2020年12月28日 | 5G时代的能源“黑洞”如何填补？

近日，诺基亚和Telefonica一直在对各种不同的负载流量场景进行监测，观察RAN中每Mbps消耗的能量。他们的报告表示，与传统的4G网络相比，它的效率“高达”90%。

据估计，到2030年，与现有的蜂窝网络相比，5G生态系统的电力需求将增加160%。

诺基亚和Telefonica将这种“显著”进步，归功于基站和网络本身的一些软硬件功能。他们参考了小型蜂窝网络部署、新的5G架构和协议、以及人工智能应用，这些都是必须部署和组合起来真正能提高无线网络能源效率的特点。

过去三个月在西班牙电信网络上进行的试验——基于诺基亚AirScale基站组合和大规模MIMO天线表明，5G每Bit携带的比特数比以往任何一代蜂窝技术都多。这使得5G本身更加环保。

当然，为了进一步提高能源效率和减少二氧化碳排放，还有很多工作需要做。不幸的是，随着5G网络和现场部署的实施，预计数据流量将大幅增加，这是不可避免的必然结果。

全球移动通信系统联盟(GSMA)最近的一份报告强调了这一问题。由于5G网络“将不可避免地需要更多的站点和天线”来满足需求，运营商将面临“重大挑战”。

在市场研究集团ABI的一份报告中，分析师们认为，到2030年，5G生态系统的电力需求可能会比现有的蜂窝网络增长160%。

ABI首席分析师Don Alusha指出:“这在一定程度上归因于网络密集和大规模MIMO技术的实施。”

当然，随着时间的推移，MIMO技术硬件的改进将会使得设备能够在同一时间和频率服务更多的用户。空间多路复用的使用允许能量消耗被分配给更多的用户。

GSMA的这份报告题为《5G energy efficiency: Green is the new Black》。报告指出，这种致密化是不可避免的，诺基亚、爱立信、华为和中兴等大型移动基础设施供应商需要探索一切可能的手段，确保能源消费不会出现指数级增长。

“到目前为止，还没有人提出更好的办法，但这些公司都强调利用AI和软件可以让网络在最佳时期处于‘睡眠模式’，从而在低流量情况下关闭网络。GSMA情报部门的研究主管Tim Hatt：“他们也在可再生能源方面下功夫。”

Hatt表示，设备供应商“似乎已经开始在竞标合同时把提高能效作为一种竞争优势”。

例如，华为欧洲战略与政策主管曹辉称，华为5G基础设施设备的平均用电量比竞争对手低20%。

在产业链下游，Hatt赞扬了专注于该行业的零部件供应商所取得的进步。“高通、博通、三星、联发科、英特尔等公司都在为了专注于降低天线和网络设备的功耗和效率，研发新型芯片组和射频设备。”

或许我们不应该对此感到惊讶:毕竟在过去的几十年里，计算机处理器的效率已经大大提高，耗电量也明显减少，因此电信设备中使用的模拟电路和数字电路也在顺应这一趋势。 

Hatt强调，能源消耗已经占到运营商网络成本的25%，通常占运营商总能源消耗的90%。“加之不断增长的频谱成本、资本投资和持续的维护升级，这意味着运营商要想从中获利，必须在网络中采取的节能措施。”

尤其是在欧洲和美国，几乎所有的运营商都承诺将在未来几年减少能源消耗和有害气体排放，从而获得碳披露项目(CDP)“A”名单的认可。截至去年，在182家上市公司中，只有8家是电信运营商。

GSMA报告指出，Verizon 85%的能源消耗来自网络，包括基站、数据中心和交换中心。沃达丰和西班牙电信的这一比例甚至更高，达到89%。

Hatt还强调，5G在能效方面的最大挑战或许在于使用案例的增长。GSMA表示，在提高能效的措施中，需要关注移动设备的电池寿命，加快减缓2G和3G网络，加速创新锂离子电池解决方案，以及现场层面的冷却系统。

与此同时，基础设施和辅助设备供应商已经在推动自己的创新，这些创新往往是定制的。例如，诺基亚推出了一项名为AVA基于AI的能源效率服务，据称可以将运营商的能源成本“最多”降低20%。

该服务将通过云提供，当运营商发现流量移动特别低时，它允许关闭部分无线网络。机器学习算法将确保在不影响网络质量的情况下最大限度地节省能源。 

该公司表示，一些世界各地的运营商已经在使用该服务，它提供了多种模式，包括独立的服务选项，或作为更广泛的托管服务一部分。有趣的是，付费可以与服务为运营商提供的实际节省费用相关联。

Scandinavian的主要竞争对手爱立信也一直在推动电信行业解决相关问题。在今年早些时候发布的一份名为“Breaking the Energy Curve”的报告中，该公司概述了一系列创新，并在网络规划思维模式上进行了细微改变，宣称在不增加能源消耗的情况下可以使数据流量翻四番。

爱立信可持续发展部门负责人Mats pellbacks - scharp表示:“5G代表了一系列全新的问题和潜在的解决方案，我们可以让它比前几代产品更节能。”

“通过仔细和详细的测试和分析，并使用一个整体的方法，有可能实现我们的节能目标。”

Scharp表示，有了5G，通信行业或许有机会“回归基本”。最重要的是，你需要准备好网络。在这种方法中，我们看到了四个至关重要的构建模块:

提供最新技术解决方案;

激活节能软件;

精确建立和推广新技术;

以更智能的方式运营网络基础设施。

“我们认为，简单地增加新设备和保留现有网络设备并不是什么好办法。随着5G的发展，这种方式需要改变。我们的初衷是以不同的方式提供一个完整的网络方法。”

Pellback-Scharp强调:“我们的客户通常在低通信量地区体验到最高的能耗，因为很多设备几乎一直在后台运行。然而，这些网站通常只承载了总流量的20%左右。这显然会导致效率低下。”

爱立信的专家表示，相反，中高流量区域通常占流量站点的30%，但通常承载高达75%的流量。

所以，供应商要想获得更好的5G潜能，就需要改变这种方式，尤其是在众多用例方面。该报告讨论了将最合适的资源精确地部署到需要它们的地方是至关重要的。只有这样，服务提供商才能够满足大部分需求，例如在更密集的交通区段通过大规模MIMO，并避免在交通较少的地区使用尺寸过大的设备。

Pellback-Scharp认为，考虑到5G网络将有多达8个频率需要应对，其中3-4个低频频率，2个中频频率，另外2个高频频率。为了高效运营，供应商需要评估如何才能最好地利用频谱资源。

Pellback-Scharp：“动态频谱共享，以及专注于更精简、多功能的5G无线系统也将发挥关键作用，这既有助于实现5G网络的重要能力，同时也有助于保持能源效率。”

他指出，最新的5G系统将能够提供这样的频谱共享，并允许4G和5G通信在同一块硬件上进行。

其他更侧重于软件和人工智能所谓技术将能够在5G网络领域产生更重大影响，这些技术已经被提及。也许最重要的将是深度睡眠模式的部署。指的是在没有流量的情况下有选择地关闭一个或多个设备。

这种技术已经在4G中得到了应用，但由于无线接口的设计，其有效性受到了限制。然而，5G的情况发生了巨大变化，所以可以使用所有四种指定的睡眠模式，而不仅仅局限于第一种模式。

5G提供了在非交通条件下提供无传输时隙的配置，从而能够激活所有更先进的节能睡眠模式。一般来说，这将取决于运营商在网络性能和能耗之间建立一个折衷方案。

第一级包括在适当的时候关闭功率放大器，这样可以节省20%的能源消耗。在第2级和第3级，射频级的某些部分和天线的数字部分可以进入休眠状态，据说这可以节省达到50%。有数据表明，由于这些技术从一开始就被整合到规范和技术中，5G网络每千兆比特传输的能量消耗将是4G网络的十分之一。然而，大多数运营商认为，到2025年以后才能获得全部收益。

在5G网络中部署大规模MIMO，预计能源效率会略低。与前几代的情况不同，它们只是在通信波束的方向上传输信号。由于可以同时使用多个波束，每个波束都可以重用单元的频率，因此MIMO能够提供更高的吞吐量，从而提高效率。

得益于它们紧密集成的设计，这种天线通过结合无线电元素、模拟电路和包括用于波束管理的数字电路，将功率放大器集中在天线罩上。

因此，虽然5G肯定会大大增加移动领域的能源消耗，但大量的进步将使得更多天线和基站产生的影响最小化，实际上可能会带来更好的能源效率。

然而，目前还没有定论。

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气候变化治理包括减排责任和单独的贡献。