5G通信技术下通信网络能耗分析及节能技术的应用

2020-01-05张筑毅

通信电源技术 2020年14期

张筑毅

（中国移动通信集团贵州有限公司贵阳分公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

5G相比于以往的通信技术而言，具有更好的用户体验，能够为用户提供稳定快捷的通信服务。通过运用超密网技术、MIMO技术以及多天线传输技术，可以更好地发挥5G通信技术的稳定性优势。5G通信技术能够支持数十亿台设备和万亿条数据信息的并发，并且能够确保其安全可靠地路由至其他设备。此外，5G通信技术结合大规模的物联网技术使用，可确保海量数据的安全传输和交互。在研发5G通信技术环节，为了确保技术的经济价值，需要合理控制成本，从而为推广运营提供更大的发展空间[1]。

1 5G通信技术的关键技术

1.1 多天线传输技术

多天线传输技术能够数十倍地扩展网络通信系统容量，并有效降低了不同用户之间的互相干扰，确保无线网络覆盖范围更加广泛。与以往的通信技术相比，5G基站建设需要配备更多的天线，数量可达上百根，从时间和空间等多个领域和维度提升了能量的使用效率。

1.2 大规模MIMO技术

MIMO技术增加了频谱的宽度，能够同步收发网络信号，大幅提升了网络数据接收和传输的能力，增强了信道容量的利用率，最终建立起高效和完整的网络通信系统。MIMO技术的大规模使用，能够弥补传统通信网络频谱带宽的不足，减少通信成本，提高通信质量和稳定性[2]。近些年，MIMO技术也对天线单元做出了相关调整，增强了其接收数据和传输数据的效率，从而增强了通信能力，为以后设备维护和基站建设提供了便利。

1.3 超密集组网技术

超密集组网技术建立了完善的通信体系，主要包括虚拟层技术和无线物理技术两部分。虚拟层技术可以通过单层实体网络进行多层虚拟部署，而虚拟层可以通过平台的基站进行控制，以实现调用单载波和多载波，从而对5G通信技术实施动态监管[3]。无线物理技术主要通过编码技术、多址技术以及MAC技术等提升5G网络的频谱带宽，同时有利于提升网络信号强度，可以满足用户在不同场景下的使用需求。

2 5G通信网络中的能耗分析

2.1 5G通信网络中的设备能耗分析

通信行业属于高科技应用下的高能耗行业。科技发展推动了通信技术的进步，使得各行各业能够享受到通信技术带来的便利。通信行业的快速发展也推动了人们生活方式的变化，新的应用场景不断出现，人们对通信网络的需求也不断提升，促使目前通信网络规模不断扩大，带来了巨大的网络能耗损失。当下5G通信技术的主要能耗源自于服务器传输信息系统和相应的交换设备。网络机房数量随着交换设备的增加而增加，而网络交换设备又具有不同使用场景的环境需求，导致通信网络中能耗的增长。5G通信网络中的程序可以有效控制交换设备。大多数情况下，网络设备采用直流电，配合交换网络的特性。交换机需要同步完成网络通信，意味着在通信过程中网络设备不能断电。所以，操作过程中，需要尽量确保该部分电源的合理布局。目前，使用最多的设备是ATM/FR，其使用的是直流电[4]。

2.2 5G通信电源系统的能耗分析

当前通信网络电源系统主要采用直流供电系统。5G通信网络设备需要在直流供电系统下运行，通过传统集中供电方式向分散供电方式提供通信所需要的基础电源。这种方式能够提高供电系统的效率并降低能耗。分散供电方式类似于并行电路，一旦某个节点系统出现故障，也不会导致整个通信系统的瘫痪，还能够有效压缩直流供电馈线。设备中的UPS和开关电源在运行过程中会产生大量的高次谐波，会造成电能质量恶化和不同高次谐波之间的相互干扰，也会造成额外的能量损耗，不利于确保供电系统的可靠性，严重时甚至可能引发保护装置的失效和发电机无法启动等不良后果。虽然目前5G通信电源已经具备统一方式，但是安装和使用过程尚未形成统一标准，每个网络运营商的施工技术都存在差异。此外，电源系统在施工中的标准不同，技术人员水平参差不齐，导致许多通信设备因为电源系统而被损坏。同时，不规范的安装方式也导致了能量损耗过大和使用效率过低等问题[5]。

2.3 5G移动通信基站的能耗分析

移动网络的发展导致了各地移动通信基站数量的激增。移动通信基站是无线电台站的主要形式，在无线网络覆盖的区域范围内，通过已经存在的基站能够实现移动终端之间信息的接收和传递。目前，大力发展5G通信技术，移动通信基站的建设成为通信运营商建设和投资的重要环节。移动通信基站的投建需要综合考虑建设难易、维护成本、信息传输质量以及网络覆盖面积等多方面因素。伴随着5G通信网络的分组化和数据化，网络基站建设也会朝着宽带化和IP化方向迈进，且覆盖范围也会进一步扩大。目前，5G移动基站建设效率低和资源浪费现象严重，因此需要结合当下先进的科学技术进行改造。

3 通信网络中的节能途径

3.1 通信网络中设备节能的途径

认真研习5G移动通信设备的性能，从网络设备入手，总体上制定实施方案以提高效率，同时也能确保执行的准确性，调动积极因素，理清节能思路，形成完善的指导原则。在5G移动通信设备的选型方面，尽量使用对环境要求不高和能量损耗相对较小的节能型网络设备，充分考虑经济效益和环境效益，选择剩余价值最大化的设备，并在具体应用中及时、合理地设定和调整相关的用电负荷，在方法上加以改良。总体而言，要想实现网络设备节能最大化，需要做到以下两个方面。一方面，采用设备普查，更新通信效率低、耗电多以及发热量大的设备，尽量确保设备的小型化和轻量化，如软交换设备、直流供电服务器、无变压UPS设备、光纤接入设备以及5G移动通信基站设备等。使用软交换设备替换电路交换设备，则可以提升融合能力和业务支撑能力，还能够减少占地面积和降低电力损耗，有效延长设备的使用寿命[6]。另一方面，合理配置5G通信网络设备的工作参数，确保设备能够在最佳的状态下工作，从而达到节能的目的。

3.2 通信电源系统的节能途径

当前5G通信系统建设方面普遍存在问题，虽然已有一定的建设方案，但是在具体实施中还缺乏有效的标准。不同网络运营商具有不同的技术配备，导致目前移动通信电源系统应用在施工上比较随意，技术人员水平也有差异，很多都是凭借经验而非充分考量和分析设备特性进行电源系统的安装及使用。这些问题会损害设备，使电源能耗升高，降低使用效率。若不能解决这方面的问题，将制约5G通信网络的发展。结合相关研究，最常见的节能途径是利用分散供电的途径控制能耗。例如，可以通过缩减直流供电馈线的距离、电源线的截面和使用条数等，一方面节约耗材，另一方面降低施工难度，通过降低直流损耗控制整体损耗。相比于集中供电，分散供电方式对动力机房提出了新的要求。动力机房必须要通过交流供电的方式将电直接输送到通信机房的直流电源系统。这种方式一方面可以通过比较简约的方式实现节省耗材，另一方面能够有效控制能量损耗。但是，这种选择并不是一成不变的。实操过程中，技术人员可借鉴成功经验，结合实际情况进行分析，有效创新和改革节能途径，以丰富和提升节能降损的手段和措施。

3.3 移动通信基站的节能途径

5G移动通信业务的需求不断增长，网络基站的数量也在不断增加，通信网络基站的耗电量需求也在同幅度提升。基站节能方案设计的指导原则是通过最少数量的基站实现更大范围的覆盖，通过数量控制能量损耗。首先，优化无线网络设计，在保证通信质量的前提下减少移动基站数量。其次，节能方案的设计需要考虑实际环境需求。5G移动通信基站应合理配备空调数量和空调运行时间。最后，合理利用风能和太阳能供电系统，建立风能和光能互补的供电基站。实践表明，在对整个5G网络进行节能时，需要从总体上制定应用方案，降低能耗的同时，提高系统运行效率，确保运行过程的准确性。

4 5G通信网络节能方案的应用

5G移动通信网络需要在基站安装数百根天线以实现数据的同时发送，并通过超密集异构网络技术和自组织网络技术等提升性能。信道模型、容量、传输方案以及天线抵消技术会影响大规模MIMO的功效[7]。按照实际需求，采用超密集异构网络部署方式和大规模的MIMO天线阵列，将促使5G系统的宏基站覆盖范围更加广泛。5G网络设备可以高效地实现跨4G-LTE、5G、WiFi的并发连接和聚合，通过开发和改进屏幕显示技术、芯片架构、低复杂度算法以及射频功放技术等改善终端能耗。此外，结合与移动任务迁移密切关联的5G特征，实现超密集小区覆盖、高频段毫米波通信、终端直连D2D以及终端多种无线接入方式合作等，实现高效低复杂度的移动算法，以解决5G移动任务迁移的能耗优化问题。实际应用中，5G通信网络的节能还需要兼顾空调自适应技术、添加剂节能技术以及分布式基站节能技术等。通信机房的空调建设作为最基础的环节之一，还有很大的改良空间，需要结合目前的先进技术进行改造[8]。