“双碳”目标下通信基站建设模式研究

王 钦，薛俊伟，王国庆

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019；2.广州医科大学，广东 广州 511436）

0 引 言

国家主席习近平在第七十五届联合国大会中宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。为实现这一关系到全人类命运的“双碳”目标，需要面向全行业采取更有力、更广泛的绿色低碳转型措施。同时，在疫情影响和国内大循环为主体的刺激下，5G网络、物联网、工业互联网、数据中心等关系到国计民生的信息通信行 业（Information Communications Technology，ICT）新基建设施迅速扩张，以满足整个社会对数字化转型的强烈需求。“双碳”目标下，ICT行业一方面要落实新基建的“十四五”规划，另一方面也要探索节能降耗的新发展模式。

2021年8月，几家通信运营商先后发布了碳达峰、碳中和相关白皮书、行动计划和工作指南，将通过基础设施共建共享、梯次电池回收利用、基站设计节能改进等措施，实现节能降碳。这标志着我国通信行业即将全面启动双碳绿色行动。

1 现状与问题

1.1 通信业务总量和能源消耗巨大

国际能源署发布的《The environmental footpoint of the digital world》数据显示，2019年全球碳排放总量约为333亿t，整个ICT行业排放总量约为14亿t，占比达4.2%。根据我国工信部统计，“十三五”期间国内4G长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）网络基本实现了全域覆盖，产业市场发展成熟，应用场景逐渐扩大，电信业务总量和数据流量呈现出爆炸式增长。与此同时，国家加大力度发展5G新空口（New Radio，NR）技术研究和标准建立，抓住了核心技术和产业生态的自主话语权，并在政策层面指导电信运营商实现5G网络建设等方面的领先，取得了阶段性成果[1]。2022年是“十四五”承上启下之年，也是5G应用场景逐步在全行业落地的关键一年。面对复杂多变的国际环境和持续疫情带来的不利影响，把握5G“新基建”建设红利，加速场景下沉和赋能数字经济，是保障高质量发展的核心引擎。根据国家统计局数据，2021年度我国通信行业业务收入累计完成1.47万亿元，移动电话年末用户数为16.43亿户。由如图1可知移动互联网接入流量累计值为191.26 EB，居世界第一。我国当前已开通4G基站总数为590万个，已开通5G基站数量超过142.5万个，已建设光缆线路总长度达5 488万km。如此庞大的规模下，通信行业每年的用电规模基本占全社会用电总量的1%左右。预计到2026年几家运营商全部完成5G升级，通信行业电力消耗将达到全国总用电量的2.1%左右[2]。

图1 2020～2021年移动互联网流量当期值（数据来源：国家统计局，当年1月无数据）

1.2 基站将成为行业主要碳排放源

在2019年全球 ICT行业碳排放总量中，归属通信技术（Communication Technology，CT）部分的排放量占22%，归属数据中心（Internet Data Center，IDC）部分的排放量占15%。在CT行业，二氧化碳的产生主要集中在基站相关部分，包括工业领域中的产品生产和制造，工程领域中的设备运输和安装，以及运维过程中的设备运行和环境保持。根据历史数据统计，基站设备运行的碳排放量约占整个CT行业碳排放量的 75%，是最主要来源。2019年，设备运行过程中产生的碳排放量为2.3亿t，预计到2025年将达到4.1亿t。

运营商近几年针对移动网络质量和覆盖提出了越来越高的要求，以符合用户对优质网络的强烈需求。随着投资的加大，当前国内4G存量基站数量达到584万个，5G存量基站数量为96.1万个。可预见的是，“十四五”期间5G基站会加快部署，基站密度也会显著增大，加上5G单基站能耗（约为4G基站的3倍）更高，在基站节能技术改进或能耗优化的下一代网络（Next Generation Networking，NGN）技术规模应用之前，数量庞大的基站耗能问题将成为通信行业节能减排必须面对的难题[3]。

1.3 “零碳”基站仍需借鉴国外经验

目前通信行业节能减排的“三步走”战略已经形成了共识，发展路径如图2所示。经过核心技术的攻坚，目前我国在5G设备的研发和使用中，对于频谱利用效率、能耗效率和成本效率方面已经取得了长足进步。但是，在“零碳”基站的站点级和网络级节能方面，国外通信运营商通过使用可再生能源、基站节能改造、资源租赁共享等措施实现减排目标的先进经验，值得学习[4]。

图2 通信行业节能减排“三步走”战略

国内运营商一方面要大力做好“补盲补热”，同时要兼顾“降本增效”，这种情况下实施精细化的“零碳”基站计划，需要大量的额外工作，导致运营商积极性较低。因此，在现阶段数字化转型中优先做好节能效果时间短、见效快的空调降温技术、老旧设备改造、新能源利用等，是国内CT领域的关注重点。在2030年和2060年2个关键时间节点的“双碳”目标下，通信行业的碳减排模式和路径，将在设备级、站点级和网络级将向世界看齐，大量使用新能源、绿色能源。

2 对策与案例

2.1 关键技术研发推动设备功耗降低

5G产品主要功耗来源中，有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）占比80%以上。如何降低AAU的功耗，是当前的研究重点[5]。关键技术研发和突破，是推动设备功耗降低的基础，特别是在基站芯片和射频单元两个方面，打破国际技术壁垒，才能实现低碳排放的自主可控。

（1）自研低能耗芯片，实现可控节能。例如，华为通过自研基站专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片和射频片上系统（Radio Frequency System on Chip，RFSoC）技术，解决了5G AAU集成度低、重量大的问题[6]。配合轻质陶瓷滤波器等新材料器件的使用，以及改进后的整机散热技术，华为进一步降低了AAU设备的体积和功耗，使应用该产品的基站功耗低于业界平均值约15%。

（2）使用创新技术抢占市场话语权。在射频单元功率放大器（Power Amplifier，PA）供应链领域，我国通过自主研发摆脱了长期受制于人的局面。3G时代，基站PA普遍基于采用硅工艺的横向扩散MOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，LDMOS）技术，工艺成熟，价格很低。从4G时代开始，具备高电流密度等优势的氮化镓GaN作为第三代半导体材料的代表，凭借优秀的高频信号放大效率在PA产品市场中崭露头角[7]。中国设备商占领先机，在5G时代率先研发出可商用GaN工艺的低功耗、高效率PA，领先世界水平。

2.2 深层次探索站点低碳方案的落地

基站的基础型节能技术包括能耗采集、亚帧静默、深度休眠、通道静默等方面；增强节能技术包括载波关断、设备关断、共模基站协同关断、下行功率优化等方面。此外，针对机房梯次电源循环利用、水氢发电机使用、空调智能降耗、设备液冷散热等多角度、深层次的创新方案，也需要积极探索和落地。

（1）智能休眠等技术降低闲时业务能耗。中国联通与中兴通讯成功试点通道静默、深度休眠等技术，测试表明，通道关断大约能降低15%～25%的能耗，深度休眠则实现了60%～80%的能耗降低；中国移动在5G宏基站中开启通道静默功能，根据用户需求和网络覆盖的动态研判，分情况关闭或者休眠64TR AAU中的部分射频发射通道，能够实现约18%的能耗节约[8]。

（2）优化4G/5G共模基站协作节能。共模基站在5G建设初期，提供了一种快速有效的4G/5G协同部署方案，是低投入、可持续的网络演进选择，而协同关断则是一种可行的智能化低碳功能。华为与上海移动验证5G与4G共模基站协作，根据业务量高低智能关断5G载波，实现节能效果[9]。而随着2G/3G减频退网力度的加大，未来一段时间的节能策略，将是利旧退网后空闲资源进行4G/5G共模基站协作建设和节能创新。现网实测，采用了双模站点协同关断的站点日均节能12.26%，效果显著。

（3）使用清洁能源助力节能减排。中国铁塔2015年在3 000多个基站开展新能源汽车退役动力蓄电池的回收利用。基站梯次利用退役锂电池替换不环保的、性能低下的铅酸电池；中国电信也验证了水氢发电机为偏远地区基站供电的可行性。这些清洁能源的引入有效降低了资金投入、锂电池资源浪费以及铅酸蓄电池的废气排放，实现节能减排。

2.3 创新网络级节能的基站协同部署

网络级节能要求通信行业摆脱自身视野局限性，将不同行业的“双碳”策略与信息化社会发展过程中的减排义务相挂钩，充分利用新基建的红利，找到大数据、新业务、多场景下的节能模式。

（1）深化行业内集约共享的节能策略。一是在多网协作节能中通过人工智能控制网管系统，自动识别并平衡小区的覆盖及容量，支持4G LTE和5G NR等多种不同制式的单网与多网场景。中国移动现网测试LTE网络平均每小区年节电超40 kW·h，预计5G网络节电效果更明显；二是通过C-RAN集中机房方式将室内基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）作为集中单元（Centralized Unit，CU）资源池统一调度[10]。工程中将2G/4G站点进行基于云计算的无线接入网构架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）低碳化集中改造后，主设备BBU整合搬迁至集中机房，同时对原天面射频拉远单位（Remote Radio Unit，RRU）供电端进行一体化电源供电整改，逐步拆除原机房内的机柜、走线架、电源等设备，实现退租降本、低碳减排；三是深化电信基础设施规划优化与共建共享[11]。未来，移动加广电、电信加联通的行业“2+2”组合模式，将弥补各自业务短板，在进一步重视站点规划设计以满足网络需求的前提下，推动5G优质网络的节能减排。

例如，目前广东某地市移动实施C-RAN站点改造80个后，低碳环保效果显著，适合推广至其他区域。经评估，单站点改造投资平均为4.5万元，总体拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）平衡期为1.08年。集中改造后，原机房整体下电，单站点年均电费节约3.5万元（同比下降40.12%），年均碳排放量降低24 403.2 kg（同比下降38.68%），铁塔服务费节省7 313元（同比降低80.26%）。

（2）探索不同行业信息化需求中的节能互利。据全球电子可持续发展倡议组织（Global e-Sustainability Initiative，GeSI）研究，ICT产业在“双碳”目标下的自身碳排放，可以通过赋能其他行业达到自主中和。根据测算，ICT 技术有希望在2030年之前帮助应用行业降低全球碳排放的20%。通信行业要把握当前ICT建设进程，找到不同行业普遍适用的，既满足业务需求又符合绿色节能的共同点，在城市大脑、信息中心等规划建设中，融入经济社会治理新模式的低碳思想，做好顶层设计[12]。特别是在对信息化接纳程度高，有广泛合作基础的能源、交通、水利、建筑等重点领域，主动契合这些行业的减排应用场景，释放互利互惠的共享意愿，助力全社会的节能减排[13]。

例如，电力行业具有丰富的杆塔和线网资源，通过与运营商合作，可降低双方在专网通信、工程建设、运行维护等方面的支出，为国家基础建设节约大量的重叠勘察设计、杆塔建设、线路敷设等资源浪费。而借助5G边缘计算、网络切片等技术智能解决电网的端到端通信，在保证配电网安全可靠运行的同时，提升配电效率[14]。华为使用ICT技术协助南方电网部署数字平台，从发、输、配、变、用等全业务环节的50余种典型业务场景，依靠大数据预测可再生能源发电量、基站错峰用电，实现低碳双赢。

在交通领域，使用路边灯杆、箱体等设施快速部署5G基站，然后通过基站上报用户定位、视频监控车辆信息等大数据信息绘制实时路况地图，实现交通运输智能调度，做到碳排放的有效控制。

3 结 论

以5G为代表的移动通信网络是未来信息高速公路的基础，随着NGN技术的迭代演进和ICT技术对全行业的数字赋能，一种更加低碳环保的社会治理模式也愈加清晰。传统的通信网络规划和建设中，建设单位对于环保节能的定位，往往局限于对基站本身能耗以及投资的管理，忽视了基站作为网络中心环节在节能减排方面的巨大潜能。“双碳”目标下，通信行业可以通过技术升级和管理模式创新，在基站层面充分发掘主设备、电源设备及相关配套设施硬件和软件两方面的节能措施，在网络层面积极探索智能减排、多网协同、共建共享、行业赋能等节能互利的发展模式，助力“双碳”目标的实现。