通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
根據(jù)運(yùn)營商財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)，2020 年，中國移動(dòng)的能耗費(fèi)用是 376.6 億元，中國電信 146.4 億元，中國聯(lián)通 129 億元。三大電信運(yùn)營商加在一起，是 652 億元。要知道，2020 年三大運(yùn)營商的利潤，一共也就 1411.48 億元。
▲ 三大電信運(yùn)營商的能耗費(fèi)用（單位：億元）
近年來，隨著 5G 和數(shù)據(jù)中心的規(guī)模建設(shè)，運(yùn)營商不僅投入了大量的建設(shè)資金，在能耗費(fèi)用方面也是開支甚巨，形成了沉重的成本負(fù)擔(dān)。
從下圖我們也可以看出，運(yùn)營商在 2020 年的能耗支出，相比前一年直接飆漲了 60 多億元，增速驚人。
不斷增加的通信網(wǎng)絡(luò)能耗，不僅意味著巨額的電費(fèi)，也意味著海量的碳排放量。
根據(jù)工信部估計(jì)，按目前的發(fā)展趨勢，2035 年中國 5G 和數(shù)據(jù)中心的碳排放總量將達(dá) 2.3~3.1 億噸，約占中國碳排放總量的 2~4%，相當(dāng)于北京目前全市二氧化碳排放量的兩倍。
眾所周知，我們國家在 2020 年明確提出了“雙碳”戰(zhàn)略，即 2030 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，嚴(yán)重阻礙了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。它不僅僅關(guān)系到運(yùn)營商的經(jīng)營業(yè)績，更影響了我們的生態(tài)環(huán)境，以及國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
那么，通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，到底該如何解決呢？我們該如何進(jìn)行節(jié)能減排？5G、數(shù)據(jù)中心這些“電老虎”，真的有辦法馴服嗎？
節(jié)能減排的思路演變
辦法當(dāng)然是有的。
事實(shí)上，通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排，業(yè)界已經(jīng)研究了很多年，并且也積累和沉淀了一些經(jīng)驗(yàn)和方法。
隨著時(shí)代的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模變得越來越大，能耗也越來越大。
于是，通信行業(yè)在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出了更宏觀、更科學(xué)的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排思路，歸納為兩個(gè)詞，分別是：網(wǎng)絡(luò)全生命周期、端到端。
所謂網(wǎng)絡(luò)全生命周期節(jié)能減排，是指在設(shè)計(jì)和規(guī)劃節(jié)能減排方案時(shí)，從宏觀上進(jìn)行整體規(guī)劃，覆蓋通信設(shè)備從研發(fā)、生產(chǎn)、建設(shè)到維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行全面提效降能。
而端到端，則是站在產(chǎn)品和設(shè)備類型的角度，將節(jié)能減排落實(shí)到終端、接入網(wǎng)（基站）、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)領(lǐng)域。
新的節(jié)能減排思路強(qiáng)調(diào)整體思維，以及多維度的協(xié)同合作，帶來了節(jié)能效率的大幅提升，逐漸被越來越多的運(yùn)營商和設(shè)備商接受，成為行業(yè)趨勢。
節(jié)能減排的具體舉措
接下來，我們就按照網(wǎng)絡(luò)全生命周期的角度，逐一介紹通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能舉措。
先看看產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。
在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)備功耗控制和改良，相當(dāng)于從源頭上進(jìn)行了節(jié)能減排。
這是效果最直接的方式，也是難度最大的方式，對企業(yè)的研發(fā)能力要求很高。企業(yè)需要需要投入大量的資源進(jìn)行創(chuàng)新和試錯(cuò)，這里面可以提升的空間也越來越小。
以 5G 基站為例。5G 基站的能耗問題，一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)橐肓?AAU 有源天線以及 Massive MIMO 技術(shù)，5G 基站的能耗相比 4G 有明顯的增加。5G 單站的功耗，大約是 4G 的 2.5~3.5 倍。（當(dāng)然了，我們也需要注意到，5G 的單位比特能耗是明顯下降的。也就是說，5G 的能效明顯高于 4G。）
▲ 2019 年 4G / 5G 基站功耗對比
為了壓低 5G 基站的工作功耗，設(shè)備商可以說是絞盡腦汁。
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，廠商們就需要將能耗指標(biāo)擺在和性能指標(biāo)同等重要的位置。
為了滿足能耗要求，他們會(huì)通過采用自研高性能芯片、更合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更先進(jìn)的材料和工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的極致能效。
接下來，是產(chǎn)品生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。
如何降低工業(yè)制造過程中的能耗，不僅是通信行業(yè)的問題，更是整個(gè)工業(yè)界的共性問題。
以往的節(jié)能方式，主要集中在設(shè)備的工藝升級和能源的改造替換上。
現(xiàn)在，這種方式的節(jié)能空間越來越小。于是，引入 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、MEC、AI 等多種數(shù)字智能技術(shù)，進(jìn)行智能制造，成為工業(yè)界的新選擇。
▲ 智能制造車間
智能制造實(shí)現(xiàn)了高度數(shù)字化、智能化、無人化，大幅提升了生產(chǎn)效率，減少了生產(chǎn)過程中的碳排放。
再接下來，我們重點(diǎn)說說通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維環(huán)節(jié)。這兩個(gè)環(huán)節(jié)現(xiàn)在是整個(gè)行業(yè)關(guān)注的節(jié)能減排重點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>
我們還是先看看基站側(cè)。
對于運(yùn)營商來說，5G 能耗的 70%，來自于 RAN（接入網(wǎng)）。因此，站點(diǎn)側(cè)的節(jié)能降耗，是他們的首要任務(wù)。
▲ 基站站點(diǎn)的能源模型（來自：GSMA，翻譯：鮮棗課堂）
基站的節(jié)能，通常包括以下幾種方式：站點(diǎn)組網(wǎng)方案的改進(jìn)，清潔能源的使用，AI 技術(shù)的引入，等等。
站點(diǎn)的集中化、綠色化、小型化，是這些年的主流趨勢。尤其是 C-RAN 被提出之后，隨著技術(shù)的升級，基站的組網(wǎng)部署方式開始發(fā)生明顯變化。
包括中興、華為在內(nèi)的主流設(shè)備商，都提出了極簡站點(diǎn)的方案。
方案中，基站的建設(shè)模式從分布式向集中式轉(zhuǎn)變，從幾何疊加向邏輯集成轉(zhuǎn)變。例如，設(shè)備小型化、集成化，將機(jī)房變機(jī)柜、機(jī)柜變桿站，盡量減少設(shè)備空間占用，減少機(jī)房數(shù)量，從而減少機(jī)房租賃成本以及空調(diào)費(fèi)用。
在能源方面，基站主要的節(jié)能舉措就是：采用大量的清潔能源，市電變綠電，降低電費(fèi)支出，減少碳排放。
具體的做法包括：
一、盡量采用太陽能光伏電源，實(shí)現(xiàn)太陽能、交流電源、蓄電池等多路供電保障。
白天高峰用電時(shí)段，由光伏與儲(chǔ)能電池設(shè)備供電，儲(chǔ)能電池利用夜間的低谷用電時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能，達(dá)到“削峰填谷”的目的。
▲ 安徽六安移動(dòng)的 5G 綠色基站
二、采用鋰電池代替鉛酸電池。
傳統(tǒng)的鉛酸電池面臨很多問題，如體積大、重量重、循環(huán)壽命短，且對環(huán)境要求嚴(yán)苛，溫度太高會(huì)縮減壽命、太低則影響使用性能。
相比之下，鋰電不僅體積小、重量輕，而且更環(huán)保。鋰電的能量體積密度和能量重量密度是鉛酸電池的 4-5 倍，循環(huán)壽命更是有 10-20 倍的提升。
▲ 圖片來源：面向 5G 的邊緣數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施白皮書
以往鋰電主要用于備電。現(xiàn)在，圍繞鋰電有了很多智能儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。
▲ 智能儲(chǔ)能系統(tǒng)（圖片來源：數(shù)字能源十大趨勢白皮書）
這類系統(tǒng)采用更精準(zhǔn)的電化學(xué)模型，引入數(shù)字化智能化技術(shù)，提升儲(chǔ)能管理精度，可以實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)更好的協(xié)同。它還可以針對階梯電價(jià)，進(jìn)行錯(cuò)峰用電管理，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰運(yùn)營效率最大化。
除了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和能源改造之外，對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能減排的最有效手段，就是“智能化運(yùn)維”。
也就是說，部署智能化的能源管理工具，通過多層級能效提升、預(yù)防性維護(hù)、多維度運(yùn)營管理等功能，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率，降低無效上站成本和站點(diǎn)宕站風(fēng)險(xiǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。
說到智能化，當(dāng)然離不開 AI。
AI 技術(shù)這幾年發(fā)展非常迅速，而通信技術(shù)對 AI 的引入，重點(diǎn)就在于運(yùn)維階段。
基于 AI 和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過智能算法對通信業(yè)務(wù)進(jìn)行預(yù)測、調(diào)度與分配，可以在保障用戶體驗(yàn)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)每比特的能耗最優(yōu)。
基站節(jié)能最有效的手段就是關(guān)斷。
前幾年，流行過這么一個(gè)說法，說運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)低峰期，會(huì)關(guān)閉 5G 基站，節(jié)約電費(fèi)。這個(gè)說法當(dāng)時(shí)引起了社會(huì)的一片嘩然。
其實(shí)，頻繁開關(guān)基站電源，對設(shè)備壽命的影響很大?，F(xiàn)在運(yùn)營商進(jìn)行設(shè)備關(guān)斷，并不是簡單地關(guān)掉整個(gè)設(shè)備的電源，而是基于對業(yè)務(wù)負(fù)荷的精準(zhǔn)分析和預(yù)測，進(jìn)行多維度多粒度的節(jié)能關(guān)斷。
換句話說，就是更聰明地關(guān)斷 —— 不關(guān)基站，可以關(guān)載波、關(guān)天線通道，甚至關(guān)子幀、關(guān)符號(hào)。
▲ 亞幀關(guān)斷
▲ 通道關(guān)斷
▲ 載波關(guān)斷
▲ 4G / 5G 共模基站協(xié)作關(guān)斷
數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排
除了基站之外，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，我也簡單和大家聊一聊。
隨著國家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的推出，數(shù)據(jù)中心成為了整個(gè)社會(huì)的關(guān)注重點(diǎn)。作為算力的主要載體，它同樣面對嚴(yán)峻的能耗問題。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020 年，全國數(shù)據(jù)中心共耗電 2045 億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的 2.7%，非常驚人。
▲ 圖片來源：《中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》
數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排方案，和基站有很多共通之處，例如新能源的引入，AI 運(yùn)維的采用。但是，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心本身的大體量、大規(guī)模特點(diǎn)，它的節(jié)能方案又有很多特殊的地方。
之前我介紹“東數(shù)西算”的時(shí)候說過，數(shù)據(jù)中心專門有一個(gè)指標(biāo)叫做 PUE（Power Usage Effectiveness，電能使用效率）。PUE = 數(shù)據(jù)中心總能耗 / IT 設(shè)備能耗，這個(gè)值越接近 1，則表明該數(shù)據(jù)中心的非 IT 設(shè)備耗能越少，即能效水平越高。
除了 IT 業(yè)務(wù)設(shè)備之外，數(shù)據(jù)中心最大的能耗開銷，集中在散熱制冷上。
所以，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能思路集中在兩個(gè)方面：
一、使用更清潔的電能，提高可再生能源比例；
二、采用新的制冷技術(shù)和方法，提高制冷效率。
可再生能源比例，這個(gè)就不用多說了。國家政策正在引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心建設(shè)往風(fēng)電、水電、太陽能更充沛的地區(qū)發(fā)展，就是為了更好地利用新能源，降低對化石能源的依賴。
除了外部能源之外，數(shù)據(jù)中心也努力進(jìn)行內(nèi)部儲(chǔ)能系統(tǒng)的改造，采用“HVDC + 市電”的方案，替代傳統(tǒng)的“UPS + 市電”方案。
HVDC 是 High Voltage Direct Current，高壓直流輸電?！癏VDC + 市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強(qiáng)于“UPS + 市電”，是不間斷電源的主流發(fā)展趨勢。
現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)中心服務(wù)商，重點(diǎn)打造柔性用能電力模塊，把用電、備電、儲(chǔ)能進(jìn)行場景的設(shè)備整合和智能調(diào)動(dòng)，形成數(shù)據(jù)中心能源網(wǎng)的本地路由器。說白了，就是從單一市電變?yōu)槎嗄芑パa(bǔ)，什么電都能用，靈活適配。
值得一提的是，直流現(xiàn)在正成為更多數(shù)據(jù)中心的選擇。因?yàn)橹绷鞯膿p耗更小，對電能的利用率更高，符合現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心高算力下的高能耗需求。
我們重點(diǎn)看一下散熱制冷。
數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的散熱方式是風(fēng)冷。由機(jī)房空調(diào)（CRAC）或機(jī)房空氣處理單元（CRAH）產(chǎn)生的冷空氣，通過送風(fēng)通道，輸送至設(shè)備所在位置，進(jìn)行冷卻。
以前的風(fēng)冷，都是房間級，也就是對整個(gè)機(jī)房進(jìn)行吹風(fēng)制冷。這種方式制冷路徑太長，效率太低。
現(xiàn)在流行的是池級、排級和機(jī)柜級風(fēng)冷，也就是說，以一個(gè)機(jī)柜池、一排機(jī)柜或者單個(gè)機(jī)柜為中心，進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。
機(jī)柜排級散熱，以一排機(jī)柜為對象，進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)。
很顯然，氣流路徑越短，散熱效率越高。
除了風(fēng)冷之外，現(xiàn)在逐漸開始流行水冷、液冷。
液體的導(dǎo)熱能力是空氣的 25 倍，相同體積下，液體帶走的熱量是空氣的近 3000 倍。從噪音角度來看，同等散熱水平下，液冷的噪音比風(fēng)冷降低 20-35 分貝。從能耗的角度來看，液冷比風(fēng)冷節(jié)約電量 30%-50%。
液冷分為兩種。一種是液體沒有與散熱器件進(jìn)行直接接觸的（只是參與熱交換），還有一種是液體制冷劑直接與散熱器件進(jìn)行接觸的（甚至是浸泡在制冷液中）。后者的制冷效率最高，幾乎可以做到 PUE 為 1.04（極限接近于 1），但是成本和技術(shù)難度也最高。
數(shù)據(jù)中心還有幾種制冷技術(shù)越來越火，例如背板空調(diào)和間接蒸發(fā)冷卻等。
▲ 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)
除了可再生能源和制冷技術(shù)創(chuàng)新之外，數(shù)據(jù)中心還采用了很多其它的節(jié)能減排手段。例如，大規(guī)模采用預(yù)制模塊化數(shù)據(jù)中心，縮短建設(shè)工期，簡化建設(shè)流程。
▲ 預(yù)制模塊化數(shù)據(jù)中心
再例如，和基站一樣，引入 AI 技術(shù)，對數(shù)據(jù)中心的能源管理和運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級，進(jìn)行節(jié)能和健康度的建模，利用 AI 算法進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，最后形成最佳參數(shù)尋優(yōu)。
結(jié)語
面向未來，我們國家正處于數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速啟動(dòng)的關(guān)鍵階段。各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型逐漸鋪開，對 ICT 數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施有強(qiáng)烈的需求。
如何在確?！半p碳”目標(biāo)的前提下，完成對這些需求的支撐，是擺在整個(gè)行業(yè)面前的難題。
希望行業(yè)企業(yè)能夠繼續(xù)加大節(jié)能領(lǐng)域的研發(fā)投入，探索出更多的節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，走出一條獨(dú)具特色的“綠色通信”發(fā)展之路。
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