有线传输设备的节能降耗技术研究

2024-05-13夏小松杨星星

通信电源技术 2024年4期

洪军，夏小松，杨星星，章跃，王钦

（中国移动通信集团设计院有限公司江苏分公司，江苏南京 210003）

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随着全球对能源消耗和环境保护的关注日益增加，有线传输设备作为通信系统的重要组成部分，其节能降耗技术的研究与应用成为当今科技发展的重要议题。在通信行业快速发展的背景下，探究和实施有效的节能降耗措施，不仅对减少能源消耗和环境污染具有重要意义，而且是提升通信系统经济效益和可持续性的关键。

1 有线传输设备概述

1.1 有线传输设备的种类

1.1.1 光纤传输系统

光纤传输系统是利用光纤作为传输介质的通信方式。光纤的主要构成是极细的纤维，以特殊的材料制成，能有效传输光脉冲。这种系统的信息传输速度可达每秒数十至数百千兆比特，传输距离通常可达数十至上百千米，不受电磁干扰影响[1]。在技术参数方面，一般的单模光纤具有芯径约9 μm，折射率1.48，而多模光纤的芯径则较大，通常在50 ～62.5 μm。此外，光纤的衰减率是衡量其性能的重要指标，目前最优质的单模光纤衰减率可低至0.2 dB/km。单模光纤与多模光纤的各项参数对比如表1 所示。

表1 单模光纤与多模光纤的各项参数对比

1.1.2 铜缆传输系统

铜缆传输系统是一种经典的有线传输方式，主要采用铜质导体传输电信号。该系统在局域网、电话通信及一些传统的宽带接入技术中得到广泛应用。铜缆的关键参数包括电阻、电容和阻抗等，其中电阻通常在0.4 ～0.8 Ω/km 范围内，对信号传输距离和质量有着直接影响[2]。铜缆的最大传输距离一般不超过100 m，传输速度因类型而异，如Cat5e 铜缆的最高传输速度可达1 Gb/s。铜缆的一个重要特点是易受电磁干扰，限制了其应用场景和传输效率。Cat5e 铜缆与Cat6 铜缆的性能对比如表2 所示。

表2 铜缆传输系统性能对比

1.1.3 同轴电缆系统

同轴电缆系统是一种具有中心铜导体的有线传输设备，广泛应用于有线电视、闭路电视和宽带互联网接入。同轴电缆的主要优点是具有较强的抗干扰能力和较高的传输频宽。技术参数方面，同轴电缆的特性阻抗通常为75 Ω，而在数据通信应用中，更多采用50 Ω 的同轴电缆[3]。其最大传输距离可达数百米，传输速度则受电缆类型和质量的影响。同轴电缆的外层通常包含铝质屏蔽层，以减少外界电磁干扰，确保信号的稳定传输。不同型号同轴电缆技术参数对比如表3 所示。

表3 不同型号同轴电缆技术参数对比

2 有线传输设备的主要节能降耗技术

2.1 能效优化的传输技术

在有线传输设备中，能效优化技术主要集中于提高硬件效率和传输效率。光纤传输系统中的能效优化，特别关注于光源和光纤材料的选择。例如，使用高效率的激光器，其功率可控制在1.5 W 以下，相比传统的5 W 激光器，能效有较大提升。同时，优化光纤的材料和结构，采用低损耗光纤（衰减率降至0.19 dB/km），减少信号在传输过程中的损耗，从而减少了信号放大器的使用频率和数量，有效降低整体能耗。

2.2 动态能源管理系统

动态能源管理系统通过实时监控网络状况和设备状态，动态调节有线传输设备的能源消耗，从而实现节能降耗。在铜缆传输系统中，该技术通过分析数据流量和传输需求，调整设备的工作状态和功率输出[4]。例如，在流量低的时段，系统能够自动切换到低功耗模式，降低能耗。此外，该系统可以根据实时监控的结果，优化设备的冷却需求和温度控制，进一步降低能耗。例如，通过智能调节冷却系统，降低冷却风扇的转速，可减少约5%的能源消耗。

2.3 高效编码和信号处理

高效编码和信号处理技术在有线传输设备的节能降耗中十分重要。这些技术通过优化数据的传输格式和处理过程，有效降低所需的能源消耗。在同轴电缆系统中，采用高效的编码技术可以在相同带宽下传输更多数据，从而提高传输效率。此外，信号处理技术如数字信号处理器（Digital Signal Process，DSP）的应用，也能显著提高传输效率[5]。DSP 能够实时处理和优化传输信号，降低误码率，减少重传需求，从而节约能源。通过使用DSP，系统的误码率能够从0.10%降低至0.01%，将大幅减少因错误传输而引起的能耗。通过采用更先进的信号处理算法，如正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），能进一步提升频谱的利用效率。

3 有线传输设备节能降耗技术在现代通信系统中的应用

3.1 节能降耗技术在数据中心的应用

在现代通信系统中，数据中心作为信息处理和存储的核心，对能源消耗的要求极为严格。节能降耗技术应用于数据中心的有线传输设备，可以显著降低整体能耗。例如，数据中心内的光纤传输系统采用低功耗光纤模块和高效能光电转换器后，可以在保持高速数据传输的同时减少能源消耗。假设在采用这些技术后，光纤模块的能耗从每模块4 W 降低至2 W，对于拥有数千模块的大型数据中心每年可节省较多的电能。不同数据中心光纤传输模块能耗比较如表4所示。

表4 不同数据中心光纤传输模块能耗比较

3.2 节能降耗技术在宽带网络系统中的应用

宽带网络系统作为现代通信的主要组成部分，其节能降耗的实现对于整个网络系统的能效有着显著影响。在铜缆和同轴电缆的宽带传输系统中，采用高效编码和信号处理技术可以显著提升高数据传输效率，从而降低能耗。例如，使用先进的信号处理技术，可以将传输效率提升20%，意味着在相同数据传输量的情况下，能耗降低20%。宽带网络系统编码技术节能对比如表5 所示。

表5 宽带网络系统编码技术节能对比

3.3 节能降耗技术在移动通信基站中的应用

在移动通信基站中应用节能降耗技术，可以有效降低运营成本并减少环境影响[6]。例如，通过在基站的有线传输设备中实施动态能源管理系统，可以根据数据流量和信号质量需要，实时调整传输设备的能耗。假设该系统在流量低峰期将基站能耗降低25%，对于平均能耗为2 kW 的基站，意味着每天可节约12 kW·h 的电能。

4 有线传输设备的节能降耗技术创新

4.1 智能调制与解调技术

智能调制与解调技术是有线传输设备节能降耗技术创新的重要方向。该技术能够根据网络条件和传输需求，智能地调整调制和解调的方式，以优化能源使用。例如，在光纤传输系统中，通过采用智能调制技术，系统能够实时监测光路质量和传输距离，自动选择最合适的调制格式和波特率。意味着在传输条件良好时，可以采用高阶调制格式提高传输效率，在传输条件较差时，可以降低调制阶数，以减少误码率和重传次数。

4.2 能量回收与再利用技术

能量回收与再利用技术是另一种重要的节能降耗技术创新。这种技术旨在收集和再利用传输设备在运行过程中产生的废热能量。例如，在数据中心的有线传输设备中，通过安装热能回收系统，可以收集设备运行时产生的废热，用于加热、空调或其他能源需求。这种废热回收技术不仅减少对外部能源的依赖，而且显著降低整体能耗。废热回收系统可以回收数据中心的废热能量，对于减少数据中心的整体能源消耗具有显著影响。此外，这种技术可以应用于光纤传输系统中，通过收集和再利用激光器和光电转换器产生的废热，进一步提高能效。

4.3 低能耗材料和设备设计

在有线传输设备的节能降耗技术创新中，低能耗材料和设备设计占据了重要位置。这种创新专注于开发新型材料和设计，能够减少设备在制造和运行过程中的能源消耗。例如，采用新型低损耗光纤材料，可以降低光纤传输过程中的信号衰减，从而减少信号放大器的使用，降低能源消耗。在实际应用中，新型光纤材料使得信号衰减率从0.20 dB/km 降至0.18 dB/km，将显著提高长距离传输的能效。此外，在设备设计方面，通过优化电路设计和降低设备工作温度，可以有效减少能源消耗，对于整个通信系统的能效提升具有重要意义。