探討互聯網背景下的5G網絡能耗管控關鍵技術

【摘要】? ? 我國已經迎來了5G時代，第五代移動通信（5G）網絡技術已經被應用于各大領域，并取得了良好的應用效果，加快我國社會經濟及科學技術發展。在5G時代影響下已經衍生出很多相關的網絡技術，其中網絡能耗管控技術最具有影響力，能夠滿足各種網絡能耗管控需求，如分布式清潔能源系統、儲能系統與需求響應等領域都應用到了5G 網絡能耗管控技術，實現了節能減排，由此可見5G網絡能耗管控關鍵技術的重要性。所以下文以5G基站能耗管控為例，從模型、算法、技術路線等方面分析5G 網絡能耗問題、5G 網絡能耗管控關鍵技術。

【關鍵詞】? ? 5G網絡? ? 能耗管控技術? ? 分布式儲能? ? 需求響應

引言：

現如今，互聯網已經走向能源互聯網發展道路，減排壓力、推動電力能源及綠色通信網絡結構變革是能源互聯網發展的主要任務，也是互聯網時代發展主要目標。在該形勢下不僅衍生出很多先進的通信技術、網絡技術及信息技術，還孕育出智能管理技術、新型電力網絡技術、能量存儲技術、能量采集技術等。第五代移動通信（5G）網絡是現時代較為新型的通信基礎設施建設，簡稱“新基建”，除了能夠為其他基礎設施建設提供重要網絡支撐以外，還能夠實現能源互聯網，但隨之5G 技術的日益成熟也增加了移動通信量、基站（BS）密度與能耗，這意味著移動網絡能耗大幅度增加，會導致各種能耗、綠化問題發生，嚴重者還會導致環境污染及破壞，故必須構建節能綠色5G網絡。[1]

5G網絡能耗管控關鍵技術是構建節能綠色5G網絡的前提和基礎，負載可調節性配合儲能技術、分布式清潔能源接入技術、分布式能量采集及存儲技術等都是5G網絡能耗管控關鍵技術，這些技術的應用能夠優化互動負荷、用電負荷優化，并為電網提供需求響應等服務，不僅提高了經濟收益，還有效控制和降低能源消耗，實現綠色無線通信及網絡應用。[2]對此，本文根據相關文獻，對互聯網背景下的5G網絡能耗管控關鍵技術進行了詳細分析

一、5G網絡能耗、能效模型

5G網絡能耗、能效模型能夠將5G網絡能耗問題具體、形象和直觀地展現出來。現階段我國手機網民規模已經超過8億，手機上網比例更是高達99%，傳統網絡已經無法滿足用戶網絡能耗需求。而5G網絡作為新型蜂窩移動通信技術，具有數據速率高、延遲減少、節省能源、成本低、系統容量大等優勢，能夠滿足各種網絡能耗需求，5G網絡能耗、能效模型則能夠實現綠色無線網絡，從而達到降低二氧化碳排放量、基站設備能耗的目的，所以5G網絡能耗管控的前提和基礎就是5G網絡能耗模型和5G網絡能效模型。[3]具體如下：

（一）5G網絡能耗模型

5G網絡能耗模型也稱為5G基站能耗模型，“基站”是指公用移動通信基站，是各種移動設備接入互聯網的接口設備。5G基站分為宏基站（MBS）、小基站（SBS），其中小基站分為微基站、皮基站和飛基站（根據覆蓋范圍區分）。小基站數量越多信號覆蓋范圍越大且服務質量越高，蜂窩網絡就是由多種基站信號覆蓋形成，可滿足各種無線通信、網絡應用需求。

5G基站能耗模型由組件模型、線性模型和異構網絡（HetNet）模型組成，即：

1.組件模型。[4]5G基站是5G移動通信網絡的核心設備和主要能耗設備，各種組件是基站功耗的主要來源，包括功率放大器、信號處理單元和天線等，多組件能耗模型計算公式如下：

此外，還可以從網絡節點處理信息角度將功耗模型分為功率放大器功耗、電路功耗（包括靜態功耗、動態功耗），電路功耗中的靜態功耗及動態功耗分別作用于電路操作、節點信息處理，計算公式如下：

2.線性模型。可通過“線性回歸算法”擬合5G 基站線性模型，然后在該基礎上構建5G 基站能耗模型，線性模型包括基站活動及基站睡眠，具體計算公式如下：

3.異構網絡（HetNet）模型[5]。該模型的建立能夠解決各種移動網絡覆蓋問題，包括MEC-H架構和HetNet架構，可通過邊緣計算方法構建異構網絡（HetNet）模型，具體計算如下：

（二）5G網絡能效模型

包括能量效率模型及成本效率模型，具體見表1。

二、5G網絡能耗管控關鍵技術

5G網絡能耗管控關鍵技術包括分布式能量采集技術、分布式能量存儲技術及需求響應技術，本文從電力系統能源消耗層面，[6]分析分布式清潔能源發電、分布式儲能、需求響應及協同管控等技術，具體如下：

（一）分布式清潔能源發電技術

在進行清潔能源發電之前需要結合無線通信網絡部署和構建能量收集基站（EHBS），包括分布式光伏發電能量收集基站、分布式風力發電能量收集基站，以滿足各種發電能量收集需求。在互聯網系統中不僅要應用先進的5G網絡技術，還需要根據實際配置分布式清潔能源，以高效解決移動網絡應用過程中消耗大量能量的問題，并達到保護環境和綠色化發展的目的。[6-7]此外，分布式清潔能源發電技術的應用還能夠快速獲取清潔且成本較低的可再生能源，并逐漸替代電網能量，已經被應用于各個地區，解決了部分地區清潔能源發電困難的問題。

分布式清潔能源發電技術也存在一些不足，例如容易受到天氣因素影響，因為可再生能源是隨機分布在不同時間和空間上，導致不同發電能量收集基站收集到的能源量不同，所以需要為各發電能量收集基站配置較為穩定儲能系統及配電網，確保供需關系平衡。[7]還可以通過加強可再生能源管理、優化能源收集設施、配備能量采集裝置和存儲設備等方式來提高發電能量收集基站的運行效率、安全性及存儲能力，從而應對各種天氣帶來的不利影響。

分布式清潔能源發電技術與傳統電網相比，不僅能夠實現組件之間的雙向通信，還能夠提高能量流動，更推動了5G 網絡與電網能源的融合，讓清潔能源系統或儲能系統功能更加完善，減少用電支出、碳排放量，所以很多電網運營商都利用能量收集裝置、5G網絡構建5G基站，然后在該基礎上構建分布式清潔能源系統及儲能系統，最后建立控制中心，將控制中心與儲能系統、能源系統結合建立“清潔能源-基站供電系統”。

（二）分布式儲能技術

基于5G網絡的分布式儲能技術能夠構建5G基站儲能系統，該系統功能完善且安全性高，能夠滿足多樣化基站電力儲存及供應需求。相關文獻顯示，5G通信基站部署不僅能夠構建160 GW·h 分布式儲能系統，還能夠滿足不同時間、不同環境下的供電需求，有效防止惡劣天氣、人為事故等原因導致的停電、斷電等不良現象發生。[7-8]5G通信基站通過常規的電池組就能夠處于備電工作模式，故造成的資產利用率較低，降低了能耗及成本。很多大規模的分布式儲能系統都由5G網絡運營商進行配置和構建，在配置過程中為了提高系統的通信實時性、可靠性及可靠性，多數運營商都會不斷優化電源系統，并不斷增加或者更換蓄電池，以保證分布式儲能系統長期處于運行狀態。

宏基站是分布式儲能系統的基礎，宏基站的信號覆蓋范圍、基站功率等直接影響分布式儲能系統的運行效率、安全性及穩定性，信號覆蓋范圍及基站功率越大，則儲能系統越穩定、越安全。傳統通信基站通常情況下都是以鉛蓄電池作為備用電源，鉛蓄電池的壽命較短且性能低、金屬鉛含量大，容易產生污染物質，而基于5G通信網絡的宏基站則使用梯次磷酸鐵鋰電池作為2備用電源，這種電池具有相能量密度極高、循環充放電次數多、壽命長、耐高溫、充放電轉換效率高、體積小等優勢。[8]

分布式儲能技術的應用還具有以下幾點優勢：1.具有很強的波動性和間歇性，能夠直接接入大規模電網系統、綠色基站供電系統及分布式儲能系統中，以解決電網不穩定的問題，并提高分布式清潔能源消納能力。2.與在傳統源網荷模式相比，更能夠有效優化輸電走廊布局，從而解決資源限制與負荷需求增長的矛盾問題，更在很大程度上提高了網絡資源利用率。3.具有很高的調度性，能夠根據儲能需求調整系統儲能系統功能，提高分布式能源系統及儲能系統的接入能力、災變應對能力。

（三）需求響應

資料顯示，5G網絡能耗管控關鍵技術中的需求響應包括價格型、激勵型兩大類需求響應，當分布式清潔能源系統、分布式儲能系統與基站結合時能夠將移動網絡運營商的消費者身份轉變為電網服務及能源供應的身份，實現移動網絡與電網運營商的高效互動，從而滿足人們對各種移動網絡及電網的需求。

優化設計“需求響應程序”和加強“需求管理”是提高需求響應程序或者系統運行效率及安全性的重要渠道。移動網絡或者電網運營商都可以通過分時電價套利、需求側管理、可靠性服務等來優化需求響應程序，并完善5G基站的能量收集功能、動態能量管理系統及儲能系統，以滿足互聯網時代下人們對電網的非彈性及彈性能量需求。還可以將可再生能源基站、能源管理策略及能源互聯網系統結合，構建功能完善的能源管理系統，并配套相應的能源儲存系統、能源賬單管理及輔助服務系統等，以保證可再生能源得到高效管理及控制。利用可再生能源移動網絡調整能量消耗、完善能源互聯網系統功能，以實現對各種能源的實時監督及控制，提高可再生能源利用率。

（四） 協同能耗管控方法

協同能耗管理方法也是5G網絡能耗管控關鍵技術，是通過協調各種管控技術強化能耗管控能力的過程。在5G網絡下可將各種通信技術、儲能技術、能量收集技術等與電網能源、能源互聯網系統協同優化。協同優化后不僅完善了電網能源系統及能源互聯網系統的功能，還在聚合器影響下實現了雙向交換、共享能量及無線資源、相互轉移負荷等，大幅度降低了能源成本。還可以將移動通信技術與同多點傳輸技術、5G基站、可再生能源發電站能源系統協同優化，既降低網絡運營能量成本，又完善能量收集和存儲系統功能，還解決了負荷控制和能量共享等方面的問題。

基站角度，協同優化可分為站內協同、站間協同、站網協同，也稱為基站協作技術，其原理在于協作集中處理基站資源，然后構建制動用戶及服務系統，最后在5G基站支持下實現資源共享。協同優化過程中還需要構建基站與電網的協調機構、能量流控制機制和數據流控制機制等，以高效控制基站及電網的能量。

三、結束語

互聯網背景下，5G網絡在各大領域的應用范圍越來越廣，甚至被普及到某些領域，諸如移動通信領域，加快了我國社會信息化及網絡化發展步伐。該形勢影響下，人們對網絡能耗管控的要求越來越高，很多移動通信運營商都在不斷搭建5G網絡基站，并配套相應的能量采集及儲能系統，以滿足人們對各種網絡應用及能耗管控的需求。因此，上文基于對具有能量采集及儲能功能的5G基站的了解，先分析了5G網絡耗能模型及效能模型，然后在該基礎上從分布式清潔能源系統、分布式儲能系統、需求響應及協同耗能管控方法四個方面，分析5G網絡能耗管控關鍵技術，以達到有效管控能量流與數據流、構建綠色5G網絡的目的。

作者單位：覃光文? ? 重慶信科通信工程有限公司

參? 考? 文? 獻

[1] 劉友波，王晴，曾琦，等. 能源互聯網背景下5G網絡能耗管控關鍵技術及展望[J]. 電力系統自動化，2021，45（12）：174-183.

[2] 任肇澄. 能源互聯網背景下5G網絡能耗管控關鍵技術及展望[J]. 通信電源技術，2021，38（10）：85-87，91.

[3] 翟道森. 無線蜂窩網絡的高效節能資源管控技術研究[D]. 陜西：西安電子科技大學，2017.

[4] 小川弘顕， 下平英和， 阪口啓， et al. ミリ波5Gにおけるアクセス回線とバックホールの同時最適化に関する研究[J]. 電子情報通信學會技術研究報告. 無線通信システム. Radio Communication Systems，2016，116（110）：267-272.

[5] 徐世軍. 智能化網絡能源管理技術和系統在通信機房安全與節能方面的應用研究[J]. 通信電源技術，2020，37（z1）：358-364.

[6] 劉玲. 基于集中式架構的超密集網絡無線資源管理關鍵技術研究[D]. 中國科學院大學，2018.

[7] 張蜀晉. 基于5G通信技術的無線網絡節能降耗技術研究[J]. 數字通信世界，2021（8）：19-20，15.

[8] 孫志升. 基于稀疏碼多址接入的無線網絡資源管控技術研究[D]. 陜西：西安電子科技大學，2017.