5g能效：绿色是新的黑色

GSMA Intelligence是全球移动运营商数据、分析和预测的权威来源，也是权威行业报告和研究的出版商。我们的数据涵盖了全球每个国家的所有运营商集团、网络和MVNO——从阿富汗到津巴布韦。这是目前最准确和最完整的行业指标集，包含数千万个独立数据点，每日更新。 GSMA代表着全球移动运营商的利益，团结了更广泛移动生态系统中的750多家运营商和近400家公司，包括手机和设备制造商、软件公司、设备供应商和互联网公司，以及相邻行业领域的组织。GSMA还举办在巴塞罗那、洛杉矶和上海举行的年度行业领先MWC活动，以及区域会议Mobile 360系列。 gsma Intelligence被领先的运营商、供应商、监管机构、金融机构和第三方行业参与者所信赖，用于支持战略决策和长期投资规划。这些数据被用作行业参考点，并经常被媒体和行业本身引用。 欲了解更多信息，请访问GSMA企业网站：www.gsma.com 关注GSMA推特：@GSMA 我们的分析师和专家团队定期针对各个行业主题撰写具有前瞻性的研究报告。 info@gsmaintelligence.com 2020年11月发布 本报告由GSMA Intelligence撰写，并得到中兴的支持。 作者：蒂姆·哈特，研究主管：埃曼纽尔·科尔塔，高级分析师 内容 22执行摘要1 5g时代的减排指令 4网络如何消耗能量 84 概述 183 网站、RAN 和全网创新 12 执行摘要 变革的指令 电信部门减少能源排放的推动力根植于全球应对和减缓气候变化所做的努力，正如2015年巴黎协定所确立的。在过去的两年里，随着各国政府寻求私营部门的承诺，以实现将本世纪全球气温上升幅度控制在工业化前水平以上2摄氏度的核心目标，紧迫性显著增强。这意味着大多数国家需要在2050年实现净零排放。 在电信领域，为应对不断上升的网络成本而制定的行业特定因素进一步塑造了效率努力。 LTE 和 5G 升级在新兴经济和发达经济体（以美国和中国为首）的混合效应将导致这些技术分别占全球移动连接基础的 60% 和 20% 到 2025年。这种转变的影响将是移动数据流量的持续增长，2019年估计每人每月为 6.4 GB，预计在未来五年内按每人计算增长三倍。结合频谱成本的上升，资本 投资和持续的RAN维护/升级，网络运营中的节能措施是必须的，而不是可有可无的。 5g新无线电（nr）相比之前的移动技术每吉字节提供了显著的能效提升。然而，新的5g用例和毫米波的采用将需要更多站点和天线。这导致了一种更高效网络的展望，这种展望在缺乏主动干预的情况下反而可能导致更高的排放。 前进的方向 与此同时，在网络相位传输功率过程中减少能量泄漏的技术改进之外，还有一系列措施可用于全面提高网络效率。具体措施如下： 零。威瑞森和沃达丰已设定目标，要在2040年实现净零排放。西班牙电信承诺，到2030年其四大运营市场要达到这一状态。然而，通往这些目标的里程碑却具有前重分布的特点，威瑞森和沃达丰目标是到2025年将电力使用减少50%，而西班牙电信则计划到2030年减少70%。我们的分析表明，到目前为止进展总体平稳，这得益于可再生能源市场的进步。 • 用户设备和设备——终端的能量消耗和延长电池寿命，主要是手机 • 站点级创新 – 新型锂离子电池解决方案、整流器、液体冷却系统、空调系统以及简化站点搭建 尽管取得了这些进展，但在大多数运营商中尚未建立报告目标。还存在一些持续存在的障碍，包括排放数据可用性和跟踪机制、与能源行业生产者的伙伴关系缺乏，在某些情况下，组织结构过时，这预示着需要更多跨团队协作和更少层级。 • 网络切片和无线接入网设备创新——由人工智能驱动，专注于最大化休眠状态以避免无线接入网中不必要的能源消耗 • 网络规划与优化——包括传统2G和3G网络的逐步淘汰以及长期可再生能源采购合同。 数据方面尤为重要；我们希望这项研究能提高人们对该问题的认识。构建具有相关分析功能的综合数据“管道”有助于发现昂贵的异常。在网络的不同点部署智能传感器将有助于测量设备级能耗、电池状态、发电机运行小时数、燃料水平、室外和室内温度以及空调。运营商需要建立其全面且实时的数据存储库，但我们相信这将是一笔值得的投资。在建立可靠测量和数据管道后，大数据应用可以监控和调整网络电力——这对于5G时代将成为默认选项的软件定义网络而言是一项关键能力。 运营商最终实现减排净零的总体情况取决于将节能技术融入更广泛的“绿色”战略中，该战略涵盖运营的各个方面。为了使公共承诺更具约束力，许多大型运营商已实施与独立科学基于目标倡议（SBTi）相符的关键绩效指标（KPIs）和报告目标。 减排目标已采取分阶段方法设定，首先在更困难且雄心勃勃的净 15g时代的减排指令 提升效率与减少排放的驱动因素 在电信领域，效率提升的努力进一步受到一系列行业特定因素的塑造，这些因素根植于应对不断上升的网络成本。新兴经济体和发达国家（以美中为首）的LTE和5G升级的混合效应将导致这两种技术到2025年分别占全球移动连接基础的60%和20%。这一转变的直接影响将是移动数据流量的继续增长，据估计2019年每位用户每月为6.4GB，并预测未来五年按每位用户计算将增长三倍。结合频谱成本、资本投资以及持续的RAN维护/升级成本上升，这意味着网络运营中的节能措施是必要的，而非可有可无的。 电信部门减少能源排放的推动力根植于全球应对和减缓气候变化所做的努力，正如2015年巴黎协定所确立的。在过去的两年里，随着各国政府寻求私营部门的承诺，以实现将本世纪全球气温上升幅度控制在工业化前水平以上2摄氏度的核心目标，紧迫性显著增强。这意味着大多数国家需要在2050年实现净零排放。 气候变化 应对气候变化，特别是与《巴黎协定》中心决议保持一致，已经催化了一波行业行动以支持更广泛的国家承诺。该协定规定，全球努力应将全球平均气温上升限制在本世纪工业水平以上最多2摄氏度，尽管首选目标为1.5摄氏度。支持人为变暖的科学共识和证据现已经过一段时间的确立；相对于历史基线，表面温度一直在稳步上升，有记录以来最热的15年中，有14个发生在2000年以后（见图1）。 十一月。对该项研究的全面评估巴黎协定决议不在范围内，但可通过联合国了解详情。1最终，目标的实现取决于各个国家制定和实施自身的减排目标。 政府通常吸纳私营部门参与，以帮助实现国家目标，而不是纯粹使用立法来强制减排。这一策略带来了认同，并且到目前为止已被证明是刺激新技术快速发展和大规模能源使用从化石燃料转向可再生能源的有效手段。电信行业已成为积极主动减排计划的强烈支持者。这体现在行业范围内的承诺到2050年实现净零排放，并由日益增多的运营商支持，这些运营商将碳减排作为核心业务目标，并设定严格的报告目标。本节其余部分以沃达丰、 Telefonica 和Verizon 为例。 截至2020年10月，已有189个国家（197个签署国中的）批准了该协议——一个96%的转化率。尚未批准的大多数是政治不稳定和/或对石油过度经济依赖的国家；尽管如此，他们的参与对结果没有重大影响。美国是一个主要的例外。它的正式退出计划为 图1 网络成本与性能 不论气候变化，由于网络成本在低营收增长环境下持续增加，电信运营商推动节能措施的动因已增强。电信业务模式基于网络规模。在收入增长时，除非运营商规模较小，否则随着大量固定成本基础被货币化（正的运营杠杆），利润率会扩大。这大致发生在1990年代和2000年代2G和3G时代，当时手机对人们而言仍是新的，因此订阅者数量也随之稳步增长。然而，在收入增长低或负增长的时期， 固定成本暴露，导致现金流压力和长期投资压力增大。 图2展示了威瑞森的财务比率，但过去五年的影响在整个行业中都可以观察到；收入增长率——COVID-19之前——平均保持在个位数低。即使不显示收入增长线，也很明显，随着网络资本投资增加以支持LTE和早期5G的部署，由于人员和其它成本的削减，自由现金流率大多得以保持。 图2 鉴于行业投资网络的必要性，资本支出（capex）比持续维护成本（opex）受到更密切的关注。然而，随着节能技术的快速采用和整合，这种情况正在改变。这两种方式都能在opex方面带来实质性的节省。网络opex通常占运营商成本基础的约25%，或收入的10%。超过90%的网络成本用于能源。 主要由燃料和电力消耗构成（见图3）。其中大部分支出用于推动RAN，数据中心和光纤传输仅占较小份额。 好消息是，从化石燃料向可再生能源的转变已开始体现在运营支出节约上，而传统2G网络的逐步淘汰也是如此。 提高能效或减少电力使用。相反，通常采用混合方法，包括可再生能源、AI驱动的网络休眠状态、更高效的电池和具有计算能力向边缘推送的分布式站点部署。结果将在数年内体现。 并且3G网络比LTE或5G NR标准能效更低。展望未来，然而，随着LTE和5G逐渐占全球用户整体份额越来越大，数据流量上升是不可避免的——随之而来的是能源消耗的压力。没有一种增加 图3 2网络如何消耗能 过去的无线标准过渡显著提升了能源效率的核心指标：每吉字节的千瓦时（kWh/GB）。尽管5G NR在每吉字节方面也提供了比先前技术显著更高的能效提升，但新的5G用例和毫米波（mmWave）的采用将需要更多站点和天线。这导致了更高效网络的展望，这可能会在没有主动干预的情况下，矛盾地导致更高的排放。 运行网络的能耗 一种可视化网络的方式是将其视为一个线性进展的阶段或阶段，能量在其中流动以向基站站点、无线接入节点和回程链路提供动力。图4概述了这一过程，从从电网获取能量开始，一直经过站点和设备消耗。 第一阶段：能源获取 能源需求存在显著的日间波动，而电力供应相对稳定。这使得工业电价呈小时波动。高峰时段的日间能源价格可能比夜间低谷时段高得多。电网运营商可以通过在低谷时段购买能源进行储存，并在早些时候（通常在18:00至22:00）数据流量高峰时使用，从而节省成本。运营商也可以将过剩的高峰时段能源出售给公用事业部门。 网格。这种相对较新的做法将需要进一步投资储能技术和电池，同时与公用事业提供者签订合作协议。为了确保每个站点都有足够的备用能源安全运行，没有服务中断，更新中央能源管理平台以计算和预测站点级数据流量和消耗也同样重要。 第二阶段：能量转换 第三阶段：能源运输 能源供应商销售交流电（AC），而大多数站点层面的能源消耗发生在直流电（DC）。交流电是一种周期性地改变方向且其大小随时间连续变化的电流；直流电只沿一个方向流动。因此，每个蜂窝站点都需要一个整流器模块将交流电转换为直流电。典型投资组合中的大多数蜂窝站点都使用了超过10年的设备，并运行着效率较低的被动基础设施，包括整流器模块。升级成本初期显著，但对长期实现更高效的转换和降低消耗至关重要。新的整流器也是关键，用于在安装5G设备前覆盖潜在的能源消耗增加，并确保容量顺利扩展。 当以高电压输电时，由于导线中的电流较低，能源输送的效率会提高（泄漏率较低）。操作员可以通过使用升压变压器提高电压、使用靠近负载的电力设备以及缩短电源供应距离来提高效率并减少功率损耗。 第四阶段：能耗 这一阶段代表了效率方面的“最容易摘取的果实”。运营商将直流能量转化为无线电波，并接收和处理 incoming signal。这个类别可以进一步细分为架构优化、信令、网络关闭、冷却和波束成形等领域。 3站点、RAN和网络范围的创新 在通过网络阶段传递电力时减少能量泄漏的技术改进之外，还有整体提高网络效率的解决方案（见图5）。我们的分析侧重于站点、无线接入层和更广泛网络规划方面的考虑。我们排除了针对手机和其他终端用户设备的工作，因为这些设备并不直接有助于移动运营商的碳排放状况。 图 5 站点创新 进一步的有利方面是锂离子电池充电和放电容量的改进以及相关的电池配置节省潜力。备用电池始终保持满电状态，仅在停电时放电。通过使用能够每日充电和