龔 菲 鐘 祎 葛曉虎

華中科技大學(xué) 武漢 430074

引言

在我國“十三五”期間，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，溫室氣體碳排放量總額年均增長超過全球的平均水平，2020年我國的碳排放量總額占世界整體碳排放量比重超過了30%；國家在制定碳減排政策并實(shí)施的同時(shí)，必須確保國家整體經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康向前發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，國家整體溫室氣體排放量必定會(huì)增加。國家要想實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰要以強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)作為支撐，這是國家實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略的必要條件。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上向全世界宣布，中國力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這也就是說，從碳達(dá)峰到碳中和，其他國家對(duì)于雙碳戰(zhàn)略的完全實(shí)現(xiàn)預(yù)留了將近70年，我國只有30年的時(shí)間來完成，時(shí)間非常緊迫。

早期對(duì)于通信系統(tǒng)的研究主要關(guān)注的是頻譜效率以及能量效率，而忽視了碳效率[1]。現(xiàn)在，隨著碳排放量越來越大，溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，越來越多的人開始重視碳排放。降低碳排放，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要目標(biāo)。在無線網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)，尤其是無線站點(diǎn)處對(duì)碳排放進(jìn)行測(cè)算，對(duì)無線站點(diǎn)的全生命周期進(jìn)行碳排放度量。參考能效，對(duì)碳效率給出初步定義，并將碳效率與傳統(tǒng)的一些無線網(wǎng)絡(luò)度量指標(biāo)相結(jié)合，分析其間的關(guān)系，便于以后在無線網(wǎng)絡(luò)中提高綠色能源的使用比例，將無線網(wǎng)絡(luò)與能源網(wǎng)絡(luò)相匹配，提高綠能利用率。

1 “雙碳”戰(zhàn)略下信息通信行業(yè)節(jié)能減排舉措

在國家發(fā)布“雙碳”戰(zhàn)略后，華為、中信集團(tuán)以及三大運(yùn)營商都積極響應(yīng)國家號(hào)召，踐行集團(tuán)“雙碳”發(fā)展，為自身以及其他行業(yè)節(jié)能減碳出謀劃策。

華為發(fā)布有關(guān)綠色低碳的白皮書，希望通過采取一些舉措來建立一套有效的能效衡量體系，如何在無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中將綠色低碳落實(shí)到各項(xiàng)技術(shù)中，更快地實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和[2]。

中信集團(tuán)也發(fā)布相關(guān)“雙碳”戰(zhàn)略具體行動(dòng)的白皮書，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)2060“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提供了切實(shí)可行的行動(dòng)計(jì)劃[3]。此外，還利用ICT技術(shù)賦能其他行業(yè)，幫助其他行業(yè)節(jié)能減排，根據(jù)白皮書中的數(shù)據(jù)顯示，中信集團(tuán)在2020年助力外部企業(yè)和個(gè)人實(shí)現(xiàn)間接二氧化碳減排達(dá)到2 000萬噸。

中國聯(lián)通在提高自身節(jié)能降碳能力的同時(shí),聚焦“大數(shù)據(jù)”與“大應(yīng)用”的主責(zé)領(lǐng)域，用創(chuàng)新與科技助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展向著綠色生態(tài)和低碳目標(biāo)的全面轉(zhuǎn)型發(fā)展[4]。中國移動(dòng)通過打造綠色引擎，賦能數(shù)智化生產(chǎn)，豐富數(shù)智化生活，助力社會(huì)降碳減排。中國電信強(qiáng)化國家低碳網(wǎng)絡(luò)的重大科技攻關(guān)能力建設(shè)，牽頭推動(dòng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范研究制訂和建立健全的企業(yè)層“雙碳”管理體系，加大“雙碳”的重要資源投入。

2 無線站點(diǎn)全生命周期碳排放度量

受“雙碳”目標(biāo)挑戰(zhàn)的驅(qū)動(dòng)，提高綠色能源在無線網(wǎng)絡(luò)中的比例是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段，因而需要研究無線網(wǎng)絡(luò)中引入新能源的方式，但是，目前能源網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)仍相對(duì)獨(dú)立，綠能利用率較低，需要對(duì)新能源和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行碳排和網(wǎng)絡(luò)綠能狀態(tài)的建模。因此，對(duì)于無線站點(diǎn)的碳排分析是提高綠能利用率的第一步。

而不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品的全生命周期碳排放的占比情況有所不同，除了在設(shè)備運(yùn)作使用的階段，其他的原材料獲取、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及報(bào)廢處理階段的碳排放也占了相當(dāng)大一部分。因此，為了更加科學(xué)地衡量無線通信系統(tǒng)的碳排放，可利用全生命周期來評(píng)估衡量隱含碳足跡和運(yùn)營碳足跡，即全生命周期碳足跡(單位：)為：

2.1 生產(chǎn)階段

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開始投入使用之前的工業(yè)生產(chǎn)過程必須耗費(fèi)大量原材料，并且通過各種設(shè)備耗費(fèi)資源的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，所以工業(yè)生產(chǎn)過程的計(jì)算公式可以將工業(yè)生產(chǎn)過程所用的物料和資源總量與相關(guān)的二氧化碳排放因子相乘[5]。生產(chǎn)過程中使用材料繁多，很難全都一一計(jì)算出來，所以，生產(chǎn)階段的碳排放量可以用一些使用比較多的生產(chǎn)材料和器械來計(jì)算。但是這種計(jì)算方法需要正確地選取主要生產(chǎn)材料，要有詳細(xì)而且準(zhǔn)確、相對(duì)應(yīng)的碳排放數(shù)據(jù)庫。

由于無線基站的設(shè)計(jì)年限一般是10年[6]，因此，在對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的全生命周期進(jìn)行碳排放評(píng)估時(shí)，選擇10年為它的運(yùn)行生命周期。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，有些無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行幾年過后就需要對(duì)它進(jìn)行升級(jí)改造。設(shè)備不同年限的運(yùn)行生命周期會(huì)直接影響無線網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)加工階段碳排放量占全生命周期總碳排放量的比例。

在運(yùn)輸過程中，即無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)加工、組裝后從工廠運(yùn)送到各安裝地所產(chǎn)生的碳排放量，計(jì)算方法可以使用設(shè)備的重量和公路運(yùn)輸或者海洋運(yùn)輸?shù)腃O2排放因子相乘。由于無線設(shè)備的安裝地分布廣泛，不可能逐一進(jìn)行計(jì)算，因此，該部分碳排放計(jì)算可選取一些主要的安裝地進(jìn)行考慮，對(duì)運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放量來進(jìn)行評(píng)估。

經(jīng)調(diào)查，中國基站的運(yùn)輸主要集中在公路運(yùn)輸，我國公路運(yùn)輸?shù)纳芷诒尘皵?shù)據(jù)來自RCEES 2012數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，公路運(yùn)輸距離1km的1t貨物，產(chǎn)生的碳足跡為0.23kg。因此一個(gè)基站的運(yùn)輸碳排放為：

2.2 使用階段

無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用階段是無線網(wǎng)絡(luò)碳排放量的主要組成部分，是我們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行碳排放核算的重點(diǎn)研究部分。無線網(wǎng)絡(luò)使用階段的碳排放包括使用過程中直接排入大氣的CO2以及使用過程中消耗的能源折算后的碳排放量。

在計(jì)算直接排放CO2方法時(shí)有排放系數(shù)法和測(cè)量法。測(cè)量法實(shí)際上就是進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，在無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備處放置采樣裝置來進(jìn)行測(cè)量，從而得到相關(guān)碳排放量數(shù)據(jù)，實(shí)地測(cè)量會(huì)因環(huán)境等各方面因素導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有所不同，因而最后在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)需要采取取平均值等方法來減少誤差。排放系數(shù)法可核算使用過程中釋放溫室氣體對(duì)應(yīng)的碳排放量，排放因子或是系數(shù)選擇的不同，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同。

關(guān)于使用過程中消耗的能源求其折算后的碳排放量利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電耗量，然后根據(jù)合理的計(jì)算因子(每千瓦時(shí)電CO2排放系數(shù))可將之轉(zhuǎn)換為碳排放量。電能耗率既可采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)際消耗量，也可通過各設(shè)備設(shè)計(jì)測(cè)算出理論能耗量。在引入新能源后，可降低設(shè)備的耗電量，減少設(shè)備的碳排放量，從而大大降低無線網(wǎng)絡(luò)的碳排放總量。

使用階段包括運(yùn)營階段和維護(hù)階段，且耗費(fèi)能源主要是電能產(chǎn)生的碳排和更換零件產(chǎn)生的碳排。其中，一臺(tái)基站一年消耗的電費(fèi)是可獲數(shù)據(jù)，假設(shè)為，且通信基站統(tǒng)一執(zhí)行一般工商業(yè)電價(jià)，假設(shè)一度電為k元，一度電產(chǎn)生的碳排為λ。則基站耗費(fèi)的電能產(chǎn)生的碳排可表示為：

基站維護(hù)是指基站軟硬件日常保障與故障維護(hù)，包括基站環(huán)境、供電設(shè)備的日常巡檢、更換故障基站硬件、減少擴(kuò)容、安全隱患排查、整改、網(wǎng)絡(luò)持續(xù)優(yōu)化等[6]?；緯?huì)因各種設(shè)備的軟硬件故障、傳輸類故障、電源背包故障、市電停電、光纖故障等問題需要進(jìn)行維護(hù)。

2.3 拆除階段

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆除階段的碳排放量主要有設(shè)備的拆除、拆除設(shè)備中廢棄物的運(yùn)輸以及部分廢棄物進(jìn)行處置所產(chǎn)生的碳排放量，其中，設(shè)備的拆除、拆除設(shè)備中廢棄物的運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的碳排放量可通過廢棄物在拆除和運(yùn)輸過程中所需消耗的能源來進(jìn)行等價(jià)測(cè)量。但部分材料可回收利用以減少原材料生產(chǎn)，因此拆除階段的碳排放量應(yīng)扣除回收利用材料對(duì)應(yīng)的碳排放量。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆除的部件可分為三類：一類是在設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)了問題，在設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)無法進(jìn)行修理的部件；一類是在站點(diǎn)撤離或者是站點(diǎn)搬遷過程中拆下來的部件；一類是設(shè)備的生產(chǎn)服務(wù)年限到期，需要進(jìn)行替換的舊部件。因此，整個(gè)拆除階段的碳排可表示為：

根據(jù)對(duì)以上生產(chǎn)階段、使用階段和拆除階段產(chǎn)生的碳排就可以得到整個(gè)基站全生命周期碳排中各階段的占比?；救芷诟麟A段碳排的占比如圖1所示，使用階段的碳排占比最大，其次為生產(chǎn)階段，拆除階段碳排僅占很小一部分，因此，如何降低使用階段和生產(chǎn)階段的碳排放是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

圖1 基站全生命周期各階段碳排

3 無線通信系統(tǒng)碳效率度量

研究單鏈路碳效與其他網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，可采用常規(guī)的碳排建模方法，將碳效(Carbon Efficiency，CE)定義為網(wǎng)絡(luò)性能與碳排的比值，碳排與網(wǎng)絡(luò)能耗直接掛鉤，本節(jié)將采用吞吐率指標(biāo)來刻畫網(wǎng)絡(luò)性能。因此本節(jié)中所研究的常規(guī)碳效定義為：

3.1 單鏈路碳效定義及其與能耗間差異/關(guān)聯(lián)性

能源消耗與碳排放兩個(gè)指標(biāo)經(jīng)常被同時(shí)提及，但兩者之間具體有哪些關(guān)聯(lián)和差異，如何通過建模分析將兩者更好地關(guān)聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和碳減排目標(biāo)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這是值得研究的問題。傳統(tǒng)的建模方法直接用確定的碳排因子CF將能源消耗與碳排放關(guān)聯(lián)起來，但實(shí)際上碳排因子CF受到器件、地區(qū)等多方面的因素影響，并非簡單的正比關(guān)系，以下將對(duì)碳排放因子進(jìn)行展開分析。

1)不同器件生產(chǎn)過程中，使用的原材料種類、重量不同，其對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)不同，從器件的整個(gè)生命周期考慮，其1J能耗導(dǎo)致的碳排放量就不同，最終的碳排放因子就不同。

2)器件使用過程中，其所在地理區(qū)域不同，電網(wǎng)排放因子不同，1J能耗導(dǎo)致的碳排放量就不同，最終的碳排放因子就不同。

3)基站在使用過程中，不同器件如基帶、射頻，器件能耗不同，所產(chǎn)生的碳排放量就不同，每部分由于其需能穩(wěn)定性、大小不同，可考慮器件耗能的占比有所不同，器件耗能占比不同，1J能耗導(dǎo)致的碳排放量就不同，最終的碳排放因子就不同。

4)在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作的基站，存在能量調(diào)度問題，在能量的調(diào)度過程中會(huì)存在能量損耗問題[8]，因而，由于能量損耗的存在，不同基站消耗1J能量導(dǎo)致的碳排放量就不同，最終的碳排放因子就不同?；究蓮氖须?、新能源(太陽能、風(fēng)能等)來獲取能量，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的其他基站中去，基站從不同能源處獲取能量，導(dǎo)致其碳排放因子會(huì)不一樣。

通過上述對(duì)于碳排放因子的分析，可知碳排放因子的取值需要考慮網(wǎng)絡(luò)器件生產(chǎn)、使用以及在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作過程中能量調(diào)度與損耗問題，具體的確定需要結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景中器件、基站以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況進(jìn)行考量。

3.2 碳效與能效

能效(Energy Efficiency，EE)的常用衡量標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)每消耗單位能量所能提供的數(shù)據(jù)速率，其計(jì)算公式如下所示[9]：

其中，C表示系統(tǒng)整體吞吐量，P表示系統(tǒng)整體能量消耗。

由能效與碳效的含義與表達(dá)式可知，兩者之間相差為一個(gè)碳排放因子CF，兩者可表示為：

能效與碳效關(guān)系追根溯源其實(shí)為消耗的能量與產(chǎn)生的碳排之間的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系就用碳排放因子進(jìn)行表述，因而能效與碳效關(guān)系變化就與碳排放因子的取值相關(guān)。

3.3 碳效與頻效

頻效(Spectrum efficiency，SE)定義為在每單位帶寬下的系統(tǒng)吞吐量[10]，在無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化過程中被優(yōu)先考慮。在加性的高斯白噪聲 (Additive White Gaussian Noise，AWGN) 信道中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸中，頻譜效率可表示為[11]：

3.4 碳效與時(shí)延

數(shù)據(jù)包時(shí)延包括發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延四個(gè)方面[12]。在這里我們主要考慮發(fā)送時(shí)延與碳效間的關(guān)系。發(fā)送時(shí)延(一個(gè)數(shù)據(jù)包從基站到用戶所用時(shí)間)的定義為[13]：

則碳效與時(shí)延的關(guān)系為：

在碳效與時(shí)延的關(guān)系中，我們通過成功傳輸概率將兩者聯(lián)系起來，成功傳輸概率不僅與發(fā)射功率相關(guān)，與系統(tǒng)吞吐量也相關(guān)，因而碳效的分子分母都會(huì)隨著成功傳輸概率的變化而變化，即隨著時(shí)延的變化而變化，分子吞吐量隨著時(shí)延的增加而降低，分母功率也隨著時(shí)延的增加而降低，但是分子分母的降低速度不一樣，為與的關(guān)系，分子降低速度快，因而式子整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，于是碳效隨著時(shí)延的增加而降低。

較大的時(shí)延雖然所需的發(fā)射功率較小，但是其會(huì)導(dǎo)致更低的吞吐率，因此，整體而言，隨著時(shí)延的增大，所獲碳效就會(huì)減小。而較小的時(shí)延雖然所需發(fā)射功耗會(huì)增加，但是其帶來的吞吐率的增大會(huì)大于發(fā)射功耗的增大量，因此，隨著時(shí)延的減小，所獲碳效就會(huì)增大。

3.5 碳效與帶寬

帶寬和功率是無線通信中最重要但也是有限的資源。能量效率被定義為傳輸速率與功率耗散的比值[16]。更詳細(xì)的說，它的計(jì)算公式為：

帶寬與碳效的關(guān)系通過能效聯(lián)系起來，系統(tǒng)帶寬越大，傳輸速率快，因而消耗的功率越小，碳效越大。

4 結(jié)語

“雙碳”戰(zhàn)略對(duì)于信息技術(shù)是一種難得的機(jī)遇，但也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，自身的能耗碳排不容忽視。信息技術(shù)對(duì)于節(jié)能的間接貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于自身的能耗，但其自身能耗是在不斷增長的，為此，必須依靠創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)自身的節(jié)能減排。在未來將會(huì)部署更多的5G站點(diǎn)，與ICT技術(shù)的聯(lián)系將會(huì)更加緊密，因而其能耗碳排放量的分析控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略至關(guān)重要，對(duì)于碳排碳效的計(jì)算測(cè)量也需進(jìn)一步深化考量。