5G-A/6G绿色低碳技术现状及发展趋势

李福昌 吕 婷 曹 亘 张 涛 王 伟 贺 琳

中国联通研究院 北京 100048

引言

绿色低碳发展不仅是国际减缓气候变化的客观需要，更是着力解决资源环境约束突出问题、实现经济发展方式转变的必然选择。全球主要国家都承诺最晚于本世纪中叶完成国家层面碳中和计划。

随着通信技术的不断创新与发展，移动网络已经成为人们生活中不可或缺的一部分。尤其是5G，作为新型信息基础设施，正在融入千行百业，提高传统行业的能源使用效率，支撑整个社会的低碳化。与此同时，面对业务数量和流量的数倍甚至几十倍增长，5G网络自身面临着随之而来的绝对能耗与碳排放的增加。

在移动通信网络中，基站是最大的能源消耗者，根据GSMA在2021年对31个网络的研究，如图1所示，基站能耗占典型运营商总能耗的73%[1]。目前，5G单站耗电量是4G的2~3倍，随着5G的快速发展，预计到2025年我国每万人将拥有26座5G基站，5G基站总数将不少于360万座，这将导致5G网络能耗持续增加，给移动通信行业“双碳”战略目标的实现带来巨大的挑战。

图1 移动通信运营商能耗分布

为了促进网络绿色低碳化发展，助力“双碳”战略实施，有必要全面分析移动通信网络绿色低碳技术的发展现状与面临的挑战，前瞻性探讨未来的发展趋势。

1 移动通信网络绿色低碳技术现状

从3G/4G时代起，节能技术一直是业界研究热点。到5G时代，随着技术演进与设备能力提升，5G基站设备能耗相较4G大幅增加。为了满足移动网络节能减碳需求，应对5G高能耗的挑战，业界先后提出了多种节能技术方案，总体上可以分为：硬件节能、软件节能、智能化节能、网络共建共享节能几个方面。

1.1 硬件节能技术

硬件节能主要通过优化基站设备硬件设计、改进生成工艺以及设备集成度等手段达到降低设备基础能耗、提高硬件能效水平的目的[2]。主要包括：提高硬件平台集成度，采用ASIC等高集成度器件替代FPGA等高功耗器件，引入新一代半导体工艺、新材料、新技术，优化功放架构，增强数字预失真算法，提高散热能力等。比如，工艺方面，由7nm制程演进至5nm或3nm；技术方面，推动功放模块、数字基带、收发机等对功耗影响较大的关键器件的技术升级；算法方面，通过DPD算法及架构优化，提升功放效率；此外，还可利用高性能导热材料，提高模块的自然散热能力，以节省散热模块带来的功耗开销。

硬件节能技术可以从本质上提高基站设备的能效水平。但是，硬件节能增益依赖于主设备厂商硬件平台的迭代更新。随着5G商用发展，设备软硬件平台将趋于成熟，硬件节能的收益空间将逐步缩小。此外，硬件节能主要应用于新增设备，难以在存量网络中发挥作用。

1.2 软件节能技术

软件节能技术主要利用通信网络业务的潮汐效应，在网络闲时关断基站设备的部分硬件资源，通过对硬件资源进行合理调配，降低设备运行时的动态能耗[2]。5G基站软件节能技术主要包括符号关断、通道关断、载波关断、深度休眠等。此外，还包括5G多频层协同节能、AAU自动启停、AAU动态调压、BBU休眠等增强型节能方案，可更大程度地降低基站动态功耗。

目前，5G基站软件节能技术已经成熟，具备规模化应用条件，且在现网中发挥出一定的节能效果，综合节能比例达到10%~20%。但是，软件节能的增益与低负荷持续时长相关，在负荷较高的场景节能效果有限。

1.3 智能化节能技术

为了进一步提升基站的资源使用效率，兼顾能效与业务性能的需求，将AI技术引入基站的能耗管理中。通过采集基站运行指标、能耗等数据，利用机器学习对历史业务数据进行建模与预测，根据预测结果自动生成节能策略，并通过发送指令的方式控制基站、电源等设备进入节能状态，实现智能化、精细化的能耗管理，提升网络节能效果[3]。

此外，智能化节能技术还被应用到站点配套设施的能耗管理中。通过自动感知基站的负载情况、供电质量、电池备电时长、温度等运行数据，实现对电源、空调等配套设施的远程智能控制，降低站点能耗。

智能化节能技术目前主要用于业务潮汐效应比较明显的特定场景，基于业务预测分时段关断基站硬件，不能在多样化、复杂化的业务场景下兼顾业务性能与能效的要求，智能化算法与节能调度策略还需要持续优化。

1.4 共建共享节能技术

为了促进5G高效、绿色发展，国内从2019年起开始5G网络共建共享[4]。截至2022年底，共享5G基站约100万个，建成了全球首张、规模最大的5G SA共享网络，每年节省OPEX超300亿元，每年减少碳排放超1000万吨。共建共享技术作为一种建网模式的创新举措，不仅可以降低网络部署成本，节约基站资源，还可避免传统的运营商自建网络模式带来的能耗与碳排放翻倍问题，因此而成为运营商节能降碳的有效方式。

2 5G-A/6G网络绿色低碳化发展的目标与挑战

2.1 从5G到5G-A/6G的技术演进

随着移动通信的快速发展，“4G改变生活，5G改变社会”，未来6G网络将实现全域融合和极致连接，为用户提供随愿按需定制的弹性开放服务，同时向智能原生、数字孪生、绿色共享、算网一体、安全可信等方向演进。为了实现极致的网络性能，5G-A/6G将引入新的关键技术。

网络架构方面，IT与CT技术不断融合，促使服务化、云原生、AI等创新技术应用于移动网络。同时，采用超蜂窝、无蜂窝等新型组网方式，依据用户需求灵活配置网络资源，结合分布式MIMO、智能超表面等技术实现网络智能精准覆盖。无线接入技术方面，将在5G的基础上，通过多天线、调制编码、双工等物理层增强技术进一步提高空口能力，同时积极探索新的物理维度和传输载体，以实现信息传输方式的革命性突破。目前，高频通信、空天地一体化融合网络通信、智能超表面、轨道角动量等技术已成为下一代空口的使能技术，可以大幅提升通信系统传输容量和频谱效率。

相比5G网络，5G-A/6G网络将具备更大容量、更高传输速率、更低传输时延、更大设备连接数、更高频谱效率，支持全新的应用场景，实现由万物互联到万物智联的跃迁。网络能力与业务场景的演变将对5G-A/6G网络绿色低碳化发展提出新的需求与挑战。

2.2 5G-A/6G网络节能降碳目标

为了缓解气候变化，促进经济社会绿色转型发展，国内外纷纷提出了移动通信网络节能降碳愿景与目标。

根据ITU发布的1470号建议书《ICT行业根据联合国气候变化框架公约<巴黎协定>采用的温室气体排放轨迹》，提议移动运营商在2020年至2030年间降低45%的碳排放。根据GSMA研究报告，全球近50%的移动运营商希望在未来两年，网络降耗比例可达10%~25%。

2020年9月，习近平主席提出，我国的二氧化碳排放量将在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和。工信部等七部门印发《信息通信行业绿色低碳发展行动计划(2022-2025年)》明确提出，到2025年，单位信息流量综合能耗比“十三五”期末下降20%，单位电信业务总量综合能耗比“十三五”期末下降15%。

推动通信行业绿色低碳高质量发展、赋能全社会节能减排，已经成为业界共识，也为5G-A/6G网络的绿色低碳化发展指明了方向与目标。

2.3 5G-A/6G网络节能面临的挑战

随着移动通信网络向5G-A/6G演进，网络覆盖更加广泛、流量与连接密度大幅提升、业务应用更加复杂多样，这将进一步促使网络能耗呈现持续增长趋势，网络面临严重的能耗挑战。

2.3.1 业务场景多样化

随着标准化工作推进，5G系统也在不断更新迭代。2019年，第一个5G NR标准版本(Release-15)发布，5G基站开始商用部署，5G终端也开始全面普及。2021年4月，3GPP正式确定了5G演进版本的名称为5G-A，在5G支持的增强型移动带宽(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)与超高可靠低时延通信(uRLLC)的基础上，新增了上行超带宽(UCBC)、宽带实时交互(RTBC)与通信感知融合(HCS)等业务场景。可以预见的是，未来的6G网络将在5G-A的基础上进一步演进，扩展潜在的业务场景，实现业务的沉浸化、智慧化、全域化演变。多样化、差异化的业务场景，对网络绿色低碳化技术提出了新的要求。

现有的关断或休眠等节能技术在降低网络能耗的同时，也会对时延、覆盖等网络性能造成一定损失。比如，节能增益较大的深度休眠技术可以将基站闲时功耗大幅降低80%以上，但相应地，处于休眠状态的基站的唤醒时延可达到分钟级，这对于时延敏感型业务是不可容忍的。因此，现有的软件关断类节能技术难以保障uRLLC等对网络性能要求较高的业务的性能需求，面向未来更加多样化、差异化的业务场景，需要进一步研究更加智能化、精细化的资源调度与节能技术。

2.3.2 建网模式集约化

为了降低网络部署成本、促进通信行业节能减排，共建共享技术已经在5G网络中得以规模化应用。随着ICDT融合技术的发展，未来5G-A/6G网络架构将逐步向算网一体化方向转变[5]。网络共建共享将不再局限于站址、设备和频率资源的共享，还会涉及算力等更多资源维度，以最大化的资源共享换取最小化的能耗与碳排放。如何构建更多维度、更深层次的资源共享架构，将成为未来网络节能面临的挑战。

2.3.3 网络架构复杂化

为了实现从城市到乡村的全面覆盖，满足不同场景差异化的覆盖需求，5G网络采用多频层、多制式、宏微协同的组网模式，呈现多网并存、频谱碎片化、设备多样化的格局，导致网络架构复杂化、能耗大。此外，移动通信网络还存在2G/3G/4G/5G多系统并存的情况，高耗能的老旧设备仍然在网工作，严重影响了网络的能效水平，增加了碳排放。如何优化调整网络架构，使全网的能耗与网络性能达到最优，是移动通信网络绿色低碳化发展面临的另一项重要挑战。

3 5G-A/6G网络绿色低碳技术发展趋势

为了应对网络架构演进及业务发展带来的新挑战，推进移动通信网络绿色低碳化进程，从智能节能调度、高效共建共享、极简网络架构、绿色器件几个方面，构建了5G-A/6G网络绿色低碳技术体系，如图2所示。

图2 5G-A/6G网络绿色低碳技术体系

3.1 智能节能调度

下一代无线网络需要赋能千行百业，支持多样化终端接入，满足差异化的业务要求，对数据传输速率、连接密度、时延等网络性能指标提出了更高的要求。如何在满足业务性能要求的前提下通过智能节能调度提高网络资源与能源利用率，是提升网络能效的重要途径。

现有的智能化节能技术主要基于负荷预测，识别节能时段，控制基站进入关断状态以达到节能的目的[6]。面向未来更加多样化、复杂化的业务场景，基于负荷单一维度的节能策略或无法满足差异化的业务需求，或无法达到预期的节能效果，难以兼顾业务与能效双重需求。为了应对业务场景复杂化的挑战，智能节能技术将向着更加精细化、协同化的方向发展。

通过构建全网综合感知能力，实现对全部网元的业务、资源、能耗等多维指标精准化感知。在此基础上，基于内生智能，通过分布式学习、群智式协同，实现端到端智能编排调度、跨域智能管控以及“端、网、业”协同的网络资源调度。此为，基于AI及大数据技术，还可实现业务智能识别以及以用户为中心的资源分配，对网络的时间、频率、空间、算力、存储等核心资源进行协同调度，保障用户为中心的业务感知和最优的网络能效。

3.2 高效共建共享

随着ICDT融合技术发展，5G-A/6G网络将逐步形成以数据中心为核心的扁平化、云网融合、云边端协同的网络架构和算力设施体系。为了促进信息基础设施集约部署、提高资源利用效率，有必要引入更加高效的共建共享技术，促进算网一体化绿色发展。

如图3所示，在算网协同共享架构下，网络共建共享将不再局限于共享站址、接入设备和频率资源，还会涉及算力等更多资源的共享。同时，基于网络功能虚拟化、人工智能等新技术，可提高网络和算力资源协同调度能力，实现异构云集中管理和协同共享[7]。通过面向服务的意图感知、算力资源感知、网络资源感知及跨域智能调度技术，可实现算力和网络资源的高效协同共享。

图3 算网协同共享架构

3.3 极简网络架构

随着移动通信网络的发展，现网呈现3G/4G/5G等多制式网络并存的格局，同一覆盖区域一般存在多套系统设备，导致功耗大、运维复杂。未来，6G网络将进一步实现万物智联，网络覆盖范围将由地面覆盖扩展到太空、空中、陆地、海洋等更多自然空间，实现全球全域的“泛在连接”。随着网络规模扩大，绿色节能将成为下一代网络架构的内生需求。

极简网络架构是解决这一难题的有效手段[8]，主要通过构建泛在、弹性、绿色的网络架构，在网络层面避免多系统重复建设导致的能耗和规模冗余，节省成本、降低网络总能耗。

构建泛在的网络架构，支持统一的无线资源管理与频谱共享、业务策略控制和QoS保障体系，支持在统一架构下的多种空口技术融合，实现终端无感知、极简的泛在接入，满足差异化的业务性能要求。通过简化接口、控制流程和数据交互流程，实现高效的数据传输与可靠的信令控制。采用面向服务化的极简弹性组网模式，将网元、网络功能、资源进行深度解耦，通过分布式、去中心化、自治化的网络机制，实现弹性、通用化、定制化的组网能力，实现按照业务需求部署网络功能，有效降低网络能耗和规模冗余，同时减少信息传递路径，让服务直达用户，提升用户服务体验。

在此基础上，还可融合超蜂窝理念进一步构建绿色网络架构[9]，如图4所示。通过控制面与用户面解耦，控制基站用于提供用户接入以及控制信号的传递，可采用大区覆盖模式；业务基站用于为用户提供高速数据传输，可按需灵活部署，支持适时进入节能状态。基于控制基站与业务基站协同的分层融合组网，可降低能耗，同时保障网络性能。

图4 绿色组网架构

此外，除了网络架构的极简化，还可通过设备的极简化，精简设备数量，减少对机房、电源、空调等配套设施的需求，从而降低站点总能耗。一方面，推动网络设备代际更替，淘汰高能耗的老旧设备，重耕频谱资源，优化网络结构，将业务迁移至更高能效的5G设备，构建简洁、高效、绿色的站点基础设施。另一方面，提高设备集成度，引入多模多频、大带宽高功率网络设备，收编多套单频单制式设备，减少在网设备数量，提高设备运维效率。

3.4 绿色器件

器件性能是决定基站设备基础能耗水平的内在要素，为了从根本上降低基站能耗，需要持续开展高能效绿色器件研发。

5G基站设备由基带单元(BBU)与射频单元(AAU/RRU)构成，二者的能耗占比分别为10%、90%。其中，射频单元的能耗主要来自功率放大器、小信号、数字中频以及电源等模块[10]。射频单元各模块的功耗与负荷相关，满载条件下，功率放大器的功耗占比最高，达到60%；空载条件下，功率放大器的功耗占比下降至30%，与数字中频共同构成射频单元功耗的主要来源。功率放大器、数字中频、数字基带芯片是影响基站能耗的核心器件，未来可通过采用新技术、新材料、新工艺，不断提升核心器件的能效，打造新一代绿色器件。

在功率放大器方面，功放效率是衡量其能效水平的重要指标。2G时代，功放效率一般在20%以下。随着器件结构设计的改进和氮化镓材料的引入，5G基站的功放效率最高达到50%以上。未来，可通过智能化DPD算法、包络跟踪技术、Doherty功放与异相发射机技术进一步提升功放效率。

在数字基带方面，随着5G射频收发通道数增加至64T64R，对基带处理、峰值因子消减(CFR)等算法处理的要求提高，数字基带芯片的功耗随之增加。后续可基于专用标准产品(ASSPs)或基于精简指令集的开源指令集架构(RISC-V)等更加高效的芯片设计，降低设备基础功耗。同时，引入更加实时的动态关断技术，通过毫秒甚至微秒级的状态转换，最大化节能效果。

此外，在新材料方面，除了采用氮化镓，还将考虑碳化硅、氧化镓等第四代半导体材料，利用超宽禁带、高导通等特性制造更小尺寸、更高功率密度、更小功耗的器件。

4 结束语

5G作为重要的数字基础设施，在未来十年仍将处于规模建设及高速发展期，能耗与碳排放将持续快速增长。2021年，5G网络整体能耗约250亿度，碳排放超过1500万吨，占全社会电力相关间接排放的0.3%。预计2020~2030年，5G基站数量将增长9倍，能耗与碳排放增长4倍左右。移动通信行业的绿色低碳化进程将成为影响国家实现“双碳”战略落实的关键变量之一。

现有的绿色低碳技术主要面向5G发展初期阶段，还不足以应对5G-A甚至6G时代复杂多样的业务场景以及网络架构演变所带来的新挑战。未来，还需要在智能节能调度、高效共建共享、极简网络架构、绿色器件等方面深入研究，促进移动通信网络绿色低碳化发展。