“双碳”战略下无线网络碳排与碳效度量

龚 菲 钟 祎 葛晓虎

华中科技大学 武汉 430074

引言

在我国“十三五”期间，经济迅速发展，温室气体碳排放量总额年均增长超过全球的平均水平，2020年我国的碳排放量总额占世界整体碳排放量比重超过了30%；国家在制定碳减排政策并实施的同时，必须确保国家整体经济持续健康向前发展，经济发展的同时，国家整体温室气体排放量必定会增加。国家要想实现碳达峰要以强大的经济基础作为支撑，这是国家实施“双碳”战略的必要条件。习近平主席在第七十五届联合国大会上向全世界宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这也就是说，从碳达峰到碳中和，其他国家对于双碳战略的完全实现预留了将近70年，我国只有30年的时间来完成，时间非常紧迫。

早期对于通信系统的研究主要关注的是频谱效率以及能量效率，而忽视了碳效率[1]。现在，随着碳排放量越来越大，温室效应越来越严重，越来越多的人开始重视碳排放。降低碳排放，发展低碳经济，已经成为我国经济社会发展的重要目标。在无线网络各环节，尤其是无线站点处对碳排放进行测算，对无线站点的全生命周期进行碳排放度量。参考能效，对碳效率给出初步定义，并将碳效率与传统的一些无线网络度量指标相结合，分析其间的关系，便于以后在无线网络中提高绿色能源的使用比例，将无线网络与能源网络相匹配，提高绿能利用率。

1 “双碳”战略下信息通信行业节能减排举措

在国家发布“双碳”战略后，华为、中信集团以及三大运营商都积极响应国家号召，践行集团“双碳”发展，为自身以及其他行业节能减碳出谋划策。

华为发布有关绿色低碳的白皮书，希望通过采取一些举措来建立一套有效的能效衡量体系，如何在无线网络的发展中将绿色低碳落实到各项技术中，更快地实现碳达峰碳中和[2]。

中信集团也发布相关“双碳”战略具体行动的白皮书，为企业实现2060“双碳”战略目标提供了切实可行的行动计划[3]。此外，还利用ICT技术赋能其他行业，帮助其他行业节能减排，根据白皮书中的数据显示，中信集团在2020年助力外部企业和个人实现间接二氧化碳减排达到2 000万吨。

中国联通在提高自身节能降碳能力的同时,聚焦“大数据”与“大应用”的主责领域，用创新与科技助力经济社会发展向着绿色生态和低碳目标的全面转型发展[4]。中国移动通过打造绿色引擎，赋能数智化生产，丰富数智化生活，助力社会降碳减排。中国电信强化国家低碳网络的重大科技攻关能力建设，牵头推动国内标准与规范研究制订和建立健全的企业层“双碳”管理体系，加大“双碳”的重要资源投入。

2 无线站点全生命周期碳排放度量

受“双碳”目标挑战的驱动，提高绿色能源在无线网络中的比例是实现碳中和的重要手段，因而需要研究无线网络中引入新能源的方式，但是，目前能源网络与无线网络仍相对独立，绿能利用率较低，需要对新能源和无线网络进行碳排和网络绿能状态的建模。因此，对于无线站点的碳排分析是提高绿能利用率的第一步。

而不同类型的网络设备产品的全生命周期碳排放的占比情况有所不同，除了在设备运作使用的阶段，其他的原材料获取、生产、运输以及报废处理阶段的碳排放也占了相当大一部分。因此，为了更加科学地衡量无线通信系统的碳排放，可利用全生命周期来评估衡量隐含碳足迹和运营碳足迹，即全生命周期碳足迹(单位：)为：

2.1 生产阶段

在网络设备开始投入使用之前的工业生产过程必须耗费大量原材料，并且通过各种设备耗费资源的同时也会产生温室气体，所以工业生产过程的计算公式可以将工业生产过程所用的物料和资源总量与相关的二氧化碳排放因子相乘[5]。生产过程中使用材料繁多，很难全都一一计算出来，所以，生产阶段的碳排放量可以用一些使用比较多的生产材料和器械来计算。但是这种计算方法需要正确地选取主要生产材料，要有详细而且准确、相对应的碳排放数据库。

由于无线基站的设计年限一般是10年[6]，因此，在对无线网络的全生命周期进行碳排放评估时，选择10年为它的运行生命周期。但在实际运行过程中，有些无线网络设备运行几年过后就需要对它进行升级改造。设备不同年限的运行生命周期会直接影响无线网络生产加工阶段碳排放量占全生命周期总碳排放量的比例。

在运输过程中，即无线网络设备生产加工、组装后从工厂运送到各安装地所产生的碳排放量，计算方法可以使用设备的重量和公路运输或者海洋运输的CO2排放因子相乘。由于无线设备的安装地分布广泛，不可能逐一进行计算，因此，该部分碳排放计算可选取一些主要的安装地进行考虑，对运输过程中产生的碳排放量来进行评估。

经调查，中国基站的运输主要集中在公路运输，我国公路运输的生命周期背景数据来自RCEES 2012数据库，根据数据显示，公路运输距离1km的1t货物，产生的碳足迹为0.23kg。因此一个基站的运输碳排放为：

2.2 使用阶段

无线网络设备的使用阶段是无线网络碳排放量的主要组成部分，是我们对无线网络进行碳排放核算的重点研究部分。无线网络使用阶段的碳排放包括使用过程中直接排入大气的CO2以及使用过程中消耗的能源折算后的碳排放量。

在计算直接排放CO2方法时有排放系数法和测量法。测量法实际上就是进行实地测量，在无线网络的相关设备处放置采样装置来进行测量，从而得到相关碳排放量数据，实地测量会因环境等各方面因素导致测量结果有所不同，因而最后在统计数据时需要采取取平均值等方法来减少误差。排放系数法可核算使用过程中释放温室气体对应的碳排放量，排放因子或是系数选择的不同，会导致计算结果不同。

关于使用过程中消耗的能源求其折算后的碳排放量利用网络设备的电耗量，然后根据合理的计算因子(每千瓦时电CO2排放系数)可将之转换为碳排放量。电能耗率既可采用网络设备的实际消耗量，也可通过各设备设计测算出理论能耗量。在引入新能源后，可降低设备的耗电量，减少设备的碳排放量，从而大大降低无线网络的碳排放总量。

使用阶段包括运营阶段和维护阶段，且耗费能源主要是电能产生的碳排和更换零件产生的碳排。其中，一台基站一年消耗的电费是可获数据，假设为，且通信基站统一执行一般工商业电价，假设一度电为k元，一度电产生的碳排为λ。则基站耗费的电能产生的碳排可表示为：

基站维护是指基站软硬件日常保障与故障维护，包括基站环境、供电设备的日常巡检、更换故障基站硬件、减少扩容、安全隐患排查、整改、网络持续优化等[6]。基站会因各种设备的软硬件故障、传输类故障、电源背包故障、市电停电、光纤故障等问题需要进行维护。

2.3 拆除阶段

关于网络设备拆除阶段的碳排放量主要有设备的拆除、拆除设备中废弃物的运输以及部分废弃物进行处置所产生的碳排放量，其中，设备的拆除、拆除设备中废弃物的运输过程中所产生的碳排放量可通过废弃物在拆除和运输过程中所需消耗的能源来进行等价测量。但部分材料可回收利用以减少原材料生产，因此拆除阶段的碳排放量应扣除回收利用材料对应的碳排放量。网络设备拆除的部件可分为三类：一类是在设备运行过程中出现了问题，在设备运行的现场短时间内无法进行修理的部件；一类是在站点撤离或者是站点搬迁过程中拆下来的部件；一类是设备的生产服务年限到期，需要进行替换的旧部件。因此，整个拆除阶段的碳排可表示为：

根据对以上生产阶段、使用阶段和拆除阶段产生的碳排就可以得到整个基站全生命周期碳排中各阶段的占比。基站全生命周期各阶段碳排的占比如图1所示，使用阶段的碳排占比最大，其次为生产阶段，拆除阶段碳排仅占很小一部分，因此，如何降低使用阶段和生产阶段的碳排放是需要重点关注的内容。

图1 基站全生命周期各阶段碳排

3 无线通信系统碳效率度量

研究单链路碳效与其他网络指标之间的联动关系，可采用常规的碳排建模方法，将碳效(Carbon Efficiency，CE)定义为网络性能与碳排的比值，碳排与网络能耗直接挂钩，本节将采用吞吐率指标来刻画网络性能。因此本节中所研究的常规碳效定义为：

3.1 单链路碳效定义及其与能耗间差异/关联性

能源消耗与碳排放两个指标经常被同时提及，但两者之间具体有哪些关联和差异，如何通过建模分析将两者更好地关联起来，以实现节能降耗和碳减排目标的协调统一，这是值得研究的问题。传统的建模方法直接用确定的碳排因子CF将能源消耗与碳排放关联起来，但实际上碳排因子CF受到器件、地区等多方面的因素影响，并非简单的正比关系，以下将对碳排放因子进行展开分析。

1)不同器件生产过程中，使用的原材料种类、重量不同，其对应的碳排放系数不同，从器件的整个生命周期考虑，其1J能耗导致的碳排放量就不同，最终的碳排放因子就不同。

2)器件使用过程中，其所在地理区域不同，电网排放因子不同，1J能耗导致的碳排放量就不同，最终的碳排放因子就不同。

3)基站在使用过程中，不同器件如基带、射频，器件能耗不同，所产生的碳排放量就不同，每部分由于其需能稳定性、大小不同，可考虑器件耗能的占比有所不同，器件耗能占比不同，1J能耗导致的碳排放量就不同，最终的碳排放因子就不同。

4)在网络中协同工作的基站，存在能量调度问题，在能量的调度过程中会存在能量损耗问题[8]，因而，由于能量损耗的存在，不同基站消耗1J能量导致的碳排放量就不同，最终的碳排放因子就不同。基站可从市电、新能源(太阳能、风能等)来获取能量，再传输到网络的其他基站中去，基站从不同能源处获取能量，导致其碳排放因子会不一样。

通过上述对于碳排放因子的分析，可知碳排放因子的取值需要考虑网络器件生产、使用以及在网络进行协作过程中能量调度与损耗问题，具体的确定需要结合实际场景中器件、基站以及网络运行情况进行考量。

3.2 碳效与能效

能效(Energy Efficiency，EE)的常用衡量标准为系统每消耗单位能量所能提供的数据速率，其计算公式如下所示[9]：

其中，C表示系统整体吞吐量，P表示系统整体能量消耗。

由能效与碳效的含义与表达式可知，两者之间相差为一个碳排放因子CF，两者可表示为：

能效与碳效关系追根溯源其实为消耗的能量与产生的碳排之间的关系，这个关系就用碳排放因子进行表述，因而能效与碳效关系变化就与碳排放因子的取值相关。

3.3 碳效与频效

频效(Spectrum efficiency，SE)定义为在每单位带宽下的系统吞吐量[10]，在无线网络的优化过程中被优先考虑。在加性的高斯白噪声 (Additive White Gaussian Noise，AWGN) 信道中的点对点传输中，频谱效率可表示为[11]：

3.4 碳效与时延

数据包时延包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延四个方面[12]。在这里我们主要考虑发送时延与碳效间的关系。发送时延(一个数据包从基站到用户所用时间)的定义为[13]：

则碳效与时延的关系为：

在碳效与时延的关系中，我们通过成功传输概率将两者联系起来，成功传输概率不仅与发射功率相关，与系统吞吐量也相关，因而碳效的分子分母都会随着成功传输概率的变化而变化，即随着时延的变化而变化，分子吞吐量随着时延的增加而降低，分母功率也随着时延的增加而降低，但是分子分母的降低速度不一样，为与的关系，分子降低速度快，因而式子整体呈现降低的趋势，于是碳效随着时延的增加而降低。

较大的时延虽然所需的发射功率较小，但是其会导致更低的吞吐率，因此，整体而言，随着时延的增大，所获碳效就会减小。而较小的时延虽然所需发射功耗会增加，但是其带来的吞吐率的增大会大于发射功耗的增大量，因此，随着时延的减小，所获碳效就会增大。

3.5 碳效与带宽

带宽和功率是无线通信中最重要但也是有限的资源。能量效率被定义为传输速率与功率耗散的比值[16]。更详细的说，它的计算公式为：

带宽与碳效的关系通过能效联系起来，系统带宽越大，传输速率快，因而消耗的功率越小，碳效越大。

4 结语

“双碳”战略对于信息技术是一种难得的机遇，但也是一项挑战，自身的能耗碳排不容忽视。信息技术对于节能的间接贡献要远大于自身的能耗，但其自身能耗是在不断增长的，为此，必须依靠创新实现自身的节能减排。在未来将会部署更多的5G站点，与ICT技术的联系将会更加紧密，因而其能耗碳排放量的分析控制对于实现“双碳”战略至关重要，对于碳排碳效的计算测量也需进一步深化考量。