摘要：該文系統(tǒng)分析了5G無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的能耗構(gòu)成，并提出相應(yīng)的能耗管控策略。通過部署采用氮化鎵功率放大器、硅光調(diào)制器及ARM架構(gòu)服務(wù)器等技術(shù)，可顯著降低網(wǎng)絡(luò)能耗。實(shí)證案例驗(yàn)證了這些策略的有效性，為運(yùn)營商在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；碳中和；能耗分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.022

中圖分類號(hào)：TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-03

Energy Consumption Analysis and Control Strategies of 5G Networks from the Perspective of "Carbon Neutrality"

Abstract： This article systematically analyzes the energy consumption composition of 5G wireless access networks， transmission networks， and core networks， and proposes corresponding energy consumption control strategies. By deploying technologies such as gallium nitride power amplifiers， silicon optical modulators， and ARM architecture servers， network energy consumption can be significantly reduced. Empirical cases have verified the effectiveness of these strategies， providing some references for operators to achieve green and sustainable development in 5G networks.

Keywords： 5G network; carbon neutrality; energy consumption analysis

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)與商用部署，其能耗問題日益凸顯[1]，同時(shí)帶來碳排放增長，迫切需要走綠色低碳發(fā)展之路。

在碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)營商亟須采取有效措施，降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。本文從碳中和視角出發(fā)，聚焦5G網(wǎng)絡(luò)能耗問題展開研究，以期助力信息通信行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

1 碳中和視野下的5G網(wǎng)絡(luò)能耗分析

1.1 無線接入網(wǎng)能耗分析

無線接入網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)能耗的主要環(huán)節(jié)之一，其能耗問題備受關(guān)注。在無線接入網(wǎng)中，基站是能耗的主要貢獻(xiàn)者。以一個(gè)典型的三扇區(qū)基站為例，其總功耗可達(dá)到6～10kW，其中射頻功率放大器（RF PA）占基站總功耗的50%～80%[2]。此外，隨著大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用，基站天線數(shù)量顯著增加，從而導(dǎo)致無線接入網(wǎng)能耗進(jìn)一步提升。例如，采用64T64R大規(guī)模MIMO的基站，其總功耗可達(dá)15～20 kW，較傳統(tǒng)基站增加50～100%。同時(shí)，為支撐高速率、低時(shí)延等5G應(yīng)用場景，無線接入網(wǎng)需大量部署小基站，進(jìn)一步加劇了能耗壓力[1]。

1.2 傳輸網(wǎng)能耗分析

傳輸網(wǎng)主要包括前傳、中傳和回傳三個(gè)部分，其中前傳連接基站和匯聚節(jié)點(diǎn)，中傳連接匯聚節(jié)點(diǎn)和核心節(jié)點(diǎn)，回傳連接核心節(jié)點(diǎn)和骨干網(wǎng)。在傳輸網(wǎng)中，光傳輸設(shè)備和IP設(shè)備是主要的能耗貢獻(xiàn)者。以光傳輸平面為例，單個(gè)OTN節(jié)點(diǎn)的功耗可達(dá)數(shù)千瓦，且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，其能耗呈線性增長趨勢。同時(shí)，為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)對傳輸帶寬的需求，高速光模塊得到廣泛應(yīng)用，例如，單個(gè)400G光模塊的功耗可達(dá)數(shù)十瓦，較傳統(tǒng)100G模塊大幅提升。此外，新型傳輸技術(shù)的引入也給能耗管理帶來新的挑戰(zhàn)。例如，靈活以太網(wǎng)技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的帶寬調(diào)整，提升了傳輸網(wǎng)的靈活性，但同時(shí)也增加了傳輸網(wǎng)管控的復(fù)雜度，進(jìn)而產(chǎn)生額外的能耗開銷。類似的，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)通過構(gòu)建端到端的虛擬專網(wǎng)，為垂直行業(yè)提供定制化服務(wù)，但也產(chǎn)生了切片管理、資源隔離等方面的能耗開銷。

1.3 核心網(wǎng)能耗分析

作為網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，核心網(wǎng)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)管理、移動(dòng)性管理、策略控制等關(guān)鍵功能，其能耗水平直接影響網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。在核心網(wǎng)中，服務(wù)器是主要的能耗設(shè)備，其功耗占核心網(wǎng)總功耗的60%以上。以高性能服務(wù)器為例，單臺(tái)設(shè)備的功耗可達(dá)數(shù)百瓦，且受CPU利用率、內(nèi)存使用量等因素影響，實(shí)際能耗水平動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，為了支撐5G網(wǎng)絡(luò)的云化部署，核心網(wǎng)廣泛采用了虛擬化技術(shù)，產(chǎn)生虛擬機(jī)管理、資源調(diào)度等方面的能耗開銷。例如，在典型的虛擬化平臺(tái)環(huán)境下，虛擬機(jī)遷移操作可產(chǎn)生數(shù)百兆字節(jié)的流量，從而帶來顯著的能耗開銷。此外，5G核心網(wǎng)引入了服務(wù)化架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能以微服務(wù)的形式部署，服務(wù)粒度不斷細(xì)化，業(yè)務(wù)編排日益靈活，由此也帶來了編排管理、狀態(tài)維護(hù)等方面的額外能耗。

2 碳中和視野下的5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控策略

2.1 無線接入網(wǎng)能耗管控策略

無線接入網(wǎng)作為5G網(wǎng)絡(luò)能耗的重點(diǎn)領(lǐng)域，亟須通過技術(shù)創(chuàng)新和策略優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。在射頻功率放大器領(lǐng)域，可采用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，如氮化鎵（GaN）替代傳統(tǒng)的砷化鎵（GaAs），利用其優(yōu)異的物理特性，在提供相同輸出功率的條件下，功耗可降低數(shù)十瓦。針對大規(guī)模MIMO技術(shù)帶來的能效困境，可引入混合預(yù)編碼架構(gòu)，在射頻端采用相控陣天線，在基帶端采用數(shù)字預(yù)編碼，通過雙層預(yù)編碼的協(xié)同設(shè)計(jì)，在滿足覆蓋和容量要求的同時(shí)，可減少射頻鏈路數(shù)量，使每條射頻鏈路的能耗可降低數(shù)瓦。在超密集組網(wǎng)場景下，可采用小基站智能休眠技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)量的動(dòng)態(tài)變化，靈活開啟或關(guān)閉部分小基站，在能耗和體驗(yàn)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡。對于復(fù)雜的無線資源管理算法，可從算法本身的設(shè)計(jì)入手進(jìn)行能效優(yōu)化，如采用啟發(fā)式搜索代替窮舉搜索，在滿足性能約束的前提下，降低算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。同時(shí)，在算法設(shè)計(jì)中引入能耗約束，將能效作為重要的優(yōu)化目標(biāo)之一，通過權(quán)衡能耗和性能的高階均衡，實(shí)現(xiàn)算法的自適應(yīng)能效控制。

2.2 傳輸網(wǎng)能耗管控策略

為了應(yīng)對5G傳輸網(wǎng)日益凸顯的能耗挑戰(zhàn)，運(yùn)營商需要從架構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新兩個(gè)維度入手，采取精細(xì)化的管控策略。在架構(gòu)層面，可以引入光叉樹形組網(wǎng)，將傳統(tǒng)的環(huán)形拓?fù)滢D(zhuǎn)變?yōu)闃湫瓮負(fù)?，通過縮短傳輸距離和減少中間節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在滿足業(yè)務(wù)連通性需求的同時(shí)，降低傳輸線路的能耗。以O(shè)TN設(shè)備為例，采用全光交換技術(shù)替代傳統(tǒng)的電交換，可顯著降低交換節(jié)點(diǎn)的功耗，每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)的能耗可降低數(shù)百瓦。在高速光模塊方面，可以創(chuàng)新性地采用硅光集成技術(shù)，通過將光芯片與電芯片集成在同一硅基底上，實(shí)現(xiàn)光電器件的高密度集成，從而降低單個(gè)光模塊的功耗。以400G光模塊為例，采用硅光收發(fā)機(jī)芯片替代傳統(tǒng)的InP芯片，單個(gè)光模塊的功耗可降低數(shù)瓦。針對新型傳輸技術(shù)引入的能效難題，可以從算法和協(xié)議層面進(jìn)行優(yōu)化。例如，在FlexE環(huán)境下，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整光信道的調(diào)制格式和頻譜效率，根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化實(shí)現(xiàn)彈性帶寬分配，在保證傳輸性能的同時(shí)降低能耗。在切片傳輸場景下，可以采用能效優(yōu)化的切片映射算法，綜合考慮切片的能耗特征和業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)切片與光通道的最優(yōu)匹配，降低網(wǎng)絡(luò)切片的能耗開銷。假設(shè)切片映射問題可以表示為如下的優(yōu)化模型：

式中，N表示切片的數(shù)量；M表示光通道的數(shù)量；表示第i個(gè)切片是否映射到第j個(gè)光通道；pij表示第i個(gè)切片映射到第j個(gè)光通道時(shí)的功耗。通過求解該優(yōu)化模型，可以得到切片與光通道的最優(yōu)映射方案，從而最小化傳輸網(wǎng)絡(luò)的總功耗。

2.3 核心網(wǎng)能耗管控策略

為了有效管控核心網(wǎng)能耗，運(yùn)營商需要從設(shè)備選型、架構(gòu)優(yōu)化和資源管理等多個(gè)角度入手。在服務(wù)器選型方面，可以采用高能效的處理器芯片，如采用ARM架構(gòu)的CPU替代傳統(tǒng)的x86架構(gòu)，在滿足性能需求的同時(shí)，單個(gè)處理器的功耗可降低數(shù)十瓦。同時(shí)，可以采用液冷等先進(jìn)的散熱技術(shù)，通過優(yōu)化服務(wù)器的散熱系統(tǒng)，進(jìn)一步降低制冷能耗。在虛擬化平臺(tái)優(yōu)化方面，可以采用輕量級(jí)的容器技術(shù)替代傳統(tǒng)的虛擬機(jī)技術(shù)，通過減少操作系統(tǒng)層面的開銷，顯著提升虛擬化效率，使每個(gè)容器的能耗可降低數(shù)瓦。在核心網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)方面，可以引入服務(wù)化和云原生理念，通過將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為細(xì)粒度的微服務(wù)，實(shí)現(xiàn)靈活的彈性部署和按需擴(kuò)縮容，從而降低能耗。例如，在移動(dòng)性管理方面，可以將會(huì)話管理功能和連接管理功能解耦，通過獨(dú)立擴(kuò)容會(huì)話管理功能，在保證移動(dòng)性能的同時(shí)，降低連接管理的能耗開銷。在資源管理方面，可以探索引入智能化的編排調(diào)度算法，通過實(shí)時(shí)感知業(yè)務(wù)負(fù)載和能耗數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化資源分配策略。假設(shè)核心網(wǎng)由M個(gè)服務(wù)器組成，每個(gè)服務(wù)器的處理能力為Ci，功耗為Pi，業(yè)務(wù)請求的到達(dá)率為λj，資源需求量為Dj，則資源編排問題可以表示為如下的優(yōu)化模型：

式中，表示服務(wù)器i是否被激活。通過求解該優(yōu)化模型，可以得到服務(wù)器激活策略，在滿足業(yè)務(wù)性能約束的同時(shí)，最小化核心網(wǎng)的總功耗。

推廣無線網(wǎng)絡(luò)亞幀關(guān)斷、通道關(guān)斷、淺層休眠、深度休眠等軟件節(jié)能技術(shù)，促進(jìn)節(jié)能降碳。

3 實(shí)證研究與案例分析

3.1 案例背景

為了驗(yàn)證本文提出的5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控策略的有效性，選取了某運(yùn)營商在S市部署的一個(gè)5G試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)證案例。該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、10個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和100個(gè)5G基站組成，覆蓋面積達(dá)到25平方千米，服務(wù)用戶數(shù)超過10萬。通過對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行為期1年的能耗監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其年均總功耗高達(dá)2.5×106 kWh，其中無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的能耗占比分別為60%、30%和10%。在無線接入網(wǎng)中，基站是主要的能耗設(shè)備，其中功率放大器和空調(diào)制冷的功耗分別占基站總功耗的45%和30%。在傳輸網(wǎng)中，OTN設(shè)備是主要的能耗來源，其中光纖放大器和電交換矩陣的功耗分別占OTN設(shè)備總功耗的60%和25%。在核心網(wǎng)中，服務(wù)器是最大的能耗設(shè)備，其中CPU和內(nèi)存的功耗分別占服務(wù)器總功耗的40%和35%。面對如此高的能耗水平，該運(yùn)營商亟須采取有效的管控措施，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

3.2 能耗管控方案與成效

（1）在無線接入網(wǎng)方面，運(yùn)營商選擇部署采用GaN材料的射頻功率放大器，通過優(yōu)化晶體管的柵極寬度和漏極間距，在保證線性度和帶寬的同時(shí)，將功放效率提升至60%以上。同時(shí)，運(yùn)營商在基站中引入了先進(jìn)的液冷散熱系統(tǒng)，通過優(yōu)化冷板的布局和液體流道的設(shè)計(jì)，將基站的散熱效率提升了30%，使基站能夠在較高的工作溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，減少了空調(diào)制冷的能耗開銷。

（2）在傳輸網(wǎng)方面，運(yùn)營商通過部署采用硅光調(diào)制器的相干光傳輸系統(tǒng)，利用其高速率、長距離的傳輸特性，將原有多跳電傳輸鏈路升級(jí)為一跳光傳輸。通過合理規(guī)劃波長資源和光路徑，優(yōu)化光電節(jié)點(diǎn)的布局，減少了傳輸鏈路的數(shù)量和長度，明顯降低了傳輸網(wǎng)絡(luò)的功耗。同時(shí)，運(yùn)營商還采用了基于ROADM的全光交換技術(shù)，通過引入可重構(gòu)光插分復(fù)用器和波長選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了光層的靈活調(diào)度，減少了電層交換帶來的額外能耗開銷。

（3）在核心網(wǎng)方面，運(yùn)營商積極引入了先進(jìn)的ARM架構(gòu)服務(wù)器，通過在CPU和內(nèi)存之間部署高能效的硅光互連技術(shù)，顯著降低了服務(wù)器的能耗。通過合理配置CPU的主頻和核數(shù)，優(yōu)化內(nèi)存和存儲(chǔ)的容量和訪問策略，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器能耗的動(dòng)態(tài)管理和實(shí)時(shí)優(yōu)化。同時(shí)，運(yùn)營商還采用了云化、虛擬化等先進(jìn)技術(shù)，通過構(gòu)建靈活的資源池，實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)功能的按需部署和彈性擴(kuò)縮，提升了資源利用率和能效水平。

（4）為了實(shí)現(xiàn)端到端的能耗管控，運(yùn)營商部署了一套智能能效管理平臺(tái)，該平臺(tái)集成了各個(gè)網(wǎng)元的智能能耗采集單元，以秒級(jí)粒度實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)。通過引入時(shí)序數(shù)據(jù)庫和流計(jì)算框架，對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)分析，形成面向未來的能耗預(yù)測模型。基于能耗預(yù)測結(jié)果，平臺(tái)采用啟發(fā)式算法和強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，自主優(yōu)化無線、傳輸、核心等各層面的資源調(diào)度策略，在滿足業(yè)務(wù)性能要求的同時(shí)，最小化網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

表1展示了采用該能耗管控方案后，S市5G網(wǎng)絡(luò)各部分的能耗密度變化情況。可以看出，通過端到端的系統(tǒng)化節(jié)能設(shè)計(jì)，5G基站的平均能耗密度從5.8 kW/站降低到4.1 kW/站，傳輸網(wǎng)絡(luò)的單比特能耗從0.5 mW/Gbps降低到0.3 mW/Gbps，核心網(wǎng)的能耗強(qiáng)度從125 W/Gbps降低到75 W/Gbps。

通過采用先進(jìn)的5G節(jié)能技術(shù)和智能化的能效管理平臺(tái)，運(yùn)營商在S市5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了顯著的能效提升，單位流量能耗從原來的0.25 kWh/GB降低到0.16 kWh/GB，能效水平提升了36%。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的能耗構(gòu)成，提出了針對各層面的能耗管控策略。實(shí)證結(jié)果表明，這些策略顯著提升了5G網(wǎng)絡(luò)的能效水平，達(dá)到了節(jié)能減排降碳的預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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