为了省电，通信网络到底有多拼？

通信网络的能耗问题，一直都是人们关注的焦点。

根据运营商财报数据，2020 年，中国移动的能耗费用是 376.6 亿元，中国电信 146.4 亿元，中国联通 129 亿元。三大电信运营商加在一起，是 652 亿元。要知道，2020 年三大运营商的利润，一共也就 1411.48 亿元。

▲三大电信运营商的能耗费用（单位：亿元）

近年来，随着 5G 和数据中心的规模建设，运营商不仅投入了大量的建设资金，在能耗费用方面也是开支甚巨，形成了沉重的成本负担。

从下图我们也可以看出，运营商在 2020 年的能耗支出，相比前一年直接飙涨了 60 多亿元，增速惊人。

不断增加的通信网络能耗，不仅意味着巨额的电费，也意味着海量的碳排放量。

根据工信部估计，按目前的发展趋势，2035 年中国 5G 和数据中心的碳排放总量将达 2.3~3.1 亿吨，约占中国碳排放总量的 2~4%，相当于北京目前全市二氧化碳排放量的两倍。

众所周知，我们国家在 2020 年明确提出了“双碳”战略，即 2030 年实现“碳达峰”、2060 年实现“碳中和”。通信网络的能耗问题，严重阻碍了“双碳”战略目标的实现。它不仅仅关系到运营商的经营业绩，更影响了我们的生态环境，以及国家社会经济的可持续发展。

那么，通信网络的能耗问题，到底该如何解决呢？我们该如何进行节能减排？5G、数据中心这些“电老虎”，真的有办法驯服吗？

节能减排的思路演变

办法当然是有的。

事实上，通信网络的节能减排，业界已经研究了很多年，并且也积累和沉淀了一些经验和方法。

随着时代的快速发展，通信网络的规模变得越来越大，能耗也越来越大。

于是，通信行业在传统经验方法的基础上，提出了更宏观、更科学的通信网络节能减排思路，归纳为两个词，分别是：网络全生命周期、端到端。

所谓网络全生命周期节能减排，是指在设计和规划节能减排方案时，从宏观上进行整体规划，覆盖通信设备从研发、生产、建设到维护的各个环节，进行全面提效降能。

而端到端，则是站在产品和设备类型的角度，将节能减排落实到终端、接入网（基站）、承载网、核心网、数据中心等通信网络的各个领域。

新的节能减排思路强调整体思维，以及多维度的协同合作，带来了节能效率的大幅提升，逐渐被越来越多的运营商和设备商接受，成为行业趋势。

节能减排的具体举措

接下来，我们就按照网络全生命周期的角度，逐一介绍通信网络的节能举措。

先看看产品研发设计环节。

在产品研发设计阶段进行设备功耗控制和改良，相当于从源头上进行了节能减排。

这是效果最直接的方式，也是难度最大的方式，对企业的研发能力要求很高。企业需要需要投入大量的资源进行创新和试错，这里面可以提升的空间也越来越小。

以 5G 基站为例。5G 基站的能耗问题，一直都是人们关注的焦点。因为引入了 AAU 有源天线以及 Massive MIMO 技术，5G 基站的能耗相比 4G 有明显的增加。5G 单站的功耗，大约是 4G 的 2.5~3.5 倍。（当然了，我们也需要注意到，5G 的单位比特能耗是明显下降的。也就是说，5G 的能效明显高于 4G。）

▲2019 年 4G / 5G 基站功耗对比

为了压低 5G 基站的工作功耗，设备商可以说是绞尽脑汁。

在产品设计阶段，厂商们就需要将能耗指标摆在和性能指标同等重要的位置。

为了满足能耗要求，他们会通过采用自研高性能芯片、更合理的产品结构设计、更先进的材料和工艺，实现产品的极致能效。

接下来，是产品生产制造环节。

如何降低工业制造过程中的能耗，不仅是通信行业的问题，更是整个工业界的共性问题。

以往的节能方式，主要集中在设备的工艺升级和能源的改造替换上。

现在，这种方式的节能空间越来越小。于是，引入 5G、工业互联网、MEC、AI 等多种数字智能技术，进行智能制造，成为工业界的新选择。

▲智能制造车间

智能制造实现了高度数字化、智能化、无人化，大幅提升了生产效率，减少了生产过程中的碳排放。

再接下来，我们重点说说通信网络建设和运维环节。这两个环节现在是整个行业关注的节能减排重点，发展潜力很大。

我们还是先看看基站侧。

对于运营商来说，5G 能耗的 70%，来自于 RAN（接入网）。因此，站点侧的节能降耗，是他们的首要任务。

▲基站站点的能源模型（来自：GSMA，翻译：鲜枣课堂）

基站的节能，通常包括以下几种方式：站点组网方案的改进，清洁能源的使用，AI 技术的引入，等等。

站点的集中化、绿色化、小型化，是这些年的主流趋势。尤其是 C-RAN 被提出之后，随着技术的升级，基站的组网部署方式开始发生明显变化。

包括中兴、华为在内的主流设备商，都提出了极简站点的方案。

方案中，基站的建设模式从分布式向集中式转变，从几何叠加向逻辑集成转变。例如，设备小型化、集成化，将机房变机柜、机柜变杆站，尽量减少设备空间占用，减少机房数量，从而减少机房租赁成本以及空调费用。

在能源方面，基站主要的节能举措就是：采用大量的清洁能源，市电变绿电，降低电费支出，减少碳排放。

具体的做法包括：

一、尽量采用太阳能光伏电源，实现太阳能、交流电源、蓄电池等多路供电保障。

白天高峰用电时段，由光伏与储能电池设备供电，储能电池利用夜间的低谷用电时段进行储能，达到“削峰填谷”的目的。

▲安徽六安移动的 5G 绿色基站

二、采用锂电池代替铅酸电池。

传统的铅酸电池面临很多问题，如体积大、重量重、循环寿命短，且对环境要求严苛，温度太高会缩减寿命、太低则影响使用性能。

相比之下，锂电不仅体积小、重量轻，而且更环保。锂电的能量体积密度和能量重量密度是铅酸电池的 4-5 倍，循环寿命更是有 10-20 倍的提升。

▲图片来源：面向 5G 的边缘数据中心基础设施白皮书

以往锂电主要用于备电。现在，围绕锂电有了很多智能储能系统方案。

▲智能储能系统（图片来源：数字能源十大趋势白皮书）

这类系统采用更精准的电化学模型，引入数字化智能化技术，提升储能管理精度，可以实现和电网更好的协同。它还可以针对阶梯电价，进行错峰用电管理，实现错峰运营效率最大化。

除了网络架构和能源改造之外，对通信网络进行节能减排的最有效手段，就是“智能化运维”。

也就是说，部署智能化的能源管理工具，通过多层级能效提升、预防性维护、多维度运营管理等功能，提升网络运维效率，降低无效上站成本和站点宕站风险，减少网络维护费用。

说到智能化，当然离不开 AI。

AI 技术这几年发展非常迅速，而通信技术对 AI 的引入，重点就在于运维阶段。

基于 AI 和大数据技术，通过智能算法对通信业务进行预测、调度与分配，可以在保障用户体验的前提下，能够实现每比特的能耗最优。

基站节能最有效的手段就是关断。

前几年，流行过这么一个说法，说运营商在网络低峰期，会关闭 5G 基站，节约电费。这个说法当时引起了社会的一片哗然。

其实，频繁开关基站电源，对设备寿命的影响很大。现在运营商进行设备关断，并不是简单地关掉整个设备的电源，而是基于对业务负荷的精准分析和预测，进行多维度多粒度的节能关断。

换句话说，就是更聪明地关断 —— 不关基站，可以关载波、关天线通道，甚至关子帧、关符号。

▲亚帧关断

▲通道关断

▲载波关断

▲4G / 5G 共模基站协作关断

数据中心的节能减排

除了基站之外，数据中心的节能减排，我也简单和大家聊一聊。

随着国家“东数西算”战略的推出，数据中心成为了整个社会的关注重点。作为算力的主要载体，它同样面对严峻的能耗问题。根据数据显示，2020 年，全国数据中心共耗电 2045 亿千瓦时，占全社会用电量的 2.7%，非常惊人。

▲图片来源：《中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》

数据中心的节能减排方案，和基站有很多共通之处，例如新能源的引入，AI 运维的采用。但是，因为数据中心本身的大体量、大规模特点，它的节能方案又有很多特殊的地方。

之前我介绍“东数西算”的时候说过，数据中心专门有一个指标叫做 PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效率）。PUE = 数据中心总能耗 / IT 设备能耗，这个值越接近 1，则表明该数据中心的非 IT 设备耗能越少，即能效水平越高。

除了 IT 业务设备之外，数据中心最大的能耗开销，集中在散热制冷上。

所以，数据中心的节能思路集中在两个方面：

一、使用更清洁的电能，提高可再生能源比例；

二、采用新的制冷技术和方法，提高制冷效率。

可再生能源比例，这个就不用多说了。国家政策正在引导数据中心建设往风电、水电、太阳能更充沛的地区发展，就是为了更好地利用新能源，降低对化石能源的依赖。

除了外部能源之外，数据中心也努力进行内部储能系统的改造，采用“HVDC + 市电”的方案，替代传统的“UPS + 市电”方案。

HVDC 是 High Voltage Direct Current，高压直流输电。“HVDC + 市电”的可靠性和安全性更高，供电效率强于“UPS + 市电”，是不间断电源的主流发展趋势。

现在很多数据中心服务商，重点打造柔性用能电力模块，把用电、备电、储能进行场景的设备整合和智能调动，形成数据中心能源网的本地路由器。说白了，就是从单一市电变为多能互补，什么电都能用，灵活适配。

值得一提的是，直流现在正成为更多数据中心的选择。因为直流的损耗更小，对电能的利用率更高，符合现在数据中心高算力下的高能耗需求。

我们重点看一下散热制冷。

数据中心传统的散热方式是风冷。由机房空调（CRAC）或机房空气处理单元（CRAH）产生的冷空气，通过送风通道，输送至设备所在位置，进行冷却。

以前的风冷，都是房间级，也就是对整个机房进行吹风制冷。这种方式制冷路径太长，效率太低。

现在流行的是池级、排级和机柜级风冷，也就是说，以一个机柜池、一排机柜或者单个机柜为中心，进行散热设计。

机柜排级散热，以一排机柜为对象，进行风道设计。

很显然，气流路径越短，散热效率越高。

除了风冷之外，现在逐渐开始流行水冷、液冷。

液体的导热能力是空气的 25 倍，相同体积下，液体带走的热量是空气的近 3000 倍。从噪音角度来看，同等散热水平下，液冷的噪音比风冷降低 20-35 分贝。从能耗的角度来看，液冷比风冷节约电量 30%-50%。

液冷分为两种。一种是液体没有与散热器件进行直接接触的（只是参与热交换），还有一种是液体制冷剂直接与散热器件进行接触的（甚至是浸泡在制冷液中）。后者的制冷效率最高，几乎可以做到 PUE 为 1.04（极限接近于 1），但是成本和技术难度也最高。

数据中心还有几种制冷技术越来越火，例如背板空调和间接蒸发冷却等。

▲间接蒸发冷却空调

除了可再生能源和制冷技术创新之外，数据中心还采用了很多其它的节能减排手段。例如，大规模采用预制模块化数据中心，缩短建设工期，简化建设流程。

▲预制模块化数据中心

再例如，和基站一样，引入 AI 技术，对数据中心的能源管理和运维系统进行智能化升级，进行节能和健康度的建模，利用 AI 算法进行数据训练，最后形成最佳参数寻优。

结语

面向未来，我们国家正处于数字经济加速启动的关键阶段。各行各业的数字化转型逐渐铺开，对 ICT 数字基础设施有强烈的需求。

如何在确保“双碳”目标的前提下，完成对这些需求的支撑，是摆在整个行业面前的难题。

希望行业企业能够继续加大节能领域的研发投入，探索出更多的节能技术创新，走出一条独具特色的“绿色通信”发展之路。

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