資料來源：鮮棗課堂（xzclasscom）
作者：小棗君
物聯網智庫 轉載
導讀
近年來，随着5G和資料中心的規模建設，營運商不僅投入了大量的建設資金，在能耗費用方面也是開支甚巨，形成了沉重的成本負擔。
通信網絡的能耗問題，一直都是人們關注的焦點。
根據營運商财報資料，2020年，中國移動的能耗費用是376.6億元，中國電信146.4億元，中國聯通129億元。三大電信營運商加在一起，是652億元。要知道，2020年三大營運商的利潤，一共也就1411.48億元。
三大電信營運商的能耗費用（機關：億元）
近年來，随着5G和資料中心的規模建設，營運商不僅投入了大量的建設資金，在能耗費用方面也是開支甚巨，形成了沉重的成本負擔。
從下圖我們也可以看出，營運商在2020年的能耗支出，相比前一年直接飙漲了60多億元，增速驚人。
不斷增加的通信網絡能耗，不僅意味着巨額的電費，也意味着海量的碳排放量。
根據工信部估計，按目前的發展趨勢，2035年中國5G和資料中心的碳排放總量将達2.3~3.1億噸，約占中國碳排放總量的2~4%，相當于北京目前全市二氧化碳排放量的兩倍。
衆所周知，我們國家在2020年明确提出了“雙碳”戰略，即2030年實作“碳達峰”、2060年實作“碳中和”。通信網絡的能耗問題，嚴重阻礙了“雙碳”戰略目标的實作。它不僅僅關系到營運商的經營業績，更影響了我們的生态環境，以及國家社會經濟的可持續發展。
那麼，通信網絡的能耗問題，到底該如何解決呢？我們該如何進行節能減排？5G、資料中心這些“電老虎”，真的有辦法馴服嗎？
節能減排的思路演變
辦法當然是有的。
事實上，通信網絡的節能減排，業界已經研究了很多年，并且也積累和沉澱了一些經驗和方法。
随着時代的快速發展，通信網絡的規模變得越來越大，能耗也越來越大。
于是，通信行業在傳統經驗方法的基礎上，提出了更宏觀、更科學的通信網絡節能減排思路，歸納為兩個詞，分别是：網絡全生命周期、端到端。
所謂網絡全生命周期節能減排，是指在設計和規劃節能減排方案時，從宏觀上進行整體規劃，覆寫通信裝置從研發、生産、建設到維護的各個環節，進行全面提效降能。
而端到端，則是站在産品和裝置類型的角度，将節能減排落實到終端、接入網（基站）、承載網、核心網、資料中心等通信網絡的各個領域。
新的節能減排思路強調整體思維，以及多元度的協同合作，帶來了節能效率的大幅提升，逐漸被越來越多的營運商和裝置商接受，成為行業趨勢。
節能減排的具體舉措
接下來，我們就按照網絡全生命周期的角度，逐一介紹通信網絡的節能舉措。
先看看産品研發設計環節。
在産品研發設計階段進行裝置功耗控制和改良，相當于從源頭上進行了節能減排。
這是效果最直接的方式，也是難度最大的方式，對企業的研發能力要求很高。企業需要需要投入大量的資源進行創新和試錯，這裡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，一直都是人們關注的焦點。因為引入了AAU有源天線以及Massive MIMO技術，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。（當然了，我們也需要注意到，5G的機關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
資料來源：《新基建的新變量，“雙碳”之下的綠色通信》
為了壓低5G基站的工作功耗，裝置商可以說是絞盡腦汁。
在産品設計階段，廠商們就需要将能耗名額擺在和性能名額同等重要的位置。
為了滿足能耗要求，他們會通過采用自研高性能晶片、更合理的産品結構設計、更先進的材料和工藝，實作産品的極緻能效。
舉個中興通訊的例子。中興通訊是全球無線系統裝置的核心供貨商，每年要向客戶傳遞數十萬個5G基站。是以，他們對5G基站的能耗名額非常重視。
他們通過自研高內建度、高性能基帶處理、數字中頻處理晶片，配合使用高內建度收發信機，不斷優化電路設計和DPD處理，有效提升功放效率，全面降低5G AAU裝置的整機能耗。
中興通訊的基站産品
5G功放是基站核心器件，中興通訊采用GaN+技術配合硬體算法改進，使功放效率達到55%以上。
在新工藝和新材料上，中興通訊通過優化AAU導熱散熱性能，減低重量，采用創新的V型仿生散熱齒結合新材料及超輕架構，提升了20%的散熱效率。
華為去年釋出了綠色5G網絡的能效評估體系——E2（Energy Efficiency）。在接入網方面，華為認為，5G射頻向超大規模天線陣列演進，使能空間波束集中，提升了能量傳輸效率。
此外，華為還提出，射頻有源部分采用多通道技術提升裝置容量，也可以大幅提升裝置的比特能效。此外，通過高效超寬帶功放及通道技術的使用，将多個單頻裝置融合成一個超寬頻裝置，也能夠大幅減少裝置部署數量和成本，降低裝置能耗。
接下來，是産品生産制造環節。
如何降低工業制造過程中的能耗，不僅是通信行業的問題，更是整個工業界的共性問題。
以往的節能方式，主要集中在裝置的工藝更新和能源的改造替換上。
現在，這種方式的節能空間越來越小。于是，引入5G、工業網際網路、MEC、AI等多種數字智能技術，進行智能制造，成為工業界的新選擇。
智能制造工廠中的房間
智能制造實作了高度數字化、智能化、無人化，大幅提升了生産效率，減少了生産過程中的碳排放。
再接下來，我們重點說說通信網絡建設和運維環節。這兩個環節現在是整個行業關注的節能減排重點，發展潛力很大。
我們還是先看看基站側。
對于營運商來說，5G能耗的70%，來自于RAN（接入網）。是以，站點側的節能降耗，是他們的首要任務。
基站站點的能源模型（來自：GSMA，翻譯：鮮棗課堂）
基站的節能，通常包括以下幾種方式：站點組網方案的改進，清潔能源的使用，AI技術的引入，等等。
站點的集中化、綠色化、小型化，是這些年的主流趨勢。尤其是C-RAN被提出之後，随着技術的更新，基站的組網部署方式開始發生明顯變化。
包括中興、華為在内的主流裝置商，都提出了極簡站點的方案。
方案中，基站的建設模式從分布式向集中式轉變，從幾何疊加向邏輯內建轉變。例如，裝置小型化、內建化，将機房變機櫃、機櫃變杆站，盡量減少裝置空間占用，減少機房數量，進而減少機房租賃成本以及空調費用。
在能源方面，基站主要的節能舉措就是：采用大量的清潔能源，市電變綠電，降低電費支出，減少碳排放。
具體的做法包括：
一、盡量采用太陽能光伏電源，實作太陽能、交流電源、蓄電池等多路供電保障。
白天高峰用電時段，由光伏與儲能電池裝置供電，儲能電池利用夜間的低谷用電時段進行儲能，達到“削峰填谷”的目的。
安徽六安移動的5G綠色基站
二、采用锂電池代替鉛酸電池。
傳統的鉛酸電池面臨很多問題，如體積大、重量重、 循環壽命短，且對環境要求嚴苛，溫度太高會縮減壽命、 太低則影響使用性能。
相比之下，锂電不僅體積小、重量輕，而且更環保。锂電的能量體積密度和能量重量密度是鉛酸電池的4-5倍，循環壽命更是有10-20倍的提升。
圖檔來源：面向5G的邊緣資料中心基礎設施白皮書
以往锂電主要用于備電。現在，圍繞锂電有了很多智能儲能系統方案。
智能儲能系統（圖檔來源：數字能源十大趨勢白皮書）
這類系統采用更精準的電化學模型，引入數字化智能化技術，提升儲能管理精度，可以實作和電網更好的協同。它還可以針對階梯電價，進行錯峰用電管理，實作錯峰營運效率最大化。
除了網絡架構和能源改造之外，對通信網絡進行節能減排的最有效手段，就是“智能化運維”。
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、預防性維護、多元度營運管理等功能，提升網絡運維效率，降低無效上站成本和站點宕站風險，減少網絡維護費用。
說到智能化，當然離不開AI。
AI技術這幾年發展非常迅速，而通信技術對AI的引入，重點就在于運維階段。
基于AI和大資料技術，通過智能算法對通信業務進行預測、排程與配置設定，可以在保障使用者體驗的前提下，能夠實作每比特的能耗最優。
基站節能最有效的手段就是關斷。
前幾年，流行過這麼一個說法，說營運商在網絡低峰期，會關閉5G基站，節約電費。這個說法當時引起了社會的一片嘩然。
其實，頻繁開關基站電源，對裝置壽命的影響很大。現在營運商進行裝置關斷，并不是簡單地關掉整個裝置的電源，而是基于對業務負荷的精準分析和預測，進行多元度多粒度的節能關斷。
換句話說，就是更聰明地關斷——不關基站，可以關載波、關天線通道，甚至關子幀、關符号。
亞幀關斷
通道關斷
載波關斷
4G/5G共模基站協作關斷
以中興的PowerPilot智能節電方案為例。它可以實作符号級、通道級和載波級關斷，針對差異化覆寫場景、時段和基站負荷，實作站點級多層次的節電。
它還能夠通過網絡話務、配置資訊分析，主動識别節能場景，比對不同次元的節能功能，實作節能“一站一策”，準确預測網絡話務負荷趨勢，進一步挖掘網絡級的節能效率。
華為的PowerStar2.0解決方案，也是一種基于業務變化，實時調整頻譜、載波等網絡資源配置設定的智能節電方案。
它在關斷資源類型、關斷時長和運維效率上，對節能手段進行全方位提升，多元協同實作節能和網絡性能雙優。
資料中心的節能減排
除了基站之外，資料中心的節能減排，我也簡單和大家聊一聊。
随着國家“東數西算”戰略的推出，資料中心成為了整個社會的關注重點。作為算力的主要載體，它同樣面對嚴峻的能耗問題。根據資料顯示，2020年，全國資料中心共耗電2045億千瓦時，占全社會用電量的2.7%，非常驚人。
圖檔來源：《中國資料中心能耗與可再生能源使用潛力研究》
資料中心的節能減排方案，和基站有很多共通之處，例如新能源的引入，AI運維的采用。但是，因為資料中心本身的大體量、大規模特點，它的節能方案又有很多特殊的地方。
之前我介紹“東數西算”的時候說過，資料中心專門有一個名額叫做PUE（Power Usage Effectiveness，電能使用效率）。PUE=資料中心總能耗/IT裝置能耗，這個值越接近1，則表明該資料中心的非IT裝置耗能越少，即能效水準越高。
除了IT業務裝置之外，資料中心最大的能耗開銷，集中在散熱制冷上。
是以，資料中心的節能思路集中在兩個方面：一、使用更清潔的電能，提高可再生能源比例；二、采用新的制冷技術和方法，提高制冷效率。
可再生能源比例，這個就不用多說了。國家政策正在引導資料中心建設往風電、水電、太陽能更充沛的地區發展，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，資料中心也努力進行内部儲能系統的改造，采用“HVDC+市電”的方案，替代傳統的“UPS+市電”方案。
HVDC是High Voltage Direct Current，高壓直流輸電。“HVDC+市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強于“UPS+市電”，是不間斷電源的主流發展趨勢。
現在很多資料中心服務商，重點打造柔性用能電力子產品，把用電、備電、儲能進行場景的裝置整合和智能調動，形成資料中心能源網的本地路由器。說白了，就是從單一市電變為多能互補，什麼電都能用，靈活适配。
值得一提的是，直流現在正成為更多資料中心的選擇。因為直流的損耗更小，對電能的使用率更高，符合現在資料中心高算力下的高能耗需求。
我們重點看一下散熱制冷。
資料中心傳統的散熱方式是風冷。由機房空調（CRAC）或機房空氣處理單元（CRAH）産生的冷空氣，通過送風通道，輸送至裝置所在位置，進行冷卻。
以前的風冷，都是房間級，也就是對整個機房進行吹風制冷。這種方式制冷路徑太長，效率太低。
現在流行的是池級、排級和機櫃級風冷，也就是說，以一個機櫃池、一排機櫃或者單個機櫃為中心，進行散熱設計。
機櫃排級散熱，以一排機櫃為對象，進行風道設計
很顯然，氣流路徑越短，散熱效率越高。
除了風冷之外，現在逐漸開始流行水冷、液冷。
液體的導熱能力是空氣的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，同等散熱水準下，液冷的噪音比風冷降低20-35分貝。從能耗的角度來看，液冷比風冷節約電量30%-50%。
液冷分為兩種。一種是液體沒有與散熱器件進行直接接觸的（隻是參與熱交換），還有一種是液體制冷劑直接與散熱器件進行接觸的（甚至是浸泡在制冷液中）。後者的制冷效率最高，幾乎可以做到PUE為1.04（極限接近于1），但是成本和技術難度也最高。
資料中心還有幾種制冷技術越來越火，例如背闆空調和間接蒸發冷卻等。
間接蒸發冷卻空調
除了可再生能源和制冷技術創新之外，資料中心還采用了很多其它的節能減排手段。例如，大規模采用預制子產品化資料中心，縮短建設工期，簡化建設流程。
預制子產品化資料中心
再例如，和基站一樣，引入AI技術，對資料中心的能源管理和運維系統進行智能化更新，進行節能和健康度的模組化，利用AI算法進行資料訓練，最後形成最佳參數尋優。
結語
面向未來，我們國家正處于數字經濟加速啟動的關鍵階段。各行各業的數字化轉型逐漸鋪開，對ICT數字基礎設施有強烈的需求。
如何在確定“雙碳”目标的前提下，完成對這些需求的支撐，是擺在整個行業面前的難題。
希望行業企業能夠繼續加大節能領域的研發投入，探索出更多的節能技術創新，走出一條獨具特色的“綠色通信”發展之路。
參考資料：
1、《5G能效，綠色新潮流》白皮書，GSMA、中興
2、《新基建的新變量，“雙碳”之下的綠色通信》，國盛證券
3、《5G 基站節能技術白皮書》，中移研究院
4、《數字能源十大趨勢白皮書》，數字能源産業智庫
5、《綠色5G白皮書》，華為