6G綠色網絡發展趨勢和關鍵技術

李福昌/LI Fuchang，郭希蕊/GUO Xirui

（中國聯合網絡通信集團有限公司研究院，中國 北京 100048）

隨著移動通信近10年的快速發展，“4G改變生活，5G改變社會”帶動了數字經濟的高速發展，5G更是作為新型數字基礎實施的重要技術在網絡強國、數字中國、智慧社會中發揮了重大作用。基于移動通信發展紅利，人民對于6G技術愿景充滿了更高的期待。6G通信網絡面向用戶，將更加智能化、數字化，為工業互聯網和物聯網提供可靠的網絡通信。

在移動通信技術發展歷程中，雖然網絡設備能效不斷提升，但隨著網絡頻率升高、帶寬增大、規模增長，網絡能耗呈現持續增長的趨勢，未來6G網絡面臨嚴重的能耗挑戰。如何在網絡服務能力持續提升的基礎上實現碳達峰、碳中和是6G網絡發展中的關鍵問題。本文從綠色網絡技術、綠色低碳設備、綠色站點技術、綠色能源技術等角度提出了構建泛在智簡、綠能降碳的6G綠色網絡[1]。

1 6G綠色網絡技術

6G網絡覆蓋涵蓋空天地海等全球全域場景，網絡架構如圖1所示。6G網絡需要在“泛在連接”的基礎上通過架構智簡、協議智簡、組網智簡構建綠色低碳的網絡體系[2]。

圖1 6G綠色網絡架構

1.1 架構智簡技術

為了實現萬物智聯、綠色低碳的發展目標，6G網絡架構將發生顛覆式重構。無線網將打破傳統的有邊界的、煙囪式的架構，支持融合泛在、綠色節能的新型網絡架構。

6G綠色網絡架構將支持空天地一體化組網，通過衛星網絡、空基網絡、低空及地面網絡3層組網，形成以地面網絡為基礎、以非地面網絡為拓展的立體全域覆蓋綠色節能網絡。地面網絡與非地面網絡互聯互通、深度融合，采用統一的協議棧，支持海量用戶無感知、極簡的泛在接入。基于內生智能，6G網絡將充分利用網絡節點的通信、計算和感知能力，通過分布式學習、群智式協同，實現端到端智能編排調度、跨域智能管控，保障用戶為中心的業務感知和最優的網絡能效。

6G綠色網絡架構中地面與非地面網絡層可采用超蜂窩、無蜂窩等符合綠色通信發展趨勢的新型組網方式。

在超蜂窩架構下，基站控制面與用戶面解耦，控制基站與業務基站可以獨立按需部署。前者提供用戶接入以及控制信號的傳遞，可采用大區覆蓋模式；后者為用戶提供高速數據傳輸，可按需靈活部署。同一個控制基站覆蓋范圍內可以部署多個業務基站，且業務基站可根據業務負荷變化動態休眠。在該架構下，網絡覆蓋可跟隨業務需求動態調整，在不影響覆蓋性能的前提下通過控制業務基站適時進入休眠狀態，實現更為靈活的休眠，提升網絡節能效果。

無蜂窩架構以用戶為中心，部署多個分布式接入點以及一個與所有接入點相連接的中央處理單元。通過中央處理單元的集中信號處理，廣泛分布的接入點可以實現高水平的協作，形成一個“超級基站”覆蓋整個區域。每個用戶接入一組特定的接入點，可以利用空間宏分集和低路徑損耗提升網絡的頻譜效率和能量效率。當區域內用戶較少時，可以關斷部分接入點，進一步節省系統能耗。

1.2 協議智簡技術

協議智簡是通過極簡信令優化降低信令開銷實現能耗的降低，主要方法包括優化信令接口，減少冗余信息，采用壓縮編碼技術等。協議智簡技術有助于提高通信系統的效率和穩定性，同時降低能耗和資源占用。

在小區低負荷時，減少公共信號的傳輸次數，可以使小區進入關斷或休眠的節能狀態，降低系統能耗。

在多載波場景下，基于多載波之間的協同，可以將多個載波的系統消息匯聚在一個載波上傳輸。不發送系統消息的載波則可在低負荷時關斷，在降低公共信號開銷的同時降低能耗。

面向海量連接需求，6G綠色網絡結合多域多用戶接收技術、稀疏導頻技術等，使終端無須復雜信令交互即可發起傳輸，適時進入休眠狀態，從而實現零信令開銷、低功耗的極簡傳輸。

1.3 先進的天線技術

6G網絡將結合超大規模多輸入多輸出（MIMO）、分布式MIMO、智能超表面等先進的天線技術和設備實現網絡智能高效精準的網絡覆蓋，提升網絡覆蓋效能。

1） 超大規模MIMO技術

MIMO技術作為提升頻譜效率最有效的技術手段，已在現有網絡中得到了廣泛應用，基站的收發通道數從3G支持的1T1R擴展為5G設備的64T64R。未來6G網絡隨著頻段升高，電磁波波長也變短，將采用超大規模的天線陣列，可以產生寬度更小、能量更加集中的波束，并精確指向目標用戶，以應對超高頻的帶來的大路損。這不僅提升了覆蓋和容量，而且大幅度減少了每比特能耗。

2） 分布式MIMO技術

分布式MIMO[3-4]支持以用戶為中心的智能接入網架構，利用多天線帶來的空間自由度，及對信號空時頻特性的聯合優化，增強通信系統干擾抑制能力，使用戶獲得良好的信道條件，更好地保障業務質量在地理分布上的均衡，實現用戶體驗速率、邊緣覆蓋性能的明顯改善，同時實現設備能效提升。

3） 智能超表面技術

可重構的智能超表面（RIS）技術[5-6]采用了可編程的新型電磁散射材料，通過調控超表面天線單元的相位、幅度或極化方向，大幅改善電磁波傳播環境，從而達到擴展無線信號覆蓋，提升小區吞吐量的效果[7]。

圖2為智能超表面輔助的通信系統模型，其中接收端接收到的信號y為：

圖2 智能超表面輔助的通信系統模型

從發射端經過RIS到達接收端的等效信道h∮H為RIS與接收端間信道h、RIS的可調相移對角矩陣∮以及發送端與RIS間信道H的乘積，g為接收端和發射端之間的直達信道。s是發送端發送的信號，n為高斯白噪聲。當使用RIS輔助通信時，RIS單元反射的信號可以表示為入射信號與該單元反射系數的乘積。

RIS技術的特點是以低功耗的方式智能調控大規模低成本的無源天線單元，從而重構無線環境，實現更佳的覆蓋、更優的用戶體驗。

4） 軌道角動量技術

軌道角動量（OAM）技術[8]可以產生具有不同OAM狀態的電磁波，為移動通信系統提供了一種新型信道復用技術。利用不同模態數的電磁渦旋波間的正交性，可以在同一載波上將信息加載到具有不同軌道角動量的電磁波上，提高系統容量和提高頻譜利用率。系統容量可以寫為電場強度信道容量C(E)和OAM信道容量C(O)之和[9-10]即：

其中，N和M分別為電場強度和OAM的信道個數，Bn（或Wm）分別為第n（或m）個信道的電場強度帶寬（或OAM帶寬），（或）分別為第n（或m）個信道的信噪比。

1.4 智能資源管理技術

無線網絡的能耗與資源使用效率、業務負荷變化緊密相關。如何在滿足用戶服務質量要求的前提下通過智能資源管理提高網絡資源利用率，是6G綠色網絡構建需要重點關注的問題。隨著大數據、人工智能（AI）等技術的快速發展，網絡資源管理將更加實時化、智能化，資源隨業務負荷變化靈活調整，達到提高網絡資源和能源利用率的目標。

在無線設備層面，借助AI技術，可以在網絡業務量、資源使用率、能耗等指標感知與評估的基礎上，基于業務精準預測，對空域、頻域、時域等多域資源進行智能化協同調度，實現以用戶為中心的資源與能源靈活配置，達到能耗、網絡性能、業務體驗的最佳平衡。例如，時分復用（TDM）幀結構是一種可以實現網絡側和終端的節能幀結構設計，AI可以根據實時的網絡狀態和用戶需求，自動調整使用合適的幀結構等。此外，在無蜂窩、超蜂窩綠色網絡架構下，每個分布式基站可實時監測網絡狀態，控制基站或中央處理單元對多個基站或接入點進行協同的資源調度，形成以用戶為中心的覆蓋與資源配置，充分利用網絡資源，降低能耗。例如，通過AI技術可以對計算任務進行分析和預測，確定哪些任務可以被卸載，并將計算任務卸載到合適的設備上。根據設備的能耗和性能等因素，AI還可以動態調整計算任務的分配，以實現最佳的節能效果。

在站點基礎設施層面，需要基于能源管理數字化轉型，將能源基礎設施打造成一張數字化和智能化的網絡。一方面，基于大數據技術實現自動開站、自動聯網、智能運維、全生命期資源管理，提升能效和運維效率；另一方面，根據能耗、碳排放數據以及環境數據的實時感知，智能控制電源、空調等設施的工作狀態，節省能源消耗。

此外，AI技術與數字孿生等技術結合，可以實現數據驅動的決策與優化。孿生網絡可以模擬網絡的服務、環境、負載和網絡設備的性能、能耗情況，實時監測網絡的運行狀態和能耗情況。同時，數字孿生可以對網絡進行模擬優化，為AI提供參數輸入和決策支持，從而幫助AI提出更有效的節能方案。

1.5 基于L1/L2的新型動態關斷節能技術

目前，傳統的節能關斷技術主要是基于高層和半靜態的負荷預測和用戶連接數預測，存在省電狀態切換慢、基于歷史負荷而非當前實時負荷的預測等問題，無法在不犧牲容量的條件下大幅度降低基站功耗。

新型動態關斷技術主要基于基站的能效感知的動態調度器[11]，可以根據實時負荷水平、無線信道質量和實時可用資源做最優調度，實現時域關斷、通道關斷和下行功率控制毫秒級的快速狀態切換，可以在幾乎不犧牲容量的條件下大幅度降低基站功耗。動態通道關斷示意如圖3所示。

圖3 動態關斷示意圖

2 綠色低碳設備

未來6G網絡，在信號瞬時帶寬方面將會超過1 GHz以上，工作頻率也會達到100 GHz頻段甚至太赫茲。針對高頻大帶寬設備，芯片技術、信號處理技術和器件在能耗方面將面臨諸多新問題和新挑戰。

2.1 高效芯片技術

6G網絡將驅動無線網絡進入萬物智聯，基站系統要實時處理達到Tbit/s的數據流量。這對芯片性能提出了更高的要求，芯片的能耗將成倍提升。下文中通過對芯片制程、封裝工藝、異構芯片等技術研究，我們探索芯片的節能降耗技術。

1）先進制程

制程節點越小意味著晶體管越小，速度越快，那么能耗表現就越好。超高集成度的6G基帶及數字中頻芯片，配合使用超高集成度的射頻前端，可以全面降低6G基站的整機功耗。

2）基于Chiplet的芯片封裝集成技術

采用跨工藝、跨封裝的Chiplet多芯粒互聯技術和面向通用小芯片互連通道（UCIe）標準的Chiplet接口IP設計等先進技術，可以實現更高的系統集成度，在同等單位面積硅片上集成更多數量的晶體管，提升晶體管密度，實現芯片的節能。

3）專用芯片和通用芯片技術

采用領域定制（DSA）的異構計算，將專用芯片和通用芯片進行融合，并采用中央處理器（CPU）/通用處理器（GPU）/網絡處理器（NPU）/現場可編程門陣列（FPGA）/專用集成芯片（ASIC）來完成對特定業務的加速，從而達到提升系統算力的目的。

2.2 高效信號處理技術

在6G網絡高能效目標牽引下，6G系統的基帶處理、數字中頻、射頻信號算法處理需要進行新的設計和優化。

在信道編碼方面，新的6G信道編碼可以考慮具有內在并行特征的低密度奇偶校驗（LDPC）碼，降低信道編碼的復雜度，同時考慮在犧牲少量性能的條件下追求吞吐量、功耗、靈活性、成本的綜合最優，實現最佳的基帶芯片節能效果。

在采樣帶寬方面，欠采樣條件下的射頻算法處理可以緩解大帶寬對模數轉換器（ADC）采樣芯片造成的功耗壓力。但同時要注意欠采樣算法模型和計算復雜度不能過高，否則同樣會帶來算法處理芯片的功耗壓力，因此需要在射頻器件能效提升和基帶處理芯片功耗提升之間做折中考慮。

在降低射頻信號峰均比方面，我們可以采用以下兩種技術：一是直接設計低峰均比信號，例如，通過改變信號調制方式或幀結構參數，使得處理信號本身就具有低峰均比特性；二是基于傳統的峰值因子消減（CFR）算法向大帶寬方向進行技術迭代和優化。

在數字預失真（DPD）算法方面，我們采用6G超大帶寬和多頻段的DPD算法，提升功率放大器（PA）的線性度，從而提升功放效率。同時，還需要解決由相控陣波束成形帶來的多個并行PA使用單個DPD算法進行線性化的問題。

在物理層技術增強方面，6G網絡還可采用極化編碼、概率成形調制、基于免調度的非正交多址接入以及全雙工等潛在的新技術，提升系統頻譜效率，降低接入開銷，在滿足6G全業務場景、全類型終端的接入需求的同時提升系統能效。

另外，通信與感知融合技術和反向散射技術也可以提升6G網絡的能效。通信與感知的融合使得無線系統可以深度感知無線環境，優化/簡化信道測量和干擾測量，從而提升通信的能效。反向散射技術可以有效降低數據傳輸功耗。終端還可以通過能量采集技術從環境的能量源中收集能量，滿足近零功耗終端的通信需求。

2.3 高效功放技術

有統計指出[12]，無線通信系統近40%功耗來自PA。目前業界采用第3代半導體氮化鎵（GaN）技術解決了5G大帶寬、高頻率的問題，但隨著毫米波、太赫茲技術的發展與應用，需要繼續提升GaN器件的功放效率。可以通過包絡跟蹤技術以及Doherty功放+異相Outphasing[13]發射機技術來提升末端功放效率。在6G PA材料方面，GaN、鍺化硅（SiGe）、磷化銦（InP）等材料的使用可以有效提高功率放大器的功率和效率。

2.4 新型材料技術

對于6G超大規模天線的MIMO，新型材料提供了良好的寬帶性能和卓越的功率密度及功耗效率，滿足嚴格的熱規范，同時為緊密集成的超大規模天線陣列節省了寶貴的芯片空間。

低損綠色天線[14]通過低損耗新型天線罩、塑料金屬化新型陣子、一體化低損耗移相器、免電纜天線設計等技術提高天線電磁轉換效能，提高天線覆蓋增益，實現相同覆蓋范圍下發射功率的降低，從而實現整網能效的提升。

高效散熱材料采用更高效的散熱技術，可降低設備工作溫度，從而提升芯片工作能效。目前業界正在開發全新的高導熱壓鑄鋁合金材料。該材料較傳統壓鑄鋁合金導熱系數提升30%，同等產品散熱能力提升5%。有源天線處理單元（AAU）及射頻拉遠單元（RRU）設備散熱能力提升可使處理器及功放等器件工作于更低能耗的狀態，從而提升設備能效。

3 綠色站點技術

3.1 站點級節能

為有效降低6G網絡配套設施能耗與碳排放，大幅減少基站機房及配套設備的建維成本，我們需重構傳統建維體系，從系統架構、供電系統、空調系統、綠色能源、智能建維等多個方面著手，提升站點基礎設施整體能效和碳效。

1）構建極簡系統架構。堅持“極簡建設+低碳高效”發展模式，基于集成化、標準化、預制化、模塊化等核心要素，以智能供電系統、多模式空調系統、新能源及備儲一體系統等打造新型系統架構，滿足6G網絡室內/室外多場景低碳、靈活部署的需求。

2）提高供電系統效能。聚焦供電設備器件級、設備級、系統級的能效提升，推動氫燃料電池、固態電池及備儲一體等新型電池技術落地，加速6G網絡能源清潔化，實現電業技術協同，并結合網絡級、業務級能耗/碳數據精準采集，全面提升供電系統效能。

3）提升散熱能力。6G站點應因地制宜地充分利用自然冷源，引入AI，實現空調運行狀態的智能控制，使空調系統始終運行在最佳能效區間；面向6G設備高功率需求，推動液冷技術在6G站點的應用，提升站點整體散熱能力。

4）打造智能建維。基于動態資源管理技術，構建、運行、維護、再分配及報廢的全生命期的建維體系。引入數字孿生技術，以數字化、智能化搭建建維技術體系，實現與新型基礎設施結合、自主智能化運行和故障的自我維護等，最大限度降低6G網絡建維成本。

3.2 數據中心節能

數據中心的綠色節能低碳發展不再單純追求極低的電能使用效率（PUE），需要綜合考慮可再生能源、算力、信息通信（IT）設備能耗、制冷及供配電設備能效等多方面關鍵因素，重點關注各系統的高效協同工作，并通過高效制冷、余熱回收、多維度能效提升、AI智能控制等節能新技術的應用，配合精細化的運行維護管理，最終實現數據中心的綠色節能。

4 綠色能源技術

隨著6G的到來，綠色能源相關產業逐漸成熟，將成為基站系統供電的主要來源之一。6G網絡技術將推動綠色能源系統優化配置、控制管理、智能運維等方面的能力提升，增強綠色能源的發電效率、穩定性和安全性。從6G網絡能源供給“開源”入手，豐富基礎設施的綠色化轉型模式，力爭打造電力算力協同、資源利用充分、能效優化合理、運行穩定可靠的6G網絡綠色能源供給體系。

4.1 6G設備與綠色能源深度融合技術

為解決6G網絡耗電量大、增速快、碳排放量高的問題，6G網絡需要提高清潔能源供給效率，因此可在6G前端設備中融合光伏電池、新型儲能電池、熱電轉換器等技術，并內置傳感器采集綠色能源相關的參數數據，如光照、風速、溫度等，增強6G網絡對綠色能源的感知與調節能力，提升6G設備清潔能源的就地消納能力，減少6G設備高碳排能源輸入占比，直接降低6G設備運營階段碳排放。

4.2 6G網絡與分布式微電網協同技術

6G網絡時代，會出現大量分布式形態的算力資源。為持續推進節能降碳，我們需要構建相適應的高度分布式形態的綠色能源網絡，因此需要將6G網絡與綠色能源物聯網連接，形成通信-電力系統能量平衡優化機制，提供通信與電力調度需求耦合的通信網-電力網互補支撐，在邊緣側實現源-網-荷-儲靈活互動以及海量分布式資源的協同運行，形成電力網絡與通信網絡的靈活性共享機制，實現跨網的資源優化配置，達到大幅降低6G通信系統碳排放效果，從而提升6G網絡與電力系統的能效與碳效。

5 結束語

2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的雙碳目標與中國6G技術與網絡發展時間正好契合。本文中，我們提出了在網絡架構、關鍵技術、協議簡化、綠色設備、綠能融合等方面的技術演進方向，打造綠色低碳的6G綠色網絡。未來，我們希望6G網絡碳排放強度（單位信息流量碳排放）相比2020年下降90%以上，為2030年實現通信領域碳達峰夯實基礎。