通訊網路的能耗問題，一直都是人們關注的焦點。

根據運營商財報資料，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。三大電信運營商加在一起，是652億元。要知道，2020年三大運營商的利潤，一共也就1411。48億元。

三大電信運營商的能耗費用（單位：億元）

近年來，隨著5G和資料中心的規模建設，運營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，運營商在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。

不斷增加的通訊網路能耗，不僅意味著鉅額的電費，也意味著海量的碳排放量。

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將達2。3~3。1億噸，約佔中國碳排放總量的2~4%，相當於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”戰略，即2030年實現“碳達峰”、2060年實現“碳中和”。通訊網路的能耗問題，嚴重阻礙了“雙碳”戰略目標的實現。它不僅僅關係到運營商的經營業績，更影響了我們的生態環境，以及國家社會經濟的可持續發展。

那麼，通訊網路的能耗問題，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，通訊網路的節能減排，業界已經研究了很多年，並且也積累和沉澱了一些經驗和方法。

隨著時代的快速發展，通訊網路的規模變得越來越大，能耗也越來越大。

於是，通訊行業在傳統經驗方法的基礎上，提出了更宏觀、更科學的通訊網路節能減排思路，歸納為兩個詞，分別是：網路全生命週期、端到端。

所謂網路全生命週期節能減排，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，覆蓋通訊裝置從研發、生產、建設到維護的各個環節，進行全面提效降能。

而端到端，則是站在產品和裝置型別的角度，將節能減排落實到終端、接入網（基站）、承載網、核心網、資料中心等通訊網路的各個領域。

新的節能減排思路強調整體思維，以及多維度的協同合作，帶來了節能效率的大幅提升，逐漸被越來越多的運營商和裝置商接受，成為行業趨勢。

█ 節能減排的具體舉措

接下來，我們就按照網路全生命週期的角度，逐一介紹通訊網路的節能舉措。

先看看產品研發設計環節。

在產品研發設計階段進行裝置功耗控制和改良，相當於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的單位位元能耗是明顯下降的。也就是說，5G的能效明顯高於4G。）

2019年4G/5G基站功耗對比

資料來源：《新基建的新變數，“雙碳”之下的綠色通訊》

為了壓低5G基站的工作功耗，裝置商可以說是絞盡腦汁。

在產品設計階段，廠商們就需要將能耗指標擺在和效能指標同等重要的位置。

為了滿足能耗要求，他們會透過採用自研高效能晶片、更合理的產品結構設計、更先進的材料和工藝，實現產品的極致能效。

舉箇中興通訊的例子。中興通訊是全球無線系統裝置的核心供貨商，每年要向客戶交付數十萬個5G基站。所以，他們對5G基站的能耗指標非常重視。

他們透過自研高整合度、高效能基帶處理、數字中頻處理晶片，配合使用高整合度收發信機，不斷最佳化電路設計和DPD處理，有效提升功放效率，全面降低5G AAU裝置的整機能耗。

中興通訊的基站產品

5G功放是基站核心器件，中興通訊採用GaN+技術配合硬體演算法改進，使功放效率達到55%以上。

在新工藝和新材料上，中興通訊透過最佳化AAU導熱散熱效能，減低重量，採用創新的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網路的能效評估體系——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，射頻有源部分採用多通道技術提升裝置容量，也可以大幅提升裝置的位元能效。此外，透過高效超寬頻功放及通道技術的使用，將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，是產品生產製造環節。

如何降低工業製造過程中的能耗，不僅是通訊行業的問題，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升級和能源的改造替換上。

現在，這種方式的節能空間越來越小。於是，引入5G、工業網際網路、MEC、AI等多種數字智慧技術，進行智慧製造，成為工業界的新選擇。

智慧製造車間

智慧製造實現了高度數字化、智慧化、無人化，大幅提升了生產效率，減少了生產過程中的碳排放。

再接下來，我們重點說說通訊網路建設和運維環節。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。

對於運營商來說，5G能耗的70%，來自於RAN（接入網）。因此，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，隨著技術的升級，基站的組網部署方式開始發生明顯變化。

包括中興、華為在內的主流裝置商，都提出了極簡站點的方案。

方案中，基站的建設模式從分散式向集中式轉變，從幾何疊加向邏輯整合轉變。例如，裝置小型化、整合化，將機房變機櫃、機櫃變杆站，儘量減少裝置空間佔用，減少機房數量，從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：採用大量的清潔能源，市電變綠電，降低電費支出，減少碳排放。

具體的做法包括：

一、儘量採用太陽能光伏電源，實現太陽能、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、採用鋰電池代替鉛酸電池。

傳統的鉛酸電池面臨很多問題，如體積大、重量重、迴圈壽命短，且對環境要求嚴苛，溫度太高會縮減壽命、太低則影響使用效能。

相比之下，鋰電不僅體積小、重量輕，而且更環保。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，迴圈壽命更是有10-20倍的提升。

圖片來源：面向5G的邊緣資料中心基礎設施白皮書

以往鋰電主要用於備電。現在，圍繞鋰電有了很多智慧儲能系統方案。

智慧儲能系統（圖片來源：數字能源十大趨勢白皮書）

這類系統採用更精準的電化學模型，引入數字化智慧化技術，提升儲能管理精度，可以實現和電網更好的協同。它還可以針對階梯電價，進行錯峰用電管理，實現錯峰運營效率最大化。

除了網路架構和能源改造之外，對通訊網路進行節能減排的最有效手段，就是“智慧化運維”。

也就是說，部署智慧化的能源管理工具，透過多層級能效提升、預防性維護、多維度運營管理等功能，提升網路運維效率，降低無效上站成本和站點宕站風險，減少網路維護費用。

說到智慧化，當然離不開AI。

AI技術這幾年發展非常迅速，而通訊技術對AI的引入，重點就在於運維階段。

基於AI和大資料技術，透過智慧演算法對通訊業務進行預測、排程與分配，可以在保障使用者體驗的前提下，能夠實現每位元的能耗最優。

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，說運營商在網路低峰期，會關閉5G基站，節約電費。這個說法當時引起了社會的一片譁然。

其實，頻繁開關基站電源，對裝置壽命的影響很大。現在運營商進行裝置關斷，並不是簡單地關掉整個裝置的電源，而是基於對業務負荷的精準分析和預測，進行多維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、關符號。

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智慧節電方案為例。它可以實現符號級、通道級和載波級關斷，針對差異化覆蓋場景、時段和基站負荷，實現站點級多層次的節電。

它還能夠透過網路話務、配置資訊分析，主動識別節能場景，匹配不同維度的節能功能，實現節能“一站一策”，準確預測網路話務負荷趨勢，進一步挖掘網路級的節能效率。

華為的PowerStar2。0解決方案，也是一種基於業務變化，實時調整頻譜、載波等網路資源分配的智慧節電方案。

它在關斷資源型別、關斷時長和運維效率上，對節能手段進行全方位提升，多維協同實現節能和網路效能雙優。

█ 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。

隨著國家“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，佔全社會用電量的2。7%，非常驚人。

圖片來源：《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運維的採用。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指標叫做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，即能效水平越高。

除了IT業務裝置之外，資料中心最大的能耗開銷，集中在散熱製冷上。

所以，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、採用新的製冷技術和方法，提高製冷效率。

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內部儲能系統的改造，採用“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，供電效率強於“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模組，把用電、備電、儲能進行場景的裝置整合和智慧調動，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，靈活適配。

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，對電能的利用率更高，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製冷。

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）產生的冷空氣，透過送風通道，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製冷。這種方式製冷路徑太長，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，以一排機櫃為物件，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，同等散熱水平下，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（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行接觸的（甚至是浸泡在製冷液中）。後者的製冷效率最高，幾乎可以做到PUE為1。04（極限接近於1），但是成本和技術難度也最高。

資料中心還有幾種製冷技術越來越火，例如背板空調和間接蒸發冷卻等。

間接蒸發冷卻空調

除了可再生能源和製冷技術創新之外，資料中心還採用了很多其它的節能減排手段。例如，大規模採用預製模組化資料中心，縮短建設工期，簡化建設流程。

預製模組化資料中心

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繫統進行智慧化升級，進行節能和健康度的建模，利用AI演算法進行資料訓練，最後形成最佳引數尋優。

█ 結語

面向未來，我們國家正處於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。

如何在確保“雙碳”目標的前提下，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“綠色通訊”發展之路。

（全文完）

參考文獻：

1、《5G能效，綠色新潮流》白皮書，GSMA、中興

2、《新基建的新變數，“雙碳”之下的綠色通訊》，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》，數字能源產業智庫

5、《綠色5G白皮書》，華為