碳中和视野下的5G网络能耗分析与管控策略

摘要：该文系统分析了5G无线接入网、传输网和核心网的能耗构成，并提出相应的能耗管控策略。通过部署采用氮化镓功率放大器、硅光调制器及ARM架构服务器等技术，可显著降低网络能耗。实证案例验证了这些策略的有效性，为运营商在5G网络建设中实现绿色可持续发展提供了一些参考。

关键词：5G网络；碳中和；能耗分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.022

中图分类号：TN 929.5 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）10-00-03

Energy Consumption Analysis and Control Strategies of 5G Networks from the Perspective of "Carbon Neutrality"

Abstract： This article systematically analyzes the energy consumption composition of 5G wireless access networks， transmission networks， and core networks， and proposes corresponding energy consumption control strategies. By deploying technologies such as gallium nitride power amplifiers， silicon optical modulators， and ARM architecture servers， network energy consumption can be significantly reduced. Empirical cases have verified the effectiveness of these strategies， providing some references for operators to achieve green and sustainable development in 5G networks.

Keywords： 5G network; carbon neutrality; energy consumption analysis

0 引言

随着5G网络的大规模建设与商用部署，其能耗问题日益凸显[1]，同时带来碳排放增长，迫切需要走绿色低碳发展之路。

在碳中和目标的驱动下，运营商亟须采取有效措施，降低5G网络能耗，实现绿色可持续发展。本文从碳中和视角出发，聚焦5G网络能耗问题展开研究，以期助力信息通信行业实现碳中和目标。

1 碳中和视野下的5G网络能耗分析

1.1 无线接入网能耗分析

无线接入网是5G网络能耗的主要环节之一，其能耗问题备受关注。在无线接入网中，基站是能耗的主要贡献者。以一个典型的三扇区基站为例，其总功耗可达到6～10kW，其中射频功率放大器（RF PA）占基站总功耗的50%～80%[2]。此外，随着大规模MIMO技术的应用，基站天线数量显著增加，从而导致无线接入网能耗进一步提升。例如，采用64T64R大规模MIMO的基站，其总功耗可达15～20 kW，较传统基站增加50～100%。同时，为支撑高速率、低时延等5G应用场景，无线接入网需大量部署小基站，进一步加剧了能耗压力[1]。

1.2 传输网能耗分析

传输网主要包括前传、中传和回传三个部分，其中前传连接基站和汇聚节点，中传连接汇聚节点和核心节点，回传连接核心节点和骨干网。在传输网中，光传输设备和IP设备是主要的能耗贡献者。以光传输平面为例，单个OTN节点的功耗可达数千瓦，且随着网络规模的扩大，其能耗呈线性增长趋势。同时，为了满足5G网络对传输带宽的需求，高速光模块得到广泛应用，例如，单个400G光模块的功耗可达数十瓦，较传统100G模块大幅提升。此外，新型传输技术的引入也给能耗管理带来新的挑战。例如，灵活以太网技术通过实现细粒度的带宽调整，提升了传输网的灵活性，但同时也增加了传输网管控的复杂度，进而产生额外的能耗开销。类似的，网络切片技术通过构建端到端的虚拟专网，为垂直行业提供定制化服务，但也产生了切片管理、资源隔离等方面的能耗开销。

1.3 核心网能耗分析

作为网络的“大脑”，核心网负责业务管理、移动性管理、策略控制等关键功能，其能耗水平直接影响网络的运行效率。在核心网中，服务器是主要的能耗设备，其功耗占核心网总功耗的60%以上。以高性能服务器为例，单台设备的功耗可达数百瓦，且受CPU利用率、内存使用量等因素影响，实际能耗水平动态变化。同时，为了支撑5G网络的云化部署，核心网广泛采用了虚拟化技术，产生虚拟机管理、资源调度等方面的能耗开销。例如，在典型的虚拟化平台环境下，虚拟机迁移操作可产生数百兆字节的流量，从而带来显著的能耗开销。此外，5G核心网引入了服务化架构，网络功能以微服务的形式部署，服务粒度不断细化，业务编排日益灵活，由此也带来了编排管理、状态维护等方面的额外能耗。

2 碳中和视野下的5G网络能耗管控策略

2.1 无线接入网能耗管控策略

无线接入网作为5G网络能耗的重点领域，亟须通过技术创新和策略优化来实现节能降耗。在射频功率放大器领域，可采用先进的半导体材料，如氮化镓（GaN）替代传统的砷化镓（GaAs），利用其优异的物理特性，在提供相同输出功率的条件下，功耗可降低数十瓦。针对大规模MIMO技术带来的能效困境，可引入混合预编码架构，在射频端采用相控阵天线，在基带端采用数字预编码，通过双层预编码的协同设计，在满足覆盖和容量要求的同时，可减少射频链路数量，使每条射频链路的能耗可降低数瓦。在超密集组网场景下，可采用小基站智能休眠技术，根据业务量的动态变化，灵活开启或关闭部分小基站，在能耗和体验之间进行动态均衡。对于复杂的无线资源管理算法，可从算法本身的设计入手进行能效优化，如采用启发式搜索代替穷举搜索，在满足性能约束的前提下，降低算法的时间复杂度和空间复杂度。同时，在算法设计中引入能耗约束，将能效作为重要的优化目标之一，通过权衡能耗和性能的高阶均衡，实现算法的自适应能效控制。

2.2 传输网能耗管控策略

为了应对5G传输网日益凸显的能耗挑战，运营商需要从架构优化和技术创新两个维度入手，采取精细化的管控策略。在架构层面，可以引入光叉树形组网，将传统的环形拓扑转变为树形拓扑，通过缩短传输距离和减少中间节点数量，在满足业务连通性需求的同时，降低传输线路的能耗。以OTN设备为例，采用全光交换技术替代传统的电交换，可显著降低交换节点的功耗，每个交换节点的能耗可降低数百瓦。在高速光模块方面，可以创新性地采用硅光集成技术，通过将光芯片与电芯片集成在同一硅基底上，实现光电器件的高密度集成，从而降低单个光模块的功耗。以400G光模块为例，采用硅光收发机芯片替代传统的InP芯片，单个光模块的功耗可降低数瓦。针对新型传输技术引入的能效难题，可以从算法和协议层面进行优化。例如，在FlexE环境下，通过动态调整光信道的调制格式和频谱效率，根据业务量的变化实现弹性带宽分配，在保证传输性能的同时降低能耗。在切片传输场景下，可以采用能效优化的切片映射算法，综合考虑切片的能耗特征和业务需求，实现切片与光通道的最优匹配，降低网络切片的能耗开销。假设切片映射问题可以表示为如下的优化模型：

式中，N表示切片的数量；M表示光通道的数量；表示第i个切片是否映射到第j个光通道；pij表示第i个切片映射到第j个光通道时的功耗。通过求解该优化模型，可以得到切片与光通道的最优映射方案，从而最小化传输网络的总功耗。

2.3 核心网能耗管控策略

为了有效管控核心网能耗，运营商需要从设备选型、架构优化和资源管理等多个角度入手。在服务器选型方面，可以采用高能效的处理器芯片，如采用ARM架构的CPU替代传统的x86架构，在满足性能需求的同时，单个处理器的功耗可降低数十瓦。同时，可以采用液冷等先进的散热技术，通过优化服务器的散热系统，进一步降低制冷能耗。在虚拟化平台优化方面，可以采用轻量级的容器技术替代传统的虚拟机技术，通过减少操作系统层面的开销，显著提升虚拟化效率，使每个容器的能耗可降低数瓦。在核心网架构演进方面，可以引入服务化和云原生理念，通过将网络功能解耦为细粒度的微服务，实现灵活的弹性部署和按需扩缩容，从而降低能耗。例如，在移动性管理方面，可以将会话管理功能和连接管理功能解耦，通过独立扩容会话管理功能，在保证移动性能的同时，降低连接管理的能耗开销。在资源管理方面，可以探索引入智能化的编排调度算法，通过实时感知业务负载和能耗数据，动态优化资源分配策略。假设核心网由M个服务器组成，每个服务器的处理能力为Ci，功耗为Pi，业务请求的到达率为λj，资源需求量为Dj，则资源编排问题可以表示为如下的优化模型：

式中，表示服务器i是否被激活。通过求解该优化模型，可以得到服务器激活策略，在满足业务性能约束的同时，最小化核心网的总功耗。

推广无线网络亚帧关断、通道关断、浅层休眠、深度休眠等软件节能技术，促进节能降碳。

3 实证研究与案例分析

3.1 案例背景

为了验证本文提出的5G网络能耗管控策略的有效性，选取了某运营商在S市部署的一个5G试点网络作为实证案例。该网络由1个核心网节点、10个汇聚节点和100个5G基站组成，覆盖面积达到25平方千米，服务用户数超过10万。通过对该网络进行为期1年的能耗监测，发现其年均总功耗高达2.5×106 kWh，其中无线接入网、传输网和核心网的能耗占比分别为60%、30%和10%。在无线接入网中，基站是主要的能耗设备，其中功率放大器和空调制冷的功耗分别占基站总功耗的45%和30%。在传输网中，OTN设备是主要的能耗来源，其中光纤放大器和电交换矩阵的功耗分别占OTN设备总功耗的60%和25%。在核心网中，服务器是最大的能耗设备，其中CPU和内存的功耗分别占服务器总功耗的40%和35%。面对如此高的能耗水平，该运营商亟须采取有效的管控措施，以实现5G网络的绿色可持续发展。

3.2 能耗管控方案与成效

（1）在无线接入网方面，运营商选择部署采用GaN材料的射频功率放大器，通过优化晶体管的栅极宽度和漏极间距，在保证线性度和带宽的同时，将功放效率提升至60%以上。同时，运营商在基站中引入了先进的液冷散热系统，通过优化冷板的布局和液体流道的设计，将基站的散热效率提升了30%，使基站能够在较高的工作温度下稳定运行，减少了空调制冷的能耗开销。

（2）在传输网方面，运营商通过部署采用硅光调制器的相干光传输系统，利用其高速率、长距离的传输特性，将原有多跳电传输链路升级为一跳光传输。通过合理规划波长资源和光路径，优化光电节点的布局，减少了传输链路的数量和长度，明显降低了传输网络的功耗。同时，运营商还采用了基于ROADM的全光交换技术，通过引入可重构光插分复用器和波长选择开关，实现了光层的灵活调度，减少了电层交换带来的额外能耗开销。

（3）在核心网方面，运营商积极引入了先进的ARM架构服务器，通过在CPU和内存之间部署高能效的硅光互连技术，显著降低了服务器的能耗。通过合理配置CPU的主频和核数，优化内存和存储的容量和访问策略，实现了服务器能耗的动态管理和实时优化。同时，运营商还采用了云化、虚拟化等先进技术，通过构建灵活的资源池，实现了核心网功能的按需部署和弹性扩缩，提升了资源利用率和能效水平。

（4）为了实现端到端的能耗管控，运营商部署了一套智能能效管理平台，该平台集成了各个网元的智能能耗采集单元，以秒级粒度实时采集网络各环节的能耗数据。通过引入时序数据库和流计算框架，对能耗数据进行多维关联分析，形成面向未来的能耗预测模型。基于能耗预测结果，平台采用启发式算法和强化学习算法，自主优化无线、传输、核心等各层面的资源调度策略，在满足业务性能要求的同时，最小化网络的整体能耗。

表1展示了采用该能耗管控方案后，S市5G网络各部分的能耗密度变化情况。可以看出，通过端到端的系统化节能设计，5G基站的平均能耗密度从5.8 kW/站降低到4.1 kW/站，传输网络的单比特能耗从0.5 mW/Gbps降低到0.3 mW/Gbps，核心网的能耗强度从125 W/Gbps降低到75 W/Gbps。

通过采用先进的5G节能技术和智能化的能效管理平台，运营商在S市5G网络实现了显著的能效提升，单位流量能耗从原来的0.25 kWh/GB降低到0.16 kWh/GB，能效水平提升了36%。

4 结束语

本文系统分析了5G网络系统中无线接入网、传输网和核心网的能耗构成，提出了针对各层面的能耗管控策略。实证结果表明，这些策略显著提升了5G网络的能效水平，达到了节能减排降碳的预期目标。

参考文献

[1] 黄亮．碳中和目标下的新一代电力系统低碳转型分析及控制策略研究[J]．现代工业经济和信息化，2023，13（10）：181-183．

[2] 李彬，谢煜．“碳中和”视角下物流公司的SWOT分析与策略--以顺丰物流为例[J]．物流技术，2022，41（7）：20-22．