网络节能技术白皮书2024

1/21目录1.前言...............................................................................................................................................22.背景意义.......................................................................................................................................23.性能指标.......................................................................................................................................34.标准进展.......................................................................................................................................35.网络节能关键技术......................................................................................................................45.1网络架构层面........................................................................................................................45.1.1空天地一体网络架构......................................................................................................45.1.2新型分布式无线网络架构..............................................................................................55.1.3无线智能云网络..............................................................................................................75.2空口节能技术........................................................................................................................85.2.1空域节能技术..................................................................................................................85.2.2时域节能技术................................................................................................................105.2.3频域节能技术.................................................................................................................115.2.4功率域节能技术.............................................................................................................115.2.5空口新硬件....................................................................................................................125.3新技术融合...........................................................................................................................135.3.1AI技术融合.....................................................................................................................135.3.26G空口新技术融合.......................................................................................................155.4其他技术...............................................................................................................................166.总结与展望................................................................................................................................187.参考文献.....................................................................................................................................188.主要贡献单位............................................................................................................................199.缩略语.........................................................................................................................................20 2/211.前言面向6G网络节能，本白皮书阐述其背景意义和面临的严峻挑战，简要介绍能耗性能指标和3GPP国际组织关于网络节能课题的标准进展，从网络架构、空口节能技术、新技术融合以及其他技术等层面，重点探讨网络节能关键技术方案。最后，总结白皮书主要内容及相关结论，并展望其未来发展趋势。2.背景意义随着全球经济和科技的飞速发展，能源问题日益突出。自2000年以来全球碳排放增速明显提升，随着空气中二氧化碳浓度的剧增，全球升温迅速，而气候变暖带来的风暴、热浪等极端天气将严重危害人类的生命财产安全。在我国，双碳目标被纳入“十四五”规划建议，二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。双碳目标是全球应对气候变化的重要责任，也是行业和企业可持续发展的重要基石。就电信行业能耗情况来看，其碳排放是以电力购入的间接排放为主。在电信行业的能耗构成中，基站、通信机房和数据中心的能耗为主要占比，其节能最为关键。5G基站满载功耗约4G的3-4倍，尤其随着5G网络的正式商用，能耗增幅显著提高。面向6G提出的6大典型场景和15个能力指标[1]，从智能、感知、泛在等多维度，对速率、容量、时延、定位、用户体验等提出更高要求，驱动6G向更高频点、更大带宽、更多算力演进，从而给6G网络能耗带来严峻挑战。一、更高频点：6G毫米波基站的覆盖半径仅为5G3.5GHz基站的30%，同时毫米波基站功放效率约为7-15%，具体数值取决于工艺，例如硅锗SiGe工艺为7%+，而氮化镓GaN工艺为15%+，仅为传统5G基站功放效率的1/7-1/3。因此，需要更高的能耗以支持6G毫米波基站功放正常工作。二、更大带宽：大带宽、多天线是造成5G单站功耗增加的主要因素，5G单站功耗是4G的3-4倍。另外，按照带宽代际增长规律，预计6G带宽可达500MHz-1GHz。如果单位带宽发射功率保持不变，可推算6G基站发射功率将是5G的5倍以上，单站整体功耗将是5G的4倍以上。三、更多算力：智慧内生是6G重要特征，常用AI（ArtificialIntelligence，人工智能）模型的复杂度从十几兆到上百G个模型参数。以ChatGPT为例，包含1750亿个模型参数，其模型训练使用了1万个V100GPU，据环球零碳研究中心粗略合算，电力消耗超168万度，按日访问100万用户测算，运行每天耗电约1.2万度。 3/216G新技术的创新发展，应以绿色节能为基本原则，提升系统能量效率，实施绿色生态运营模式。并将6G技术赋能千行百业，助力各行各业深入实践数字化转型，践行绿色发展战略，共同谱写人类命运共同体新篇章。3.性能指标能量效率是用于评估网络能耗的重要性能指标，从定义的角度出发，找到网络节能的有效手段。关于能量效率的定义，学术研究中将其定义为单位能耗下所能传输的数据量，单位为比特/焦耳（bit/J）。若想提升能量效率，可以从传输的数据量和能耗两个角度出发，一方面，有效提升传输速率，另一方面，减少传输单位数据量所消耗的能量。此外，ITU定义的传统5G网络能量效率，指的是与所提供的业务量相关的最小化无线接入网（RAN）能量消耗的空口技术能力[2]，包括两个方面：1）网络侧，指的是无线接入网在单位能耗下用户传输或接收的信息比特数；2）终端侧，指的是通信模块的单位能耗，单位均为比特/焦耳[3]。因此，要想提升网络能量效率，可以从网络和终端两个角度出发，双管齐下，以达到网络节能的目的。考虑6G应用场景的多样化，以及对空口传输性能的不同需求，可以将网络能量效率定义为该场景下性能指标与功耗的比值，从而更加全面客观的反映该场景的实际性能需求和能耗占比。具体来说，对于高速率场景，可以将能量效率定义为单位能耗下提供的数据速率，单位是比特/秒/焦耳（bps/J）；对于低时延场景，可以将其定义为单位能耗下提供的传输时延，单位是秒/焦耳（s/J）；对于广覆盖场景，可以将其定义为单位能耗下提供的覆盖距离，单位是米/焦耳（m/J）。类似地，对于6G融合场景，可以由单一维度扩展到更多维度，将能量效率与6G场景的性能指标相对应，从而更加全面地评估单位功耗可提供的空口性能指标，以满足6G多样化的业务场景需求。4.标准进展国际移动通信标准组织3GPP在Release18阶段开展了网络节能技术的讨论，包括StudyItem（SI）和WorkItem（WI）两部分工作内容。 4/21（1）SI阶段在2021年12月举行的RAN#94e会议中，正式确定了网络节能课题的研究内容，主要包括以下三个方面的工作。建立基站能耗仿真模型，用于网络节能方案的性能评估；建立网络节能的评估方法与KPI；研究并识别gNB和UE侧的节能技术。历时近一年的SI，重点讨论了网络节能的仿真模型，评估