为了省电，通信网络到底有多拼？
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2022-05-31 05:25
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通信网络的能耗问题，一直都是人们关注的焦点。
根据运营商财报数据，2020年，中国移动的能耗费用是376.6亿元，中国电信146.4亿元，中国联通129亿元。三大电信运营商加在一起，是652亿元。要知道，2020年三大运营商的利润，一共也就1411.48亿元。
三大电信运营商的能耗费用（单位：亿元）
近年来，随着5G和数据中心的规模建设，运营商不仅投入了大量的建设资金，在能耗费用方面也是开支甚巨，形成了沉重的成本负担。
从下图我们也可以看出，运营商在2020年的能耗支出，相比前一年直接飙涨了60多亿元，增速惊人。
不断增加的通信网络能耗，不仅意味着巨额的电费，也意味着海量的碳排放量。
根据工信部估计，按目前的发展趋势，2035年中国5G和数据中心的碳排放总量将达2.3~3.1亿吨，约占中国碳排放总量的2~4%，相当于北京目前全市二氧化碳排放量的两倍。
众所周知，我们国家在2020年明确提出了“双碳”战略，即2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”。通信网络的能耗问题，严重阻碍了“双碳”战略目标的实现。它不仅仅关系到运营商的经营业绩，更影响了我们的生态环境，以及国家社会经济的可持续发展。
那么，通信网络的能耗问题，到底该如何解决呢？我们该如何进行节能减排？5G、数据中心这些“电老虎”，真的有办法驯服吗？
█节能减排的思路演变
办法当然是有的。
事实上，通信网络的节能减排，业界已经研究了很多年，并且也积累和沉淀了一些经验和方法。
随着时代的快速发展，通信网络的规模变得越来越大，能耗也越来越大。
于是，通信行业在传统经验方法的基础上，提出了更宏观、更科学的通信网络节能减排思路，归纳为两个词，分别是：网络全生命周期、端到端。
所谓网络全生命周期节能减排，是指在设计和规划节能减排方案时，从宏观上进行整体规划，覆盖通信设备从研发、生产、建设到维护的各个环节，进行全面提效降能。
而端到端，则是站在产品和设备类型的角度，将节能减排落实到终端、接入网（基站）、承载网、核心网、数据中心等通信网络的各个领域。
新的节能减排思路强调整体思维，以及多维度的协同合作，带来了节能效率的大幅提升，逐渐被越来越多的运营商和设备商接受，成为行业趋势。
█节能减排的具体举措
接下来，我们就按照网络全生命周期的角度，逐一介绍通信网络的节能举措。
先看看产品研发设计环节。
在产品研发设计阶段进行设备功耗控制和改良，相当于从源头上进行了节能减排。
这是效果最直接的方式，也是难度最大的方式，对企业的研发能力要求很高。企业需要需要投入大量的资源进行创新和试错，这里面可以提升的空间也越来越小。
以5G基站为例。5G基站的能耗问题，一直都是人们关注的焦点。因为引入了AAU有源天线以及Massive MIMO技术，5G基站的能耗相比4G有明显的增加。5G单站的功耗，大约是4G的2.5~3.5倍。（当然了，我们也需要注意到，5G的单位比特能耗是明显下降的。也就是说，5G的能效明显高于4G。）
2019年4G/5G基站功耗对比
数据来源：《新基建的新变量，“双碳”之下的绿色通信》
为了压低5G基站的工作功耗，设备商可以说是绞尽脑汁。
在产品设计阶段，厂商们就需要将能耗指标摆在和性能指标同等重要的位置。
为了满足能耗要求，他们会通过采用自研高性能芯片、更合理的产品结构设计、更先进的材料和工艺，实现产品的极致能效。
举个中兴通讯的例子。中兴通讯是全球无线系统设备的核心供货商，每年要向客户交付数十万个5G基站。所以，他们对5G基站的能耗指标非常重视。
他们通过自研高集成度、高性能基带处理、数字中频处理芯片，配合使用高集成度收发信机，不断优化电路设计和DPD处理，有效提升功放效率，全面降低5G AAU设备的整机能耗。
中兴通讯的基站产品
5G功放是基站核心器件，中兴通讯采用GaN+技术配合硬件算法改进，使功放效率达到55%以上。
在新工艺和新材料上，中兴通讯通过优化AAU导热散热性能，减低重量，采用创新的V型仿生散热齿结合新材料及超轻架构，提升了20%的散热效率。
华为去年发布了绿色5G网络的能效评估体系——E2（Energy Efficiency）。在接入网方面，华为认为，5G射频向超大规模天线阵列演进，使能空间波束集中，提升了能量传输效率。
此外，华为还提出，射频有源部分采用多通道技术提升设备容量，也可以大幅提升设备的比特能效。此外，通过高效超宽带功放及通道技术的使用，将多个单频设备融合成一个超宽频设备，也能够大幅减少设备部署数量和成本，降低设备能耗。
接下来，是产品生产制造环节。
以往的节能方式，主要集中在设备的工艺升级和能源的改造替换上。
现在，这种方式的节能空间越来越小。于是，引入5G、工业互联网、MEC、AI等多种数字智能技术，进行智能制造，成为工业界的新选择。
智能制造车间
智能制造实现了高度数字化、智能化、无人化，大幅提升了生产效率，减少了生产过程中的碳排放。
我们还是先看看基站侧。
对于运营商来说，5G能耗的70%，来自于RAN（接入网）。因此，站点侧的节能降耗，是他们的首要任务。
基站站点的能源模型（来自：GSMA，翻译：鲜枣课堂）
基站的节能，通常包括以下几种方式：站点组网方案的改进，清洁能源的使用，AI技术的引入，等等。
站点的集中化、绿色化、小型化，是这些年的主流趋势。尤其是C-RAN被提出之后，随着技术的升级，基站的组网部署方式开始发生明显变化。
包括中兴、华为在内的主流设备商，都提出了极简站点的方案。
方案中，基站的建设模式从分布式向集中式转变，从几何叠加向逻辑集成转变。例如，设备小型化、集成化，将机房变机柜、机柜变杆站，尽量减少设备空间占用，减少机房数量，从而减少机房租赁成本以及空调费用。
在能源方面，基站主要的节能举措就是：采用大量的清洁能源，市电变绿电，降低电费支出，减少碳排放。
具体的做法包括：
一、尽量采用太阳能光伏电源，实现太阳能、交流电源、蓄电池等多路供电保障。
白天高峰用电时段，由光伏与储能电池设备供电，储能电池利用夜间的低谷用电时段进行储能，达到“削峰填谷”的目的。
安徽六安移动的5G绿色基站
二、采用锂电池代替铅酸电池。
传统的铅酸电池面临很多问题，如体积大、重量重、 循环寿命短，且对环境要求严苛，温度太高会缩减寿命、 太低则影响使用性能。
相比之下，锂电不仅体积小、重量轻，而且更环保。锂电的能量体积密度和能量重量密度是铅酸电池的4-5倍，循环寿命更是有10-20倍的提升。
图片来源：面向5G的边缘数据中心基础设施白皮书
以往锂电主要用于备电。现在，围绕锂电有了很多智能储能系统方案。
智能储能系统（图片来源：数字能源十大趋势白皮书）
这类系统采用更精准的电化学模型，引入数字化智能化技术，提升储能管理精度，可以实现和电网更好的协同。它还可以针对阶梯电价，进行错峰用电管理，实现错峰运营效率最大化。
除了网络架构和能源改造之外，对通信网络进行节能减排的最有效手段，就是“智能化运维”。
也就是说，部署智能化的能源管理工具，通过多层级能效提升、预防性维护、多维度运营管理等功能，提升网络运维效率，降低无效上站成本和站点宕站风险，减少网络维护费用。
说到智能化，当然离不开AI。
AI技术这几年发展非常迅速，而通信技术对AI的引入，重点就在于运维阶段。
基于AI和大数据技术，通过智能算法对通信业务进行预测、调度与分配，可以在保障用户体验的前提下，能够实现每比特的能耗最优。
基站节能最有效的手段就是关断。
前几年，流行过这么一个说法，说运营商在网络低峰期，会关闭5G基站，节约电费。这个说法当时引起了社会的一片哗然。
其实，频繁开关基站电源，对设备寿命的影响很大。现在运营商进行设备关断，并不是简单地关掉整个设备的电源，而是基于对业务负荷的精准分析和预测，进行多维度多粒度的节能关断。
换句话说，就是更聪明地关断——不关基站，可以关载波、关天线通道，甚至关子帧、关符号。
亚帧关断
4G/5G共模基站协作关断
以中兴的PowerPilot智能节电方案为例。它可以实现符号级、通道级和载波级关断，针对差异化覆盖场景、时段和基站负荷，实现站点级多层次的节电。
它还能够通过网络话务、配置信息分析，主动识别节能场景，匹配不同维度的节能功能，实现节能“一站一策”，准确预测网络话务负荷趋势，进一步挖掘网络级的节能效率。
华为的PowerStar2.0解决方案，也是一种基于业务变化，实时调整频谱、载波等网络资源分配的智能节电方案。
它在关断资源类型、关断时长和运维效率上，对节能手段进行全方位提升，多维协同实现节能和网络性能双优。
█数据中心的节能减排
除了基站之外，数据中心的节能减排，我也简单和大家聊一聊。
随着国家“东数西算”战略的推出，数据中心成为了整个社会的关注重点。作为算力的主要载体，它同样面对严峻的能耗问题。根据数据显示，2020年，全国数据中心共耗电2045亿千瓦时，占全社会用电量的2.7%，非常惊人。
图片来源：《中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》
数据中心的节能减排方案，和基站有很多共通之处，例如新能源的引入，AI运维的采用。但是，因为数据中心本身的大体量、大规模特点，它的节能方案又有很多特殊的地方。
之前我介绍“东数西算”的时候说过，数据中心专门有一个指标叫做PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效率）。PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗，这个值越接近1，则表明该数据中心的非IT设备耗能越少，即能效水平越高。
除了IT业务设备之外，数据中心最大的能耗开销，集中在散热制冷上。
所以，数据中心的节能思路集中在两个方面：一、使用更清洁的电能，提高可再生能源比例；二、采用新的制冷技术和方法，提高制冷效率。
可再生能源比例，这个就不用多说了。国家政策正在引导数据中心建设往风电、水电、太阳能更充沛的地区发展，就是为了更好地利用新能源，降低对化石能源的依赖。
除了外部能源之外，数据中心也努力进行内部储能系统的改造，采用“HVDC+市电”的方案，替代传统的“UPS+市电”方案。
HVDC是High Voltage Direct Current，高压直流输电。“HVDC+市电”的可靠性和安全性更高，供电效率强于“UPS+市电”，是不间断电源的主流发展趋势。
现在很多数据中心服务商，重点打造柔性用能电力模块，把用电、备电、储能进行场景的设备整合和智能调动，形成数据中心能源网的本地路由器。说白了，就是从单一市电变为多能互补，什么电都能用，灵活适配。
值得一提的是，直流现在正成为更多数据中心的选择。因为直流的损耗更小，对电能的利用率更高，符合现在数据中心高算力下的高能耗需求。
我们重点看一下散热制冷。
数据中心传统的散热方式是风冷。由机房空调（CRAC）或机房空气处理单元（CRAH）产生的冷空气，通过送风通道，输送至设备所在位置，进行冷却。
以前的风冷，都是房间级，也就是对整个机房进行吹风制冷。这种方式制冷路径太长，效率太低。
现在流行的是池级、排级和机柜级风冷，也就是说，以一个机柜池、一排机柜或者单个机柜为中心，进行散热设计。
机柜排级散热，以一排机柜为对象，进行风道设计。
很显然，气流路径越短，散热效率越高。
除了风冷之外，现在逐渐开始流行水冷、液冷。
液体的导热能力是空气的25倍，相同体积下，液体带走的热量是空气的近3000倍。从噪音角度来看，同等散热水平下，液冷的噪音比风冷降低20-35分贝。从能耗的角度来看，液冷比风冷节约电量30%-50%。
液冷分为两种。一种是液体没有与散热器件进行直接接触的（只是参与热交换），还有一种是液体制冷剂直接与散热器件进行接触的（甚至是浸泡在制冷液中）。后者的制冷效率最高，几乎可以做到PUE为1.04（极限接近于1），但是成本和技术难度也最高。
数据中心还有几种制冷技术越来越火，例如背板空调和间接蒸发冷却等。
间接蒸发冷却空调
除了可再生能源和制冷技术创新之外，数据中心还采用了很多其它的节能减排手段。例如，大规模采用预制模块化数据中心，缩短建设工期，简化建设流程。
预制模块化数据中心
再例如，和基站一样，引入AI技术，对数据中心的能源管理和运维系统进行智能化升级，进行节能和健康度的建模，利用AI算法进行数据训练，最后形成最佳参数寻优。
█结语
面向未来，我们国家正处于数字经济加速启动的关键阶段。各行各业的数字化转型逐渐铺开，对ICT数字基础设施有强烈的需求。
如何在确保“双碳”目标的前提下，完成对这些需求的支撑，是摆在整个行业面前的难题。
希望行业企业能够继续加大节能领域的研发投入，探索出更多的节能技术创新，走出一条独具特色的“绿色通信”发展之路。
（全文完）
参考文献：
1.《5G能效，绿色新潮流》白皮书，GSMA、中兴
2.《新基建的新变量，“双碳”之下的绿色通信》，国盛证券
3.《5G 基站节能技术白皮书》，中移研究院
4.《数字能源十大趋势白皮书》，数字能源产业智库
5.《绿色5G白皮书》，华为
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