探讨互联网背景下的5G网络能耗管控关键技术

【摘要】    我国已经迎来了5G时代，第五代移动通信（5G）网络技术已经被应用于各大领域，并取得了良好的应用效果，加快我国社会经济及科学技术发展。在5G时代影响下已经衍生出很多相关的网络技术，其中网络能耗管控技术最具有影响力，能够满足各种网络能耗管控需求，如分布式清洁能源系统、储能系统与需求响应等领域都应用到了5G 网络能耗管控技术，实现了节能减排，由此可见5G网络能耗管控关键技术的重要性。所以下文以5G基站能耗管控为例，从模型、算法、技术路线等方面分析5G 网络能耗问题、5G 网络能耗管控关键技术。

【关键词】    5G网络    能耗管控技术    分布式储能    需求响应

引言：

现如今，互联网已经走向能源互联网发展道路，减排压力、推动电力能源及绿色通信网络结构变革是能源互联网发展的主要任务，也是互联网时代发展主要目标。在该形势下不仅衍生出很多先进的通信技术、网络技术及信息技术，还孕育出智能管理技术、新型电力网络技术、能量存储技术、能量采集技术等。第五代移动通信（5G）网络是现时代较为新型的通信基础设施建设，简称“新基建”，除了能够为其他基础设施建设提供重要网络支撑以外，还能够实现能源互联网，但随之5G 技术的日益成熟也增加了移动通信量、基站（BS）密度与能耗，这意味着移动网络能耗大幅度增加，会导致各种能耗、绿化问题发生，严重者还会导致环境污染及破坏，故必须构建节能绿色5G网络。[1]

5G网络能耗管控关键技术是构建节能绿色5G网络的前提和基础，负载可调节性配合储能技术、分布式清洁能源接入技术、分布式能量采集及存储技术等都是5G网络能耗管控关键技术，这些技术的应用能够优化互动负荷、用电负荷优化，并为电网提供需求响应等服务，不仅提高了经济收益，还有效控制和降低能源消耗，实现绿色无线通信及网络应用。[2]对此，本文根据相关文献，对互联网背景下的5G网络能耗管控关键技术进行了详细分析

一、5G网络能耗、能效模型

5G网络能耗、能效模型能够将5G网络能耗问题具体、形象和直观地展现出来。现阶段我国手机网民规模已经超过8亿，手机上网比例更是高达99%，传统网络已经无法满足用户网络能耗需求。而5G网络作为新型蜂窝移动通信技术，具有数据速率高、延迟减少、节省能源、成本低、系统容量大等优势，能够满足各种网络能耗需求，5G网络能耗、能效模型则能够实现绿色无线网络，从而达到降低二氧化碳排放量、基站设备能耗的目的，所以5G网络能耗管控的前提和基础就是5G网络能耗模型和5G网络能效模型。[3]具体如下：

（一）5G网络能耗模型

5G网络能耗模型也称为5G基站能耗模型，“基站”是指公用移动通信基站，是各种移动设备接入互联网的接口设备。5G基站分为宏基站（MBS）、小基站（SBS），其中小基站分为微基站、皮基站和飞基站（根据覆盖范围区分）。小基站数量越多信号覆盖范围越大且服务质量越高，蜂窝网络就是由多种基站信号覆盖形成，可满足各种无线通信、网络应用需求。

5G基站能耗模型由组件模型、线性模型和异构网络（HetNet）模型组成，即：

1.组件模型。[4]5G基站是5G移动通信网络的核心设备和主要能耗设备，各种组件是基站功耗的主要来源，包括功率放大器、信号处理单元和天线等，多组件能耗模型计算公式如下：

此外，还可以从网络节点处理信息角度将功耗模型分为功率放大器功耗、电路功耗（包括静态功耗、动态功耗），电路功耗中的静态功耗及动态功耗分别作用于电路操作、节点信息处理，计算公式如下：

2.線性模型。可通过“线性回归算法”拟合5G 基站线性模型，然后在该基础上构建5G 基站能耗模型，线性模型包括基站活动及基站睡眠，具体计算公式如下：

3.异构网络（HetNet）模型[5]。该模型的建立能够解决各种移动网络覆盖问题，包括MEC-H架构和HetNet架构，可通过边缘计算方法构建异构网络（HetNet）模型，具体计算如下：

（二）5G网络能效模型

包括能量效率模型及成本效率模型，具体见表1。

二、5G网络能耗管控关键技术

5G网络能耗管控关键技术包括分布式能量采集技术、分布式能量存储技术及需求响应技术，本文从电力系统能源消耗层面，[6]分析分布式清洁能源发电、分布式储能、需求响应及协同管控等技术，具体如下：

（一）分布式清洁能源发电技术

在进行清洁能源发电之前需要结合无线通信网络部署和构建能量收集基站（EHBS），包括分布式光伏发电能量收集基站、分布式风力发电能量收集基站，以满足各种发电能量收集需求。在互联网系统中不仅要应用先进的5G网络技术，还需要根据实际配置分布式清洁能源，以高效解决移动网络应用过程中消耗大量能量的问题，并达到保护环境和绿色化发展的目的。[6-7]此外，分布式清洁能源发电技术的应用还能够快速获取清洁且成本较低的可再生能源，并逐渐替代电网能量，已经被应用于各个地区，解决了部分地区清洁能源发电困难的问题。

分布式清洁能源发电技术也存在一些不足，例如容易受到天气因素影响，因为可再生能源是随机分布在不同时间和空间上，导致不同发电能量收集基站收集到的能源量不同，所以需要为各发电能量收集基站配置较为稳定储能系统及配电网，确保供需关系平衡。[7]还可以通过加强可再生能源管理、优化能源收集设施、配备能量采集装置和存储设备等方式来提高发电能量收集基站的运行效率、安全性及存储能力，从而应对各种天气带来的不利影响。

分布式清洁能源发电技术与传统电网相比，不仅能够实现组件之间的双向通信，还能够提高能量流动，更推动了5G 网络与电网能源的融合，让清洁能源系统或储能系统功能更加完善，减少用电支出、碳排放量，所以很多电网运营商都利用能量收集装置、5G网络构建5G基站，然后在该基础上构建分布式清洁能源系统及储能系统，最后建立控制中心，将控制中心与储能系统、能源系统结合建立“清洁能源-基站供电系统”。

（二）分布式储能技术

基于5G网络的分布式储能技术能够构建5G基站储能系统，该系统功能完善且安全性高，能够满足多样化基站电力储存及供应需求。相关文献显示，5G通信基站部署不仅能够构建160 GW·h 分布式储能系统，还能够满足不同时间、不同环境下的供电需求，有效防止恶劣天气、人为事故等原因导致的停电、断电等不良现象发生。[7-8]5G通信基站通过常规的电池组就能够处于备电工作模式，故造成的资产利用率较低，降低了能耗及成本。很多大规模的分布式储能系统都由5G网络运营商进行配置和构建，在配置过程中为了提高系统的通信实时性、可靠性及可靠性，多数运营商都会不断优化电源系统，并不断增加或者更换蓄电池，以保证分布式储能系统长期处于运行状态。

宏基站是分布式储能系统的基础，宏基站的信号覆盖范围、基站功率等直接影响分布式储能系统的运行效率、安全性及稳定性，信号覆盖范围及基站功率越大，则储能系统越稳定、越安全。传统通信基站通常情况下都是以铅蓄电池作为备用电源，铅蓄电池的寿命较短且性能低、金属铅含量大，容易产生污染物质，而基于5G通信网络的宏基站则使用梯次磷酸铁锂电池作为2备用电源，这种电池具有相能量密度极高、循环充放电次数多、寿命长、耐高温、充放电转换效率高、体积小等优势。[8]

分布式储能技术的应用还具有以下几点优势：1.具有很强的波动性和间歇性，能够直接接入大规模电网系统、绿色基站供电系统及分布式储能系统中，以解决电网不稳定的问题，并提高分布式清洁能源消纳能力。2.与在传统源网荷模式相比，更能够有效优化输电走廊布局，从而解决资源限制与负荷需求增长的矛盾问题，更在很大程度上提高了网络资源利用率。3.具有很高的调度性，能够根据储能需求调整系统储能系统功能，提高分布式能源系统及储能系统的接入能力、灾变应对能力。

（三）需求响应

资料显示，5G网络能耗管控关键技术中的需求响应包括价格型、激励型两大类需求响应，当分布式清洁能源系统、分布式储能系统与基站结合时能够将移动网络运营商的消费者身份转变为电网服务及能源供应的身份，实现移动网络与电网运营商的高效互动，从而满足人们对各种移动网络及电网的需求。

优化设计“需求响应程序”和加强“需求管理”是提高需求响应程序或者系统运行效率及安全性的重要渠道。移动网络或者电网运营商都可以通过分时电价套利、需求侧管理、可靠性服务等来优化需求响应程序，并完善5G基站的能量收集功能、动态能量管理系统及储能系统，以满足互联网时代下人们对电网的非弹性及弹性能量需求。还可以将可再生能源基站、能源管理策略及能源互联网系统结合，构建功能完善的能源管理系统，并配套相应的能源储存系统、能源账单管理及辅助服务系统等，以保证可再生能源得到高效管理及控制。利用可再生能源移动网络调整能量消耗、完善能源互联网系统功能，以实现对各种能源的实时监督及控制，提高可再生能源利用率。

（四） 协同能耗管控方法

协同能耗管理方法也是5G网络能耗管控关键技术，是通过协调各种管控技术强化能耗管控能力的过程。在5G网络下可将各种通信技术、储能技术、能量收集技术等与电网能源、能源互联网系统协同优化。协同优化后不仅完善了电网能源系统及能源互联网系统的功能，还在聚合器影响下实现了双向交换、共享能量及无线资源、相互转移负荷等，大幅度降低了能源成本。还可以将移动通信技术与同多点传输技术、5G基站、可再生能源发电站能源系统协同优化，既降低网络运营能量成本，又完善能量收集和存储系统功能，还解决了负荷控制和能量共享等方面的问题。

基站角度，协同优化可分为站内协同、站间协同、站网协同，也称为基站协作技术，其原理在于协作集中处理基站资源，然后构建制动用户及服务系统，最后在5G基站支持下实现资源共享。协同优化過程中还需要构建基站与电网的协调机构、能量流控制机制和数据流控制机制等，以高效控制基站及电网的能量。

三、结束语

互联网背景下，5G网络在各大领域的应用范围越来越广，甚至被普及到某些领域，诸如移动通信领域，加快了我国社会信息化及网络化发展步伐。该形势影响下，人们对网络能耗管控的要求越来越高，很多移动通信运营商都在不断搭建5G网络基站，并配套相应的能量采集及储能系统，以满足人们对各种网络应用及能耗管控的需求。因此，上文基于对具有能量采集及储能功能的5G基站的了解，先分析了5G网络耗能模型及效能模型，然后在该基础上从分布式清洁能源系统、分布式储能系统、需求响应及协同耗能管控方法四个方面，分析5G网络能耗管控关键技术，以达到有效管控能量流与数据流、构建绿色5G网络的目的。

作者单位：覃光文    重庆信科通信工程有限公司

参  考  文  献

[1] 刘友波，王晴，曾琦，等. 能源互联网背景下5G网络能耗管控关键技术及展望[J]. 电力系统自动化，2021，45（12）：174-183.

[2] 任肇澄. 能源互联网背景下5G网络能耗管控关键技术及展望[J]. 通信电源技术，2021，38（10）：85-87，91.

[3] 翟道森. 无线蜂窝网络的高效节能资源管控技术研究[D]. 陕西：西安电子科技大学，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]. 電子情報通信学会技術研究報告. 無線通信システム. Radio Communication Systems，2016，116（110）：267-272.

[5] 徐世军. 智能化网络能源管理技术和系统在通信机房安全与节能方面的应用研究[J]. 通信电源技术，2020，37（z1）：358-364.

[6] 刘玲. 基于集中式架构的超密集网络无线资源管理关键技术研究[D]. 中国科学院大学，2018.

[7] 张蜀晋. 基于5G通信技术的无线网络节能降耗技术研究[J]. 数字通信世界，2021（8）：19-20，15.

[8] 孙志升. 基于稀疏码多址接入的无线网络资源管控技术研究[D]. 陕西：西安电子科技大学，2017.