5G 網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)現(xiàn)狀研究

方 嵐，張曉龍，陳瞿明

（三維通信股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，社會(huì)各界對(duì)高速、高質(zhì)量、低能耗通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益增長(zhǎng)。為應(yīng)對(duì)這一需求，5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。5G 網(wǎng)絡(luò)不僅具備超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，還具備更低的時(shí)延、更高的可靠性和更廣的連接密度。然而，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的擴(kuò)大，其能源消耗和碳排放問(wèn)題日益嚴(yán)峻。因此，研究5G網(wǎng)絡(luò)的綠色通信技術(shù)，以提高網(wǎng)絡(luò)的能效，降低對(duì)環(huán)境的影響，具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

5G 網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)的快速部署，極大提升了數(shù)據(jù)傳輸速度。然而，相較于4G 基站，5G 基站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的高能耗問(wèn)題也日益凸顯。根據(jù)中國(guó)鐵塔發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，各主流廠商5G 基站單系統(tǒng)的典型功耗遠(yuǎn)高于4G 系統(tǒng)。例如，華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司的5G 基站功耗分別為3 500 W、3 255 W、4 940 W。而4G 基站的功耗通常在1 300 W 左右，這意味著5G 基站的功耗是4G 的3 ～4 倍。能耗的增加嚴(yán)重影響著運(yùn)營(yíng)成本和環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。因此，綠色通信技術(shù)成為研發(fā)重點(diǎn)，通過(guò)創(chuàng)新降低5G 基站的能源消耗，以?xún)?yōu)化能效[1]。

在5G 網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)的研究領(lǐng)域，大規(guī)模多輸入多輸出（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）技術(shù)是關(guān)鍵。該技術(shù)通過(guò)使用多種天線元件來(lái)提高頻譜效率和能效，盡管可以降低數(shù)據(jù)的傳輸功耗，但計(jì)算成本較高，會(huì)增加基站的總體能耗。因此，需要尋找能夠有效平衡高效數(shù)據(jù)傳輸和控制計(jì)算資源消耗的方法。例如，利用人工智能算法對(duì)Massive MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性管理和自適應(yīng)控制，以便在不犧牲網(wǎng)絡(luò)性能的情況下實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約[2]。

此外，不同狀態(tài)下基站的能耗差異也是研究焦點(diǎn)。根據(jù)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，5G 基站空載態(tài)和滿載態(tài)的功耗分別為2.2 ～2.3 kW 和3.7 ～3.9 kW，遠(yuǎn)超4G 時(shí)代。5G 基站即使在傳輸負(fù)載較低時(shí)也保持較高的能耗，因此研究者需要開(kāi)發(fā)能夠根據(jù)實(shí)際流量需求動(dòng)態(tài)調(diào)整資源配置的技術(shù)，如軟件定義的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，使基站能夠按需激活和休眠，從而節(jié)省能源。

5G 網(wǎng)絡(luò)基站的室內(nèi)基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）的功耗特性促使研究者考慮新的設(shè)計(jì)與管理方法。由于BBU 的功率相對(duì)穩(wěn)定，而AAU 的功耗會(huì)隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷的增加而大幅提升，因此研究應(yīng)集中于優(yōu)化AAU的能效。例如，改善功率放大器的設(shè)計(jì)、采用新型低損耗材料、開(kāi)發(fā)更精確的負(fù)載匹配技術(shù)等。隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)BBU 和AAU 之間更靈活的能源共享與協(xié)調(diào)控制，也是提升基站整體能效的潛在途徑[3]。

為應(yīng)對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)推廣帶來(lái)的能效挑戰(zhàn)，需要積極探索并研究綠色通信技術(shù)。從硬件到軟件，從資源管理到成本控制，相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步將為建立更加高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的5G 生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。隨著5G技術(shù)的不斷成熟，綠色通信所依托的綜合技術(shù)創(chuàng)新也將持續(xù)推進(jìn)，為可持續(xù)發(fā)展的信息社會(huì)提供強(qiáng)有力的支撐。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)綠色通信技術(shù)應(yīng)用策略

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化中，可采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)，以提高網(wǎng)絡(luò)能效。SDN 技術(shù)通過(guò)中央控制器來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)流量和資源分配，動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)路徑和帶寬，以滿足實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)需求，降低能耗。SDN 結(jié)構(gòu)主要分為應(yīng)用層、控制層、基礎(chǔ)設(shè)施層3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時(shí)，NFV 將傳統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M化服務(wù)，并運(yùn)行在通用服務(wù)器上，以降低設(shè)備成本，提高資源利用率，使網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況進(jìn)行縮放，避免在低峰期浪費(fèi)資源[4-5]。

圖1 SDN 結(jié)構(gòu)

基站部署策略采取能源感知的小區(qū)塑造技術(shù)，以降低能耗。通過(guò)精確預(yù)測(cè)用戶(hù)位置和數(shù)據(jù)需求，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整小區(qū)范圍，即在數(shù)據(jù)需求高峰時(shí)自動(dòng)擴(kuò)大覆蓋范圍，在低流量時(shí)縮小覆蓋范圍，以降低輻射功率和基站運(yùn)行能耗。此外，引入小型基站和邊緣計(jì)算技術(shù)也能進(jìn)一步降低能耗。小型基站具有小尺寸和低功耗特性，適合部署在用戶(hù)密集區(qū)域，以減輕宏基站的負(fù)擔(dān)。而邊緣計(jì)算則通過(guò)數(shù)據(jù)處理的本地化，縮短了數(shù)據(jù)傳輸距離，從而降低延遲，提升能效。

深度學(xué)習(xí)算法的引入也為5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綠色優(yōu)化提供了新的思路。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、用戶(hù)行為和環(huán)境變量的深度學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可以更好地預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并做出智能決策，如自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能和基站單元、調(diào)整信號(hào)的發(fā)送功率，以達(dá)到降低整體網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。深度學(xué)習(xí)算法的實(shí)時(shí)優(yōu)化機(jī)制能夠確保網(wǎng)絡(luò)在滿足服務(wù)質(zhì)量的前提下，盡可能降低能源消耗。此外，可采用靈活的頻率復(fù)用技術(shù)，如非正交多址接入（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)，能夠提高頻譜利用效率。該技術(shù)允許多個(gè)用戶(hù)在同樣的時(shí)間、頻率資源上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此能夠顯著提升單位能耗的數(shù)據(jù)吞吐量。同時(shí)，通過(guò)使用更高效的編碼和調(diào)制方案，如低密度奇偶校驗(yàn)（Low Density Parity Check Code，LDPC）碼和高階正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方案，可以在不增加額外能源消耗的情況下，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

此外，可使用具有低傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的新型半導(dǎo)體材料，如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等。在電力放大器中使用這些材料，可以降低基站硬件的能耗。同時(shí)，采用高效的散熱設(shè)計(jì)和能源回收技術(shù)，如液冷系統(tǒng)和熱力發(fā)電，可以進(jìn)一步提升基站設(shè)備的能源利用率，減少因散熱而產(chǎn)生的能量浪費(fèi)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化

5G 網(wǎng)絡(luò)的綠色通信技術(shù)在部署優(yōu)化方面重點(diǎn)關(guān)注提升能源利用率和減少不必要的功耗。例如，運(yùn)用小區(qū)休眠策略能夠顯著降低網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)段的能耗。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)需求和流量模式，網(wǎng)絡(luò)可以智能地關(guān)閉或使暫時(shí)不活躍的小區(qū)轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，從而節(jié)約電能。此外，通過(guò)精確預(yù)測(cè)用戶(hù)行為模式與位置，可以提前準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)資源，從而避免在高峰時(shí)段因突發(fā)流量導(dǎo)致資源過(guò)度分配。

將可再生能源系統(tǒng)（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）深度整合在5G 基站中，是進(jìn)一步推進(jìn)綠色通信的策略之一。設(shè)計(jì)并安裝合適的光伏板和小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，可以為基站供應(yīng)所需的部分或全部電力。隨著可再生能源技術(shù)成本的持續(xù)下降，這種整合方式變得越來(lái)越經(jīng)濟(jì)實(shí)用。同時(shí)，采用智能能源管理系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)能源供給與消耗，確保最大化利用可再生能源，并根據(jù)能源生成情況和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)控能源流。此外，針對(duì)5G 頻段的特性，設(shè)計(jì)更加高效的波束成形技術(shù)和MIMO 配置可以提升信號(hào)傳輸效率，從而減少功率的損失。通過(guò)及時(shí)更新天線材料，如采用更輕、更小、散熱性能更好的材料，有助于減輕結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，降低能耗。

通過(guò)部署密集的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和能源消耗。在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，可以減少長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑥亩鴾p輕核心網(wǎng)絡(luò)的壓力。通過(guò)本地處理大量數(shù)據(jù)，邊緣計(jì)算使得能源消耗更多地集中在用戶(hù)附近，而非遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心。此外，可采用超導(dǎo)或低阻材料，以改善連接線路和電子元件的導(dǎo)電能力，降低能耗。這類(lèi)材料可以減少電流傳輸過(guò)程中的能量損失，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的能效。

由于5G基站高速運(yùn)行產(chǎn)生的熱量比4G基站要多，因此需要采取更有效的散熱解決方案，確保設(shè)備運(yùn)行在最佳溫度，減少由過(guò)熱造成的能源浪費(fèi)。例如，可采用先進(jìn)的液冷或風(fēng)冷系統(tǒng)，甚至是相變材料來(lái)吸收和分散熱能。

2.3 資源調(diào)度優(yōu)化

在5G 網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度優(yōu)化中，必須綜合考慮用戶(hù)需求、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）和能耗。首先，實(shí)現(xiàn)高效的資源分配是減少能耗的基礎(chǔ)。這可以通過(guò)使用基于預(yù)測(cè)的資源分配算法來(lái)完成，如利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測(cè)用戶(hù)行為和服務(wù)需求；利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)分析等方法，為高速移動(dòng)用戶(hù)和靜態(tài)用戶(hù)分配不同的時(shí)間頻率資源，從而降低功耗，提高信號(hào)質(zhì)量。這種預(yù)測(cè)模型可以有效減少資源空閑所導(dǎo)致的浪費(fèi)，并在用戶(hù)需求增加時(shí)迅速響應(yīng)，保證服務(wù)質(zhì)量。其次，采用動(dòng)態(tài)波束成形技術(shù)。例如，Massive MIMO系統(tǒng)中的波束成形技術(shù)可以將信號(hào)聚焦在特定用戶(hù)上，縮小輻射區(qū)域，從而減少功耗。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整波束形狀和方向，以適應(yīng)用戶(hù)位置和需求變化，優(yōu)化資源使用。此外，利用能源收集技術(shù)，即允許基站利用環(huán)境能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）進(jìn)行自我供電。結(jié)合能耗預(yù)測(cè)模型，基站可以根據(jù)能量收集效率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況智能調(diào)度傳輸功率和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，如在能量收集高效時(shí)段內(nèi)擴(kuò)大服務(wù)范圍或提供更高質(zhì)量的連接，而在效率低下時(shí)段采取節(jié)能措施。再次，為不同服務(wù)類(lèi)型創(chuàng)建專(zhuān)屬的網(wǎng)絡(luò)切片，并針對(duì)每個(gè)切片優(yōu)化其資源配置，以平衡服務(wù)的最優(yōu)性能與最低能耗。例如，對(duì)于高吞吐量的視頻流服務(wù)和低延遲的緊急服務(wù)，可以分別采用不同的資源配置策略，以實(shí)現(xiàn)能效與服務(wù)質(zhì)量的雙重優(yōu)化。最后，協(xié)同通信也是降低能耗的重要方法。多個(gè)基站或接入點(diǎn)之間相互合作，共享信息和資源，以避免信號(hào)重復(fù)覆蓋和干擾，從而降低功耗。例如，用戶(hù)設(shè)備位于多個(gè)基站重疊覆蓋區(qū)域時(shí)，選擇最佳基站提供服務(wù)，并降低其他基站的發(fā)射功率，以降低總體能耗。

3 結(jié) 論

綠色通信技術(shù)在5G 網(wǎng)絡(luò)中的研究和應(yīng)用是當(dāng)前通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)計(jì)低功耗的終端設(shè)備、改進(jìn)功率控制策略等手段，可以有效降低5G 網(wǎng)絡(luò)的能耗和碳排放。但目前仍存在一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的限制，需要進(jìn)一步研究和探索解決方案。因此，未來(lái)的研究工作應(yīng)聚焦于綠色通信技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，以推動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)朝著更加環(huán)保、高效的方向發(fā)展。