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为了省电,通信网络到底有多拼?

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。

如何降低工业制造过程中的能耗,不仅是通信行业的问题,更是整个工业界的共性问题。

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。

再接下来,我们重点说说通信网络建设和运维环节。这两个环节现在是整个行业关注的节能减排重点,发展潜力很大。

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

通道关断

载波关断

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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作者:小枣君
原始发表时间:2022-03-28
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