度策略還需要持續優化。

1.4 共建共享節能技術

為了促進5G高效、綠色發展，國內從2019年起開始5G網絡共建共享[4]。截至2022年底，共享5G基站約100萬個，建成了全球首張、規模最大的5G SA共享網絡，每年節省OPEX超300億元，每年減少碳排放超1000萬噸。共建共享技術作為一種建網模式的創新舉措，不僅可以降低網絡部署成本，節約基站資源，還可避免傳統的運營商自建網絡模式帶來的能耗與碳排放翻倍問題，因此而成為運營商節能降碳的有效方式。

2 5G-A/6G網絡綠色低碳化發展的目標與挑戰

2.1 從5G到5G-A/6G的技術演進

隨著移動通信的快速發展，“4G改變生活，5G改變社會”，未來6G網絡將實現全域融合和極致連接，為用戶提供隨愿按需定制的彈性開放服務，同時向智能原生、數字孿生、綠色共享、算網一體、安全可信等方向演進。為了實現極致的網絡性能，5G-A/6G將引入新的關鍵技術。

網絡架構方面，IT與CT技術不斷融合，促使服務化、云原生、AI等創新技術應用于移動網絡。同時，采用超蜂窩、無蜂窩等新型組網方式，依據用戶需求靈活配置網絡資源，結合分布式MIMO、智能超表面等技術實現網絡智能精準覆蓋。無線接入技術方面，將在5G的基礎上，通過多天線、調制編碼、雙工等物理層增強技術進一步提高空口能力，同時積極探索新的物理維度和傳輸載體，以實現信息傳輸方式的革命性突破。目前，高頻通信、空天地一體化融合網絡通信、智能超表面、軌道角動量等技術已成為下一代空口的使能技術，可以大幅提升通信系統傳輸容量和頻譜效率。

相比5G網絡，5G-A/6G網絡將具備更大容量、更高傳輸速率、更低傳輸時延、更大設備連接數、更高頻譜效率，支持全新的應用場景，實現由萬物互聯到萬物智聯的躍遷。網絡能力與業務場景的演變將對5G-A/6G網絡綠色低碳化發展提出新的需求與挑戰。

2.2 5G-A/6G網絡節能降碳目標

為了緩解氣候變化，促進經濟社會綠色轉型發展，國內外紛紛提出了移動通信網絡節能降碳愿景與目標。

根據ITU發布的1470號建議書《ICT行業根據聯合國氣候變化框架公約<巴黎協定>采用的溫室氣體排放軌跡》，提議移動運營商在2020年至2030年間降低45%的碳排放。根據GSMA研究報告，全球近50%的移動運營商希望在未來兩年，網絡降耗比例可達10%~25%。

2020年9月，習近平主席提出，我國的二氧化碳排放量將在2030年前實現碳達峰，在2060年前實現碳中和。工信部等七部門印發《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃(2022-2025年)》明確提出，到2025年，單位信息流量綜合能耗比“十三五”期末下降20%，單位電信業務總量綜合能耗比“十三五”期末下降15%。

推動通信行業綠色低碳高質量發展、賦能全社會節能減排，已經成為業界共識，也為5G-A/6G網絡的綠色低碳化發展指明了方向與目標。

2.3 5G-A/6G網絡節能面臨的挑戰

隨著移動通信網絡向5G-A/6G演進，網絡覆蓋更加廣泛、流量與連接密度大幅提升、業務應用更加復雜多樣，這將進一步促使網絡能耗呈現持續增長趨勢，網絡面臨嚴重的能耗挑戰。

2.3.1 業務場景多樣化

隨著標準化工作推進，5G系統也在不斷更新迭代。2019年，第一個5G NR標準版本(Release-15)發布，5G基站開始商用部署，5G終端也開始全面普及。2021年4月，3GPP正式確定了5G演進版本的名稱為5G-A，在5G支持的增強型移動帶寬(eMBB)、大規模機器類通信(mMTC)與超高可靠低時延通信(uRLLC)的基礎上，新增了上行超帶寬(UCBC)、寬帶實時交互(RTBC)與通信感知融合(HCS)等業務場景?？梢灶A見的是，未來的6G網絡將在5G-A的基礎上進一步演進，擴展潛在的業務場景，實現業務的沉浸化、智慧化、全域化演變。多樣化、差異化的業務場景，對網絡綠色低碳化技術提出了新的要求。

現有的關斷或休眠等節能技術在降低網絡能耗的同時，也會對時延、覆蓋等網絡性能造成一定損失。比如，節能增益較大的深度休眠技術可以將基站閑時功耗大幅降低80%以上，但相應地，處于休眠狀態的基站的喚醒時延可達到分鐘級，這對于時延敏感型業務是不可容忍的。因此，現有的軟件關斷類節能技術難以保障uRLLC等對網絡性能要求較高的業務的性能需求，面向未來更加多樣化、差異化的業務場景，需要進一步研究更加智能化、精細化的資源調度與節能技術。

2.3.2 建網模式集約化

為了降低網絡部署成本、促進通信行業節能減排，共建共享技術已經在5G網絡中得以規?；瘧?。隨著ICDT融合技術的發展，未來5G-A/6G網絡架構將逐步向算網一體化方向轉變[5]。網絡共建共享將不再局限于站址、設備和頻率資源的共享，還會涉及算力等更多資源維度，以最大化的資源共享換取最小化的能耗與碳排放。如何構建更多維度、更深層次的資源共享架構，將成為未來網絡節能面臨的挑戰。

2.3.3 網絡架構復雜化

為了實現從城市到鄉村的全面覆蓋，滿足不同場景差異化的覆蓋需求，5G網絡采用多頻層、多制式、宏微協同的組網模式，呈現多網并存、頻譜碎片化、設備多樣化的格局，導致網絡架構復雜化、能耗大。此外，移動通信網絡還存在2G/3G/4G/5G多系統并存的情況，高耗能的老舊設備仍然在網工作，嚴重影響了網絡的能效水平，增加了碳排放。如何優化調整網絡架構，使全網的能耗與網絡性能達到最優，是移動通信網絡綠色低碳化發展面臨的另一項重要挑戰。

3 5G-A/6G網絡綠色低碳技術發展趨勢

為了應對網絡架構演進及業務發展帶來的新挑戰，推進移動通信網絡綠色低碳化進程，從智能節能調度、高效共建共享、極簡網絡架構、綠色器件幾個方面，構建了5G-A/6G網絡綠色低碳技術體系，如圖2所示。

圖2 5G-A/6G網絡綠色低碳技術體系

3.1 智能節能調度

下一代無線網絡需要賦能千行百業，支持多樣化終端接入，滿足差異化的業務要求，對數據傳輸速率、連接密度、時延等網絡性能指標提出了更高的要求。如何在滿足業務性能要求的前提下通過智能節能調度提高網絡資源與能源利用率，是提升網絡能效的重要途徑。

現有的智能化節能技術主要基于負荷預測，識別節能時段，控制基站進入關斷狀態以達到節能的目的[6]。面向未來更加多樣化、復雜化的業務場景，基于負荷單一維度的節能策略或無法滿足差異化的業務需求，或無法達到預期的節能效果，難以兼顧業務與能效雙重需求。為了應對業務場景復雜化的挑戰，智能節能技術將向著更加精細化、協同化的方向發展。

通過構建全網綜合感知能力，實現對全部網元的業務、資源、能耗等多維指標精準化感知。在此基礎上，基于內生智能，通過分布式學習、群智式協同，實現端到端智能編排調度、跨域智能管控以及“端、網、業”協同的網絡資源調度。此為，基于AI及大數據技術，還可實現業務智能識別以及以用戶為中心的資源分配，對網絡的時間、頻率、空間、算力、存儲等核心資源進行協同調度，保障用戶為中心的業務感知和最優的網絡能效。

3.2 高效共建共享

隨著ICDT融合技術發展，5G-A/6G網絡將逐步形成以數據中心為核心的扁平化、云網融合、云邊端協同的網絡架構和算力設施體系。為了促進信息基礎設施集約部署、提高資源利用效率，有必要引入更加高效的共建共享技術，促進算網一體化綠色發展。

如圖3所示，在算網協同共享架構下，網絡共建共享將不再局限于共享站址、接入設備和頻率資源，還會涉及算力等更多資源的共享。同時，基于網絡功能虛擬化、人工智能等新技術，可提高網絡和算力資源協同調度能力，實現異構云集中管理和協同共享[7]。通過面向服務的意圖感知、算力資源感知、網絡資源感知及跨域智能調度技術，可實現算力和網絡資源的高效協同共享。

圖3 算網協同共享架構

3.3 極簡網絡架構

隨著移動通信網絡的發展，現網呈現3G/4G/5G等多制式網絡并存的格局，同一覆蓋區域一般存在多套系統設備，導致功耗大、運維復雜。未來，6G網絡將進一步實現萬物智聯，網絡覆蓋范圍將由地面覆蓋擴展到太空、空中、陸地、海洋等更多自然空間，實現全球全域的“泛在連接”。隨著網絡規模擴大，綠色節能將成為下一代網絡架構的內生需求。

極簡網絡架構是解決這一難題的有效手段[8]，主要通過構建泛在、彈性、綠色的網絡架構，在網絡層面避免多系統重復建設導致的能耗和規模冗余，節省成本、降低網絡總能耗。

構建泛在的網絡架構，支持統一的無線資源管理與頻譜共享、業務策略控制和QoS保障體系，支持在統一架構下的多種空口技術融合，實現終端無感知、極簡的泛在接入，滿足差異化的業務性能要求。通過簡化接口、控制流程和數據交互流程，實現高效的數據傳輸與可靠的信令控制。采用面向服務化的極簡彈性組網模式，將網元、網絡功能、資源進行深度解耦，通過分布式、去中心化、自治化的網絡機制，實現彈性、通用化、定制化的組網能力，實現按照業務需求部署網絡功能，有效降低網絡能耗和規模冗余，同時減少信息傳遞路徑，讓服務直達用戶，提升用戶服務體驗。

在此基礎上，還可融合超蜂窩理念進一步構建綠色網絡架構[9]，如圖4所示。通過控制面與用戶面解耦，控制基站用于提供用戶接入以及控制信號的傳遞，可采用大區覆蓋模式；業務基站用于為用戶提供高速數據傳輸，可按需靈活部署，支持適時進入節能狀態?；诳刂苹九c業務基站協同的分層融合組網，可降低能耗，同時保障網絡性能。

圖4 綠色組網架構

此外，除了網絡架構的極簡化，還可通過設備的極簡化，精簡設備數量，減少對機房、電源、空調等配套設施的需求，從而降低站點總能耗。一方面，推動網絡設備代際更替，淘汰高能耗的老舊設備，重耕頻譜資源，優化網絡結構，將業務遷移至更高能效的5G設備，構建簡潔、高效、綠色的站點基礎設施。另一方面，提高設備集成度，引入多模多頻、大帶寬高功率網絡設備，收編多套單頻單制式設備，減少在網設備數量，提高設備運維效率。

3.4 綠色器件

器件性能是決定基站設備基礎能耗水平的內在要素，為了從根本上降低基站能耗，需要持續開展高能效綠色器件研發。

5G基站設備由基帶單元(BBU)與射頻單元(AAU/RRU)構成，二者的能耗占比分別為10%、90%。其中，射頻單元的能耗主要來自功率放大器、小信號、數字中頻以及電源等模塊[10]。射頻單元各模塊的功耗與負荷相關，滿載條件下，功率放大器的功耗占比最高，達到60%；空載條件下，功率放大器的功耗占比下降至30%，與數字中頻共同構成射頻單元功耗的主要來源。功率放大器、數字中頻、數字基帶芯片是影響基站能耗的核心器件，未來可通過采用新技術、新材料、新工藝，不斷提升核心器件的能效，打造新一代綠色器件。

在功率放大器方面，功放效率是衡量其能效水平的重要指標。2G時代，功放效率一般在20%以下。隨著器件結構設計的改進和氮化鎵材料的引入，5G基站的功放效率最高達到50%以上。未來，可通過智能化DPD算法、包絡跟蹤技術、Doherty功放與異相發射機技術進一步提升功放效率。

在數字基帶方面，隨著5G射頻收發通道數增加至64T64R，對基帶處理、峰值因子消減(CFR)等算法處理的要求提高，數字基帶芯片的功耗隨之增加。后續可基于專用標準產品(ASSPs)或基于精簡指令集的開源指令集架構(RISC-V)等更加高效的芯片設計，降低設備基礎功耗。同時，引入更加實時的動態關斷技術，通過毫秒甚至微秒級的狀態轉換，最大化節能效果。

此外，在新材料方面，除了采用氮化鎵，還將考慮碳化硅、氧化鎵等第四代半導體材料，利用超寬禁帶、高導通等特性制造更小尺寸、更高功率密度、更小功耗的器件。

4 結束語

5G作為重要的數字基礎設施，在未來十年仍將處于規模建設及高速發展期，能耗與碳排放將持續快速增長。2021年，5G網絡整體能耗約250億度，碳排放超過1500萬噸，占全社會電力相關間接排放的0.3%。預計2020~2030年，5G基站數量將增長9倍，能耗與碳排放增長4倍左右。移動通信行業的綠色低碳化進程將成為影響國家實現“雙碳”戰略落實的關鍵變量之一。

現有的綠色低碳技術主要面向5G發展初期階段，還不足以應對5G-A甚至6G時代復雜多樣的業務場景以及網絡架構演變所帶來的新挑戰。未來，還需要在智能節能調度、高效共建共享、極簡網絡架構、綠色器件等方面深入研究，促進移動通信網絡綠色低碳化發展。