能源互聯網背景下5G網絡能耗管控關鍵技術及展望

任肇澄

（宜通世紀科技股份公司，廣東 陽江 529500）

0 引 言

能源互聯網出現之后，我國開始對綠色通信網絡結構進行改革，在改革的過程中研究出了很多新型技術，如智能管理技術和綜合運用信息技術等。這些技術可以將新型電力網絡和能源節點有機結合在一起，最終達到共享網絡和能量交換的目的[1]。

1 目前5G網絡能耗問題的研究情況

要想真正實現能源互聯網就必須要做好5G網絡技術的研究。目前，我國5G技術越來越成熟，在這樣的背景下，移動通信量的指數在不斷上升，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建節能綠色的5G網絡[2]。

通過調查發現，5G網絡問題主要出現在一些新興負載高滲透的地區，現在人們在研究的過程中也開始將5G網絡問題作為重點研究對象。作為電網運營商最大的動態能耗用戶，5G網絡在運營的過程中需要借助到很多技術的幫助，這些技術不僅可以起到優化用電負荷的作用，而且可以讓電網服務商獲得更多的經濟利益。現在人們對5G技術也已經有了很多研究，并在研究的過程中發現了綠色無線通信的概念，同時還發現了影響供電能力的因素[3]。

隨著互聯網技術的不斷普及，在2019年的時候我國手機網民的數量就已經達到了近9×108，人們在日常生活中用手機上網的比例高達99%。網絡用戶的增加導致傳統的網絡已經沒有辦法滿足現在人們的上網需求。要想解決此問題，就必須要研究出一種節約能耗的網絡，5G網絡技術由此誕生。目前，5G技術是最新的蜂窩移動通信技術，最大的特點就是能夠在降低成本的基礎上節約能源，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中，通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發信電臺。

目前，在5G時代，“宏基站為主，小基站為輔”的組網方式是未來網絡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成本較高，因此需要小基站配合組網。根據3GPP制定的規則，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。移動設備要想順利接入到互聯網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網絡技術使用過程中，小基站的數量越多，網絡質量越好。小基站和宏基站最大的區別就是數量巨大，所以消耗的能量也就遠大于宏基站。基站就是常說的蜂窩網絡，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絡的主要核心，還是通信網絡中最主要的能耗設備，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，電路損耗又細分為靜態損耗和動態損耗兩種[6]。

1.1.2 線性模型

在研究線性模型的過程中發現通過線性回歸算法可以計算出5G基站的能耗情況，并且計算出來的數值非常接近于實際的數值。5G網絡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用在基站休眠的策略中[7]。

1.1.3 異構網絡模型

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，其中應用最多的就是異構網絡模型。異構網絡模型不僅解決了城市網絡覆蓋問題，而且最大程度提高了網絡的能量[8]。

1.2 5G網絡能效模型

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絡能量的效率情況。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勢，其中單位比特能耗的評估方法已經被5G推進組所引用。

1.2.2 成本效率模型

成本效率模型是從系統動力學研究的角度出發的產物，主要通過研究能量效率來了解網絡效率和碳排放量的情況。因為5G網絡技術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網絡能耗管控的意義

5G網絡與4G網絡相比不僅提高了傳輸的速度還提高了處理數據的能力。例如，在研究宏基站的過程中發現，單個有源天線的功率可以達到1 000 W左右，能量通過該數據能夠預估出5G單基站的功耗和4G單基站相比能夠降低2.5 kW。出現這種情況的主要原因是因為5G網絡會在使用過程中將部署任務主要放在高頻段中，雖然覆蓋的范圍和4G網絡相同，但是接入的數量卻大不相同。通過調查發現，2020年是5G網絡大力建設與加速發展的一年，GSA統計顯示，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商用網絡，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網絡建設更是超預期完成，截至目前，我國已建設超7×105個5G基站，覆蓋全國所有地級以上城市[10]。

5G網絡基站的能耗主要體現在基站、電源、機房空調以及傳輸4個部分。當5G基站作為地區共享設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。在共享容量的基礎上建設5G基站時可以最大限度地滿足人民日益增長的需要。

5G運營商作為電網運營商時會自帶負荷可調節性屬性，負荷可調節性的最大特點是可以通過調節能耗管控技術來轉移基站中的負荷，最終達到調整電力流的目的。在人們不懈的研究中總結出5G網絡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網絡能耗管控的關鍵技術

5G網絡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網絡、5G網絡與能源協同等角度進行研究。在研究時發現，要想提升5G網絡的服務效率，就需要先做好提升的方案，具體的方案內容為組件層、鏈路層以及網絡層3種。本文將主要的研究方向放在了研究移動網絡能耗的管控中。

3.1 基站休眠

傳統的蜂窩網絡在應用的過程中為了滿足人們在高峰時段對網絡的要求，一般都會在使用時先降低低峰時段的負載期，這樣雖然能夠滿足人們的要求，但是會消耗大量的能量。在研究時發現，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節基站的節能和性能，以此來起到調節基站發射功率的作用，最終達到基站覆蓋面積的目的。

基站休眠技術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，讓更多的人應用到基站的服務。在研究時發現，HetNet可以通過綠色5G系統來關閉基站的一些功能，在關閉的過程中需要先做好策略聯合的設計工作。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，最終讓低負荷進入到休眠狀態[11]。

3.2 分布式清潔能源發電

目前，無線通信網絡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。在應用能量收集基站時可以更好地達到人們對基站能源的要求。能源互聯網系統在使用的過程中可以先為基站提供一部分的清潔能源，這樣既能在應用的過程中節約大量的成本，又能達到資源再利用的目的。分布式清潔能源發電的出現解決了很多地區清潔能源發電消納困難的問題。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分布的狀態，這時要想保證其穩定性，就需要通過配置來維持儲能系統和配電網之間的關系。

人們在研究時發現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化能源收集工作的作用。另外還發現合作可再生能源管理可以提高運營商為指定區域基站供電的動力，也是目前收集和儲存能量最好的方法。和傳統的電網運行相比，能源互聯網系統最大的優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 儲能應用

為了更好地讓人們享受到5G網絡的功能，人們在研究時也開始將研究方向朝著基站電力供應的多樣化發展。2019年，我國的5G通信基站就已經能夠達到人們要求的分布式儲能系統要求，同時為了應對停電帶來的風險，還會在基站內部安裝相應的備用電源，最大限度發揮基站的作用。

現在大部分的分布式儲能系統在應用時都直接由電網運營商自己完成配置工作，有極個別的也會由5G網絡運營商自己完成配置工作。分布式儲能技術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，可以提高電網的穩定性，幫助可再生能源完成接入工作。（2）可以解決傳統網絡不能解決的負荷問題和資源限制問題，讓所有的資源都可以發揮出自己的作用。（3）具有一定的可調度性，提高資源的質量和互動性，在降低成本的基礎上獲得最多的經濟利益。

3.4 需求響應

需求響應主要分為價格型需求響應和激勵型需求響應兩種。在應用的過程中可以根據實際情況進行選擇，不同的方法會讓移動網絡運營商享受到不同的待遇。現在能源互聯網系統的模式正在不斷改變我國的能源市場形式以及電網和用戶之間的關系。

3.5 協同能耗管控方法

從5G網絡角度分析能夠發現，現在大部分的網絡運營商在工作時都會借助相關通信技術來完成業務協同優化的工作，需要注意的是，在優化工作進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荷值，最終更好地完成5G基站的相關工作。

4 能源互聯網背景下5G網絡能耗管控的展望

在未來研究的過程中要想更好地提高5G網絡的構建速度，需要在保證互聯網系統供電能力的基礎上不斷提高清潔能源的利用率，從而真正達到創新能源互聯網思想和技術的目的。

4.1 5G能耗管控未來的優化

在能源互聯網的背景下，所有的5G網絡運營都可以根據自己的實際情況投資相應的5G基站配套裝置，通過配套裝置的應用來讓可再生能源發揮出自己的作用。不僅如此，還可以在一定的區域內做好和主網的連接工作，充分發揮出5G網絡的優越性，這樣既能改變5G網絡的基站能耗，又能提高用戶網絡的質量。

4.2 技術創新與應用

在未來5G網絡能耗管控可以從以下幾個方面進行創新。

4.2.1 新一代低壓直流供用電系統

5G網絡能耗在應用的過程中可以借助相關技術的幫助來讓電網運營商更好地完成自己的工作，同時還能避免出現直流混雜問題和相關干擾問題。

4.2.2 移動充電技術

5G網絡能耗在使用的過程中可以解決傳統網絡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網絡節能新技術的應用

在未來發展的過程中，要想更好地發揮出5G技術，就需要應用更多相關技術，如多天線技術和基站休眠技術等，使得5G網絡在使用的過程中可以節約大量的能量[12]。

4.2.4 AI大數據技術和物聯網技術

5G網絡在應用的過程中還可以將AI大數據技術和物聯網技術結合在一起，并在結合的過程中更好地完成監督和收集信息的工作，此外還可以借助機器學習算法來提高5G網絡的覆蓋率，讓更多人可以在日常生活和工作中應用到5G網絡技術。

5 結 論

現在5G網絡技術的普及率越來越高，這樣的背景下出現了很多新型問題。在以后的研究中要想更好地發揮出5G網絡的作用，就必須要先解決這些問題，從而真正發揮出5G網絡能耗管控技術的作用，讓5G網絡的發展道路越走越遠。