能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控關(guān)鍵技術(shù)及展望

任肇澄

（宜通世紀(jì)科技股份公司，廣東 陽江 529500）

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之后，我國開始對綠色通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革，在改革的過程中研究出了很多新型技術(shù)，如智能管理技術(shù)和綜合運用信息技術(shù)等。這些技術(shù)可以將新型電力網(wǎng)絡(luò)和能源節(jié)點有機(jī)結(jié)合在一起，最終達(dá)到共享網(wǎng)絡(luò)和能量交換的目的[1]。

1 目前5G網(wǎng)絡(luò)能耗問題的研究情況

要想真正實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)就必須要做好5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。目前，我國5G技術(shù)越來越成熟，在這樣的背景下，移動通信量的指數(shù)在不斷上升，基站密度和能耗也在不斷增加，人們在研究時最需要解決的問題就是如何構(gòu)建節(jié)能綠色的5G網(wǎng)絡(luò)[2]。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)問題主要出現(xiàn)在一些新興負(fù)載高滲透的地區(qū)，現(xiàn)在人們在研究的過程中也開始將5G網(wǎng)絡(luò)問題作為重點研究對象。作為電網(wǎng)運營商最大的動態(tài)能耗用戶，5G網(wǎng)絡(luò)在運營的過程中需要借助到很多技術(shù)的幫助，這些技術(shù)不僅可以起到優(yōu)化用電負(fù)荷的作用，而且可以讓電網(wǎng)服務(wù)商獲得更多的經(jīng)濟(jì)利益。現(xiàn)在人們對5G技術(shù)也已經(jīng)有了很多研究，并在研究的過程中發(fā)現(xiàn)了綠色無線通信的概念，同時還發(fā)現(xiàn)了影響供電能力的因素[3]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，在2019年的時候我國手機(jī)網(wǎng)民的數(shù)量就已經(jīng)達(dá)到了近9×108，人們在日常生活中用手機(jī)上網(wǎng)的比例高達(dá)99%。網(wǎng)絡(luò)用戶的增加導(dǎo)致傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)沒有辦法滿足現(xiàn)在人們的上網(wǎng)需求。要想解決此問題，就必須要研究出一種節(jié)約能耗的網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由此誕生。目前，5G技術(shù)是最新的蜂窩移動通信技術(shù)，最大的特點就是能夠在降低成本的基礎(chǔ)上節(jié)約能源，但是在使用的過程中會面臨高額的電費問題，如中國聯(lián)通在2018年支付了1.3×1010元的電費[4]。

1.1 基站能耗模型

基站即公用移動通信基站，是無線電臺站的一種形式，在一定的無線電覆蓋區(qū)中，通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無線電收發(fā)信電臺。

目前，在5G時代，“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式是未來網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升的主要途徑。5G時期采用3.5 GHz及以上的頻段，在室外場景下覆蓋范圍減小，加上由于宏基站布設(shè)成本較高，因此需要小基站配合組網(wǎng)。根據(jù)3GPP制定的規(guī)則，無線基站按照功能可劃分為宏基站、微基站、皮基站以及飛基站4大類。移動設(shè)備要想順利接入到互聯(lián)網(wǎng)中就必須要借助到基站的幫助。目前，基站分為宏基站和小基站兩種。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用過程中，小基站的數(shù)量越多，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越好。小基站和宏基站最大的區(qū)別就是數(shù)量巨大，所以消耗的能量也就遠(yuǎn)大于宏基站?；揪褪浅Ｕf的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在使用的過程中可以為無線通信提供時間和空間的變化[5]。

1.1.1 組件模型

基站不僅是移動通信網(wǎng)絡(luò)的主要核心，還是通信網(wǎng)絡(luò)中最主要的能耗設(shè)備，其在使用過程中主要通過功率放大器和信號處理器來消耗巨大能源。功率放大器和信號處理器在使用的過程中會損耗大量的電路能量，電路損耗又細(xì)分為靜態(tài)損耗和動態(tài)損耗兩種[6]。

1.1.2 線性模型

在研究線性模型的過程中發(fā)現(xiàn)通過線性回歸算法可以計算出5G基站的能耗情況，并且計算出來的數(shù)值非常接近于實際的數(shù)值。5G網(wǎng)絡(luò)基站的能量消耗主要以仿射線的形式存在，總能量由功率和放大器效率決定。目前線性模型主要應(yīng)用在基站休眠的策略中[7]。

1.1.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

為了滿足人們對通信信息的要求，基站的種類在不斷地增加，其中應(yīng)用最多的就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型不僅解決了城市網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，而且最大程度提高了網(wǎng)絡(luò)的能量[8]。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)能效模型

1.2.1 能量效率模型

目前，人們可以通過以下兩種方法來評估無線網(wǎng)絡(luò)能量的效率情況。一是單位面積能耗評估方法，二是單位比特能耗評估方法。兩種評估方法各有各的特點和優(yōu)勢，其中單位比特能耗的評估方法已經(jīng)被5G推進(jìn)組所引用。

1.2.2 成本效率模型

成本效率模型是從系統(tǒng)動力學(xué)研究的角度出發(fā)的產(chǎn)物，主要通過研究能量效率來了解網(wǎng)絡(luò)效率和碳排放量的情況。因為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在使用的過程中會消耗大量的電能，所以在研究的過程中還需要注意考慮成本問題[9]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的意義

5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)相比不僅提高了傳輸?shù)乃俣冗€提高了處理數(shù)據(jù)的能力。例如，在研究宏基站的過程中發(fā)現(xiàn)，單個有源天線的功率可以達(dá)到1 000 W左右，能量通過該數(shù)據(jù)能夠預(yù)估出5G單基站的功耗和4G單基站相比能夠降低2.5 kW。出現(xiàn)這種情況的主要原因是因為5G網(wǎng)絡(luò)會在使用過程中將部署任務(wù)主要放在高頻段中，雖然覆蓋的范圍和4G網(wǎng)絡(luò)相同，但是接入的數(shù)量卻大不相同。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2020年是5G網(wǎng)絡(luò)大力建設(shè)與加速發(fā)展的一年，GSA統(tǒng)計顯示，截至2020年12月中旬，全球已有58個國家的135家運營商建成5G商用網(wǎng)絡(luò)，相比于2020年2月的78家增長了近1倍。而在“新基建”浪潮的助推下，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更是超預(yù)期完成，截至目前，我國已建設(shè)超7×105個5G基站，覆蓋全國所有地級以上城市[10]。

5G網(wǎng)絡(luò)基站的能耗主要體現(xiàn)在基站、電源、機(jī)房空調(diào)以及傳輸4個部分。當(dāng)5G基站作為地區(qū)共享設(shè)備時需要先開放和共享基站中的富余能量，以此來降低使用過程中的投資成本。在共享容量的基礎(chǔ)上建設(shè)5G基站時可以最大限度地滿足人民日益增長的需要。

5G運營商作為電網(wǎng)運營商時會自帶負(fù)荷可調(diào)節(jié)性屬性，負(fù)荷可調(diào)節(jié)性的最大特點是可以通過調(diào)節(jié)能耗管控技術(shù)來轉(zhuǎn)移基站中的負(fù)荷，最終達(dá)到調(diào)整電力流的目的。在人們不懈的研究中總結(jié)出5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的意義就是最大限度地降低整個過程中的運營成本。

3 5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的目的就是為了提高用戶的體驗感，可以從能源、5G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)與能源協(xié)同等角度進(jìn)行研究。在研究時發(fā)現(xiàn)，要想提升5G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)效率，就需要先做好提升的方案，具體的方案內(nèi)容為組件層、鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層3種。本文將主要的研究方向放在了研究移動網(wǎng)絡(luò)能耗的管控中。

3.1 基站休眠

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用的過程中為了滿足人們在高峰時段對網(wǎng)絡(luò)的要求，一般都會在使用時先降低低峰時段的負(fù)載期，這樣雖然能夠滿足人們的要求，但是會消耗大量的能量。在研究時發(fā)現(xiàn)，一般會將00:00ü06:00作為整個基站的休眠模式期，在這段時間里，人們會通過人工智能來調(diào)節(jié)基站的節(jié)能和性能，以此來起到調(diào)節(jié)基站發(fā)射功率的作用，最終達(dá)到基站覆蓋面積的目的。

基站休眠技術(shù)在使用的過程中不僅可以考慮到大部分用戶的需求，還會提高覆蓋信號的范圍，讓更多的人應(yīng)用到基站的服務(wù)。在研究時發(fā)現(xiàn)，HetNet可以通過綠色5G系統(tǒng)來關(guān)閉基站的一些功能，在關(guān)閉的過程中需要先做好策略聯(lián)合的設(shè)計工作。此外，可以通過改變能量消耗來完成時間和空間的匹配工作，最終讓低負(fù)荷進(jìn)入到休眠狀態(tài)[11]。

3.2 分布式清潔能源發(fā)電

目前，無線通信網(wǎng)絡(luò)在使用過程中最好的部署方案就是借助到能量收集基站的幫助。在應(yīng)用能量收集基站時可以更好地達(dá)到人們對基站能源的要求。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在使用的過程中可以先為基站提供一部分的清潔能源，這樣既能在應(yīng)用的過程中節(jié)約大量的成本，又能達(dá)到資源再利用的目的。分布式清潔能源發(fā)電的出現(xiàn)解決了很多地區(qū)清潔能源發(fā)電消納困難的問題。需要注意的是，這些可再生能源在使用時會受到天氣因素的影響，讓可再生能源處于隨機(jī)分布的狀態(tài)，這時要想保證其穩(wěn)定性，就需要通過配置來維持儲能系統(tǒng)和配電網(wǎng)之間的關(guān)系。

人們在研究時發(fā)現(xiàn)了一種叫做合作可再生能源的管理方法，這種管理方法在使用的過程中可以起到優(yōu)化能源收集工作的作用。另外還發(fā)現(xiàn)合作可再生能源管理可以提高運營商為指定區(qū)域基站供電的動力，也是目前收集和儲存能量最好的方法。和傳統(tǒng)的電網(wǎng)運行相比，能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是可以在組件之間完成能量流動工作，這樣就可以為減少電費成本提供更多的幫助。

3.3 儲能應(yīng)用

為了更好地讓人們享受到5G網(wǎng)絡(luò)的功能，人們在研究時也開始將研究方向朝著基站電力供應(yīng)的多樣化發(fā)展。2019年，我國的5G通信基站就已經(jīng)能夠達(dá)到人們要求的分布式儲能系統(tǒng)要求，同時為了應(yīng)對停電帶來的風(fēng)險，還會在基站內(nèi)部安裝相應(yīng)的備用電源，最大限度發(fā)揮基站的作用。

現(xiàn)在大部分的分布式儲能系統(tǒng)在應(yīng)用時都直接由電網(wǎng)運營商自己完成配置工作，有極個別的也會由5G網(wǎng)絡(luò)運營商自己完成配置工作。分布式儲能技術(shù)在運用的過程中有以下3大特點。（1）有一定的波動性和間歇性，可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，幫助可再生能源完成接入工作。（2）可以解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不能解決的負(fù)荷問題和資源限制問題，讓所有的資源都可以發(fā)揮出自己的作用。（3）具有一定的可調(diào)度性，提高資源的質(zhì)量和互動性，在降低成本的基礎(chǔ)上獲得最多的經(jīng)濟(jì)利益。

3.4 需求響應(yīng)

需求響應(yīng)主要分為價格型需求響應(yīng)和激勵型需求響應(yīng)兩種。在應(yīng)用的過程中可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，不同的方法會讓移動網(wǎng)絡(luò)運營商享受到不同的待遇?，F(xiàn)在能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的模式正在不斷改變我國的能源市場形式以及電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)系。

3.5 協(xié)同能耗管控方法

從5G網(wǎng)絡(luò)角度分析能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大部分的網(wǎng)絡(luò)運營商在工作時都會借助相關(guān)通信技術(shù)來完成業(yè)務(wù)協(xié)同優(yōu)化的工作，需要注意的是，在優(yōu)化工作進(jìn)行時一定要先了解不同基站的能量情況和無線資源的共享情況，這樣才能了解基站工作過程中可以承受的負(fù)荷值，最終更好地完成5G基站的相關(guān)工作。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控的展望

在未來研究的過程中要想更好地提高5G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建速度，需要在保證互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)供電能力的基礎(chǔ)上不斷提高清潔能源的利用率，從而真正達(dá)到創(chuàng)新能源互聯(lián)網(wǎng)思想和技術(shù)的目的。

4.1 5G能耗管控未來的優(yōu)化

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，所有的5G網(wǎng)絡(luò)運營都可以根據(jù)自己的實際情況投資相應(yīng)的5G基站配套裝置，通過配套裝置的應(yīng)用來讓可再生能源發(fā)揮出自己的作用。不僅如此，還可以在一定的區(qū)域內(nèi)做好和主網(wǎng)的連接工作，充分發(fā)揮出5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，這樣既能改變5G網(wǎng)絡(luò)的基站能耗，又能提高用戶網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

在未來5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控可以從以下幾個方面進(jìn)行創(chuàng)新。

4.2.1 新一代低壓直流供用電系統(tǒng)

5G網(wǎng)絡(luò)能耗在應(yīng)用的過程中可以借助相關(guān)技術(shù)的幫助來讓電網(wǎng)運營商更好地完成自己的工作，同時還能避免出現(xiàn)直流混雜問題和相關(guān)干擾問題。

4.2.2 移動充電技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)能耗在使用的過程中可以解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的一些供電問題，為5G能量不足的基站添加更多的能量，最終起到充電的目的。

4.2.3 5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用

在未來發(fā)展的過程中，要想更好地發(fā)揮出5G技術(shù)，就需要應(yīng)用更多相關(guān)技術(shù)，如多天線技術(shù)和基站休眠技術(shù)等，使得5G網(wǎng)絡(luò)在使用的過程中可以節(jié)約大量的能量[12]。

4.2.4 AI大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用的過程中還可以將AI大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，并在結(jié)合的過程中更好地完成監(jiān)督和收集信息的工作，此外還可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法來提高5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，讓更多人可以在日常生活和工作中應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

5 結(jié) 論

現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及率越來越高，這樣的背景下出現(xiàn)了很多新型問題。在以后的研究中要想更好地發(fā)揮出5G網(wǎng)絡(luò)的作用，就必須要先解決這些問題，從而真正發(fā)揮出5G網(wǎng)絡(luò)能耗管控技術(shù)的作用，讓5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展道路越走越遠(yuǎn)。