通信網絡的能耗問題，一直都是人們關注的焦點。

根據運營商財報數據，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和數據中心的規模建設，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。

不斷增加的通信網絡能耗，不僅意味著巨額的電費，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和數據中心的碳排放總量將達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。

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”。通信網絡的能耗問題，嚴重阻礙了“雙碳”戰略目標的實現。它不僅僅關系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。

那么，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、數據中心這些“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，并且也積累和沉淀了一些經驗和方法。

隨著時代的快速發展，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，分別是：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，覆蓋通信設備從研發、生產、建設到維護的各個環節，進行全面提效降能。

而端到端，則是站在產品和設備類型的角度，將節能減排落實到終端、接入網(基站)、承載網、核心網、數據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設備商接受，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。

先看看產品研發設計環節。

在產品研發設計階段進行設備功耗控制和改良，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

數據來源：《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，設備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性能指標同等重要的位置。

為了滿足能耗要求，他們會通過采用自研高性能芯片、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。

舉個中興通訊的例子。中興通訊是全球無線系統設備的核心供貨商，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。

他們通過自研高集成度、高性能基帶處理、數字中頻處理芯片，配合使用高集成度收發信機，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設備的整機能耗。

中興通訊的基站產品

5G功放是基站核心器件，中興通訊采用GaN+技術配合硬件算法改進，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。

華為去年發布了綠色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設備容量，也可以大幅提升設備的比特能效。此外，通過高效超寬帶功放及通道技術的使用，將多個單頻設備融合成一個超寬頻設備，也能夠大幅減少設備部署數量和成本，降低設備能耗。

接下來，是產品生產制造環節。

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，主要集中在設備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。于是，引入5G、工業互聯網、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。

智能制造車間

智能制造實現了高度數字化、智能化、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。

對于運營商來說，5G能耗的70%，來自于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被提出之后，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、華為在內的主流設備商，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，從幾何疊加向邏輯集成轉變。例如，設備小型化、集成化，將機房變機柜、機柜變桿站，盡量減少設備空間占用，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：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，由光伏與儲能電池設備供電，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、 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，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，循環壽命更是有10-20倍的提升。

圖片來源：面向5G的邊緣數據中心基礎設施白皮書

以往鋰電主要用于備電。現在，圍繞鋰電有了很多智能儲能系統方案。

智能儲能系統(圖片來源：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、多維度運營管理等功能，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和大數據技術，通過智能算法對通信業務進行預測、調度與分配，可以在保障用戶體驗的前提下，能夠實現每比特的能耗最優。

基站節能最有效的手段就是關斷。

前幾年，流行過這么一個說法，說運營商在網絡低峰期，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，對設備壽命的影響很大。現在運營商進行設備關斷，并不是簡單地關掉整個設備的電源，而是基于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智能節電方案為例。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。

它還能夠通過網絡話務、配置信息分析，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、載波等網絡資源分配的智能節電方案。

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，多維協同實現節能和網絡性能雙優。

數據中心的節能減排

除了基站之外，數據中心的節能減排，我也簡單和大家聊一聊。

隨著國家“東數西算”戰略的推出，數據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。根據數據顯示，2020年，全國數據中心共耗電2045億千瓦時，占全社會用電量的2.7%，非常驚人。

圖片來源：《中國數據中心能耗與可再生能源使用潛力研究》

數據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，因為數據中心本身的大體量、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，數據中心專門有一個指標叫做PUE(Power Usage Effectiveness，電能使用效率)。PUE=數據中心總能耗/IT設備能耗，這個值越接近1，則表明該數據中心的非IT設備耗能越少，即能效水平越高。

除了IT業務設備之外，數據中心最大的能耗開銷，集中在散熱制冷上。

所以，數據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。國家政策正在引導數據中心建設往風電、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，數據中心也努力進行內部儲能系統的改造，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。

現在很多數據中心服務商，重點打造柔性用能電力模塊，把用電、備電、儲能進行場景的設備整合和智能調動，形成數據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，什么電都能用，靈活適配。

值得一提的是，直流現在正成為更多數據中心的選擇。因為直流的損耗更小，對電能的利用率更高，符合現在數據中心高算力下的高能耗需求。

我們重點看一下散熱制冷。

數據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，通過送風通道，輸送至設備所在位置，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、排級和機柜級風冷，也就是說，以一個機柜池、一排機柜或者單個機柜為中心，進行散熱設計。

機柜排級散熱，以一排機柜為對象，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)，但是成本和技術難度也最高。

數據中心還有幾種制冷技術越來越火，例如背板空調和間接蒸發冷卻等。

間接蒸發冷卻空調

除了可再生能源和制冷技術創新之外，數據中心還采用了很多其它的節能減排手段。例如，大規模采用預制模塊化數據中心，縮短建設工期，簡化建設流程。

預制模塊化數據中心

再例如，和基站一樣，引入AI技術，對數據中心的能源管理和運維系統進行智能化升級，進行節能和健康度的建模，利用AI算法進行數據訓練，最后形成最佳參數尋優。

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“綠色通信”發展之路。