5G 通信技术下的无线网络节能降耗措施研究

2024-05-09张厚利

通信电源技术 2024年5期

张厚利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

随着5G 通信技术的广泛应用，无线网络已成为当今社会中不可或缺的一部分。然而，无线网络的快速发展也给能源消耗带来了巨大压力。据统计，无线网络的能源消耗量占全球总能耗的3%以上，其中大部分能耗用于网络设备的运行和维护。因此，如何在保证网络性能的同时降低能源消耗，成为了当前无线网络研究的重要课题。

1 5G 通信内涵及技术架构

5G 通信技术是第五代移动通信技术的简称，其内涵和技术架构包括4 个方面。第一，5G 通信技术采用了更高的频谱带宽和更先进的调制解调技术，使得数据传输速度大幅提升。第二，5G 通信技术采用了更短的信号传输时间和更智能的网络管理机制，从而实现了更低的延迟。第三，5G 通信技术采用了更高效的频谱利用方式和更复杂的多址技术，使得网络可以同时连接更多的设备和用户。第四，5G 通信技术采用了更高效的天线设计和更灵活的网络部署方式，可以实现更广泛的网络覆盖[1]。

2 基于5G 的网络节能技术

基于5G的网络节能技术主要涉及6个方面。第一，5G 网络架构会采用更加高效的硬件设计和通信协议，以降低功耗。这可能包括更节能的基站硬件、功率控制、智能睡眠模式和动态资源分配等。第二，通过网络切片、边缘计算等技术，5G网络能够更智能地管理网络资源。智能的资源分配和管理能力有助于降低能源消耗，并使网络更具弹性和可靠性。第三，5G 网络更倾向于采用小型基站和更多的室内覆盖，这可以降低功耗和传输功率，因为信号更容易到达目标设备，减少了不必要的能量损耗。第四，针对5G 基站和设备，部署更智能化的能源管理系统，实时监控与调整设备和基站能耗，以优化能源利用。第五，进行绿色通信技术创新，例如利用可再生能源、优化数据传输算法等，以降低5G网络的整体能耗。第六，发展更先进的芯片、天线和设备封装技术，以提高设备能效和降低传输功耗[2]。这些架构和技术的应用，有助于构建更节能、高效的5G 网络，以满足日益增长的通信需求，同时降低能源消耗对环境的影响，如表1 所示。

表1 5G 网络节能技术构架

3 5G 通信技术下的无线网络节能降耗措施

3.1 智能功耗管理

通过智能功耗管理，可以根据网络负载、信号强度以及用户需求等因素实时调整设备的功率和工作状态，从而最大限度地降低能耗，主要包括4 个方面的措施。

第一，通过监测网络负载情况，实时调整设备的功率和工作状态。当网络负载较低时，可以适当降低设备的功率和工作频率，以减少能耗；而当网络负载较高时，可以提高设备的功率和工作频率，以保证网络性能和用户体验[3]。

第二，根据用户所处位置和周围环境的信号强度，智能调整设备的功率和信号传输方式。当用户处于较好的信号覆盖区域时，可以适当降低设备的功率，以减少能耗；而当用户处于较差的信号覆盖区域时，可以提高设备的功率，以保证信号的稳定性和可靠性[4]。

第三，通过智能睡眠模式管理，将设备在空闲时刻自动进入低功耗状态。当设备长时间处于空闲状态时，可以自动关闭或降低设备的功率，以节省能源。

第四，采用能量回收和再利用技术，将设备产生的废热、振动或光能等转化为电能供给设备使用，从而提高能源利用效率并减少能源浪费[5]。

3.2 基站和设备的优化

通过优化基站和设备，可以降低能耗并提高能源利用效率。基站和设备的优化包括3 个方面的措施。第一，采用低功耗芯片（见表2）和优化的硬件设计，可以降低设备的功率消耗和产生的热量，减少能耗。同时，合理的天线设计和部署方式，可以提高信号的接收与传输效率，进一步降低能耗。第二，采用网络共享和虚拟化技术，可以减少基站和设备的数量，从而降低能耗。通过网络共享，多个运营商可以共享同一个基站和设备，避免了资源浪费和能耗增加。而通过虚拟化技术，可以将多个基站和设备虚拟成一个实体，有效降低能耗。第三，通过优化通信协议和数据处理方式，可以降低设备的功耗和延迟。例如，采用多址技术和分布式通信机制，可以提高信号传输效率，进一步降低能耗。而通过数据压缩和数据缓存等方式，可以减少数据传输量和数据处理量，从而降低能耗[6]。

表2 常见的低功耗芯片类型

3.3 采用新型能源技术

引入可再生能源和高效能源技术，可以减少对传统能源的依赖，降低碳排放和能源消耗。常见新型能源技术在5G 通信技术中的应用如下。第一，将太阳能电池板安装在基站或设备上，利用太阳能转化为电能供给设备使用。太阳能电池板具有可再生、环保的特点，可以有效减少对传统能源的依赖，并为设备提供稳定的电力。第二，在基站周围或设备附近设置风力发电装置，利用风能转化为电能供给设备使用。风能发电具有广泛分布和可再生的特点，适合应用在在风资源丰富的地区，能够为设备提供可持续的电力。第三，通过热能回收技术将基站或设备产生的废热转化为电能供给设备使用。热能回收可以最大限度地利用能量资源，减少能源浪费，并减少对传统能源的依赖。第四，采用先进的能量存储和管理技术（见表3），储存多余的电能，并在需要时释放给设备使用。这样可以平衡能源供需，提高能源利用效率，并减少对传统能源的消耗[7]。

表3 先进能量存储和管理技术类型及特点

3.4 推广绿色无线网络

推广绿色无线网络的一些常见举措如下。第一，建立智能的能源管理系统，定期监测与分析基站和设备，通过精确的能源预测和调度，避免能源浪费和不必要的能耗，并确保系统的高效运行。第二，通过科学的网络规划和优化，合理布局基站和设备，减少冗余覆盖和重叠区域，优化信号强度和覆盖范围。这样可以降低功率消耗，减少基站数量和设备数量，提高网络资源利用率，从而降低能耗。第三，采用虚拟化技术，将基站和设备虚拟成一个实体，实现资源的共享和灵活配置。通过多个运营商共享同一组设备和基础设施，避免资源重复建设，减少功耗。同时，通过共享网络和频谱资源，提高资源的利用效率，降低能源消耗。第四，推广低功耗设备和技术，如低功耗芯片、节能天线等，可以降低设备的功耗。采用先进的通信协议和数据处理技术，优化设备的工作方式和算法，减少无效的功耗。同时，引入新型材料和组件（见表4），提高设备的能效性能，降低能耗[8]。