“雙碳”目標(biāo)下通信基站建設(shè)模式研究

王 欽，薛俊偉，王國(guó)慶

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.廣州醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 511436）

0 引 言

國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)中宣布，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為實(shí)現(xiàn)這一關(guān)系到全人類命運(yùn)的“雙碳”目標(biāo)，需要面向全行業(yè)采取更有力、更廣泛的綠色低碳轉(zhuǎn)型措施。同時(shí)，在疫情影響和國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體的刺激下，5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的信息通信行 業(yè)（Information Communications Technology，ICT）新基建設(shè)施迅速擴(kuò)張，以滿足整個(gè)社會(huì)對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的強(qiáng)烈需求?！半p碳”目標(biāo)下，ICT行業(yè)一方面要落實(shí)新基建的“十四五”規(guī)劃，另一方面也要探索節(jié)能降耗的新發(fā)展模式。

2021年8月，幾家通信運(yùn)營(yíng)商先后發(fā)布了碳達(dá)峰、碳中和相關(guān)白皮書(shū)、行動(dòng)計(jì)劃和工作指南，將通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施共建共享、梯次電池回收利用、基站設(shè)計(jì)節(jié)能改進(jìn)等措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。這標(biāo)志著我國(guó)通信行業(yè)即將全面啟動(dòng)雙碳綠色行動(dòng)。

1 現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.1 通信業(yè)務(wù)總量和能源消耗巨大

國(guó)際能源署發(fā)布的《The environmental footpoint of the digital world》數(shù)據(jù)顯示，2019年全球碳排放總量約為333億t，整個(gè)ICT行業(yè)排放總量約為14億t，占比達(dá)4.2%。根據(jù)我國(guó)工信部統(tǒng)計(jì)，“十三五”期間國(guó)內(nèi)4G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)了全域覆蓋，產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)發(fā)展成熟，應(yīng)用場(chǎng)景逐漸擴(kuò)大，電信業(yè)務(wù)總量和數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。與此同時(shí)，國(guó)家加大力度發(fā)展5G新空口（New Radio，NR）技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)建立，抓住了核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的自主話語(yǔ)權(quán)，并在政策層面指導(dǎo)電信運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面的領(lǐng)先，取得了階段性成果[1]。2022年是“十四五”承上啟下之年，也是5G應(yīng)用場(chǎng)景逐步在全行業(yè)落地的關(guān)鍵一年。面對(duì)復(fù)雜多變的國(guó)際環(huán)境和持續(xù)疫情帶來(lái)的不利影響，把握5G“新基建”建設(shè)紅利，加速場(chǎng)景下沉和賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)，是保障高質(zhì)量發(fā)展的核心引擎。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年度我國(guó)通信行業(yè)業(yè)務(wù)收入累計(jì)完成1.47萬(wàn)億元，移動(dòng)電話年末用戶數(shù)為16.43億戶。由如圖1可知移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量累計(jì)值為191.26 EB，居世界第一。我國(guó)當(dāng)前已開(kāi)通4G基站總數(shù)為590萬(wàn)個(gè)，已開(kāi)通5G基站數(shù)量超過(guò)142.5萬(wàn)個(gè)，已建設(shè)光纜線路總長(zhǎng)度達(dá)5 488萬(wàn)km。如此龐大的規(guī)模下，通信行業(yè)每年的用電規(guī)?；菊既鐣?huì)用電總量的1%左右。預(yù)計(jì)到2026年幾家運(yùn)營(yíng)商全部完成5G升級(jí)，通信行業(yè)電力消耗將達(dá)到全國(guó)總用電量的2.1%左右[2]。

圖1 2020～2021年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量當(dāng)期值（數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，當(dāng)年1月無(wú)數(shù)據(jù)）

1.2 基站將成為行業(yè)主要碳排放源

在2019年全球 ICT行業(yè)碳排放總量中，歸屬通信技術(shù)（Communication Technology，CT）部分的排放量占22%，歸屬數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）部分的排放量占15%。在CT行業(yè)，二氧化碳的產(chǎn)生主要集中在基站相關(guān)部分，包括工業(yè)領(lǐng)域中的產(chǎn)品生產(chǎn)和制造，工程領(lǐng)域中的設(shè)備運(yùn)輸和安裝，以及運(yùn)維過(guò)程中的設(shè)備運(yùn)行和環(huán)境保持。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，基站設(shè)備運(yùn)行的碳排放量約占整個(gè)CT行業(yè)碳排放量的 75%，是最主要來(lái)源。2019年，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量為2.3億t，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到4.1億t。

運(yùn)營(yíng)商近幾年針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和覆蓋提出了越來(lái)越高的要求，以符合用戶對(duì)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)烈需求。隨著投資的加大，當(dāng)前國(guó)內(nèi)4G存量基站數(shù)量達(dá)到584萬(wàn)個(gè)，5G存量基站數(shù)量為96.1萬(wàn)個(gè)。可預(yù)見(jiàn)的是，“十四五”期間5G基站會(huì)加快部署，基站密度也會(huì)顯著增大，加上5G單基站能耗（約為4G基站的3倍）更高，在基站節(jié)能技術(shù)改進(jìn)或能耗優(yōu)化的下一代網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Networking，NGN）技術(shù)規(guī)模應(yīng)用之前，數(shù)量龐大的基站耗能問(wèn)題將成為通信行業(yè)節(jié)能減排必須面對(duì)的難題[3]。

1.3 “零碳”基站仍需借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)

目前通信行業(yè)節(jié)能減排的“三步走”戰(zhàn)略已經(jīng)形成了共識(shí)，發(fā)展路徑如圖2所示。經(jīng)過(guò)核心技術(shù)的攻堅(jiān)，目前我國(guó)在5G設(shè)備的研發(fā)和使用中，對(duì)于頻譜利用效率、能耗效率和成本效率方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但是，在“零碳”基站的站點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能方面，國(guó)外通信運(yùn)營(yíng)商通過(guò)使用可再生能源、基站節(jié)能改造、資源租賃共享等措施實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，值得學(xué)習(xí)[4]。

圖2 通信行業(yè)節(jié)能減排“三步走”戰(zhàn)略

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商一方面要大力做好“補(bǔ)盲補(bǔ)熱”，同時(shí)要兼顧“降本增效”，這種情況下實(shí)施精細(xì)化的“零碳”基站計(jì)劃，需要大量的額外工作，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商積極性較低。因此，在現(xiàn)階段數(shù)字化轉(zhuǎn)型中優(yōu)先做好節(jié)能效果時(shí)間短、見(jiàn)效快的空調(diào)降溫技術(shù)、老舊設(shè)備改造、新能源利用等，是國(guó)內(nèi)CT領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。在2030年和2060年2個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的“雙碳”目標(biāo)下，通信行業(yè)的碳減排模式和路徑，將在設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)將向世界看齊，大量使用新能源、綠色能源。

2 對(duì)策與案例

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)推動(dòng)設(shè)備功耗降低

5G產(chǎn)品主要功耗來(lái)源中，有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）占比80%以上。如何降低AAU的功耗，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)[5]。關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和突破，是推動(dòng)設(shè)備功耗降低的基礎(chǔ)，特別是在基站芯片和射頻單元兩個(gè)方面，打破國(guó)際技術(shù)壁壘，才能實(shí)現(xiàn)低碳排放的自主可控。

（1）自研低能耗芯片，實(shí)現(xiàn)可控節(jié)能。例如，華為通過(guò)自研基站專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片和射頻片上系統(tǒng)（Radio Frequency System on Chip，RFSoC）技術(shù)，解決了5G AAU集成度低、重量大的問(wèn)題[6]。配合輕質(zhì)陶瓷濾波器等新材料器件的使用，以及改進(jìn)后的整機(jī)散熱技術(shù)，華為進(jìn)一步降低了AAU設(shè)備的體積和功耗，使應(yīng)用該產(chǎn)品的基站功耗低于業(yè)界平均值約15%。

（2）使用創(chuàng)新技術(shù)搶占市場(chǎng)話語(yǔ)權(quán)。在射頻單元功率放大器（Power Amplifier，PA）供應(yīng)鏈領(lǐng)域，我國(guó)通過(guò)自主研發(fā)擺脫了長(zhǎng)期受制于人的局面。3G時(shí)代，基站PA普遍基于采用硅工藝的橫向擴(kuò)散MOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，LDMOS）技術(shù)，工藝成熟，價(jià)格很低。從4G時(shí)代開(kāi)始，具備高電流密度等優(yōu)勢(shì)的氮化鎵GaN作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，憑借優(yōu)秀的高頻信號(hào)放大效率在PA產(chǎn)品市場(chǎng)中嶄露頭角[7]。中國(guó)設(shè)備商占領(lǐng)先機(jī)，在5G時(shí)代率先研發(fā)出可商用GaN工藝的低功耗、高效率PA，領(lǐng)先世界水平。

2.2 深層次探索站點(diǎn)低碳方案的落地

基站的基礎(chǔ)型節(jié)能技術(shù)包括能耗采集、亞幀靜默、深度休眠、通道靜默等方面；增強(qiáng)節(jié)能技術(shù)包括載波關(guān)斷、設(shè)備關(guān)斷、共?；緟f(xié)同關(guān)斷、下行功率優(yōu)化等方面。此外，針對(duì)機(jī)房梯次電源循環(huán)利用、水氫發(fā)電機(jī)使用、空調(diào)智能降耗、設(shè)備液冷散熱等多角度、深層次的創(chuàng)新方案，也需要積極探索和落地。

（1）智能休眠等技術(shù)降低閑時(shí)業(yè)務(wù)能耗。中國(guó)聯(lián)通與中興通訊成功試點(diǎn)通道靜默、深度休眠等技術(shù)，測(cè)試表明，通道關(guān)斷大約能降低15%～25%的能耗，深度休眠則實(shí)現(xiàn)了60%～80%的能耗降低；中國(guó)移動(dòng)在5G宏基站中開(kāi)啟通道靜默功能，根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)覆蓋的動(dòng)態(tài)研判，分情況關(guān)閉或者休眠64TR AAU中的部分射頻發(fā)射通道，能夠?qū)崿F(xiàn)約18%的能耗節(jié)約[8]。

（2）優(yōu)化4G/5G共模基站協(xié)作節(jié)能。共?；驹?G建設(shè)初期，提供了一種快速有效的4G/5G協(xié)同部署方案，是低投入、可持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)選擇，而協(xié)同關(guān)斷則是一種可行的智能化低碳功能。華為與上海移動(dòng)驗(yàn)證5G與4G共模基站協(xié)作，根據(jù)業(yè)務(wù)量高低智能關(guān)斷5G載波，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[9]。而隨著2G/3G減頻退網(wǎng)力度的加大，未來(lái)一段時(shí)間的節(jié)能策略，將是利舊退網(wǎng)后空閑資源進(jìn)行4G/5G共模基站協(xié)作建設(shè)和節(jié)能創(chuàng)新。現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)，采用了雙模站點(diǎn)協(xié)同關(guān)斷的站點(diǎn)日均節(jié)能12.26%，效果顯著。

（3）使用清潔能源助力節(jié)能減排。中國(guó)鐵塔2015年在3 000多個(gè)基站開(kāi)展新能源汽車退役動(dòng)力蓄電池的回收利用。基站梯次利用退役鋰電池替換不環(huán)保的、性能低下的鉛酸電池；中國(guó)電信也驗(yàn)證了水氫發(fā)電機(jī)為偏遠(yuǎn)地區(qū)基站供電的可行性。這些清潔能源的引入有效降低了資金投入、鋰電池資源浪費(fèi)以及鉛酸蓄電池的廢氣排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.3 創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能的基站協(xié)同部署

網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能要求通信行業(yè)擺脫自身視野局限性，將不同行業(yè)的“雙碳”策略與信息化社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的減排義務(wù)相掛鉤，充分利用新基建的紅利，找到大數(shù)據(jù)、新業(yè)務(wù)、多場(chǎng)景下的節(jié)能模式。

（1）深化行業(yè)內(nèi)集約共享的節(jié)能策略。一是在多網(wǎng)協(xié)作節(jié)能中通過(guò)人工智能控制網(wǎng)管系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別并平衡小區(qū)的覆蓋及容量，支持4G LTE和5G NR等多種不同制式的單網(wǎng)與多網(wǎng)場(chǎng)景。中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試LTE網(wǎng)絡(luò)平均每小區(qū)年節(jié)電超40 kW·h，預(yù)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)電效果更明顯；二是通過(guò)C-RAN集中機(jī)房方式將室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）作為集中單元（Centralized Unit，CU）資源池統(tǒng)一調(diào)度[10]。工程中將2G/4G站點(diǎn)進(jìn)行基于云計(jì)算的無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）低碳化集中改造后，主設(shè)備BBU整合搬遷至集中機(jī)房，同時(shí)對(duì)原天面射頻拉遠(yuǎn)單位（Remote Radio Unit，RRU）供電端進(jìn)行一體化電源供電整改，逐步拆除原機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)柜、走線架、電源等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)退租降本、低碳減排；三是深化電信基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃優(yōu)化與共建共享[11]。未來(lái)，移動(dòng)加廣電、電信加聯(lián)通的行業(yè)“2+2”組合模式，將彌補(bǔ)各自業(yè)務(wù)短板，在進(jìn)一步重視站點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)以滿足網(wǎng)絡(luò)需求的前提下，推動(dòng)5G優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排。

例如，目前廣東某地市移動(dòng)實(shí)施C-RAN站點(diǎn)改造80個(gè)后，低碳環(huán)保效果顯著，適合推廣至其他區(qū)域。經(jīng)評(píng)估，單站點(diǎn)改造投資平均為4.5萬(wàn)元，總體擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）平衡期為1.08年。集中改造后，原機(jī)房整體下電，單站點(diǎn)年均電費(fèi)節(jié)約3.5萬(wàn)元（同比下降40.12%），年均碳排放量降低24 403.2 kg（同比下降38.68%），鐵塔服務(wù)費(fèi)節(jié)省7 313元（同比降低80.26%）。

（2）探索不同行業(yè)信息化需求中的節(jié)能互利。據(jù)全球電子可持續(xù)發(fā)展倡議組織（Global e-Sustainability Initiative，GeSI）研究，ICT產(chǎn)業(yè)在“雙碳”目標(biāo)下的自身碳排放，可以通過(guò)賦能其他行業(yè)達(dá)到自主中和。根據(jù)測(cè)算，ICT 技術(shù)有希望在2030年之前幫助應(yīng)用行業(yè)降低全球碳排放的20%。通信行業(yè)要把握當(dāng)前ICT建設(shè)進(jìn)程，找到不同行業(yè)普遍適用的，既滿足業(yè)務(wù)需求又符合綠色節(jié)能的共同點(diǎn)，在城市大腦、信息中心等規(guī)劃建設(shè)中，融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)治理新模式的低碳思想，做好頂層設(shè)計(jì)[12]。特別是在對(duì)信息化接納程度高，有廣泛合作基礎(chǔ)的能源、交通、水利、建筑等重點(diǎn)領(lǐng)域，主動(dòng)契合這些行業(yè)的減排應(yīng)用場(chǎng)景，釋放互利互惠的共享意愿，助力全社會(huì)的節(jié)能減排[13]。

例如，電力行業(yè)具有豐富的桿塔和線網(wǎng)資源，通過(guò)與運(yùn)營(yíng)商合作，可降低雙方在專網(wǎng)通信、工程建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等方面的支出，為國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)節(jié)約大量的重疊勘察設(shè)計(jì)、桿塔建設(shè)、線路敷設(shè)等資源浪費(fèi)。而借助5G邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)智能解決電網(wǎng)的端到端通信，在保證配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的同時(shí)，提升配電效率[14]。華為使用ICT技術(shù)協(xié)助南方電網(wǎng)部署數(shù)字平臺(tái)，從發(fā)、輸、配、變、用等全業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的50余種典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景，依靠大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)可再生能源發(fā)電量、基站錯(cuò)峰用電，實(shí)現(xiàn)低碳雙贏。

在交通領(lǐng)域，使用路邊燈桿、箱體等設(shè)施快速部署5G基站，然后通過(guò)基站上報(bào)用戶定位、視頻監(jiān)控車輛信息等大數(shù)據(jù)信息繪制實(shí)時(shí)路況地圖，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸智能調(diào)度，做到碳排放的有效控制。

3 結(jié) 論

以5G為代表的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)信息高速公路的基礎(chǔ)，隨著NGN技術(shù)的迭代演進(jìn)和ICT技術(shù)對(duì)全行業(yè)的數(shù)字賦能，一種更加低碳環(huán)保的社會(huì)治理模式也愈加清晰。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)中，建設(shè)單位對(duì)于環(huán)保節(jié)能的定位，往往局限于對(duì)基站本身能耗以及投資的管理，忽視了基站作為網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)節(jié)在節(jié)能減排方面的巨大潛能?！半p碳”目標(biāo)下，通信行業(yè)可以通過(guò)技術(shù)升級(jí)和管理模式創(chuàng)新，在基站層面充分發(fā)掘主設(shè)備、電源設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施硬件和軟件兩方面的節(jié)能措施，在網(wǎng)絡(luò)層面積極探索智能減排、多網(wǎng)協(xié)同、共建共享、行業(yè)賦能等節(jié)能互利的發(fā)展模式，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。