5G网络能源效率深度解析

### 5G网络能源效率深度解析 #### 1. 网络能源效率的重要性 在当今移动网络流量和用户数量不断增长的背景下，网络能源效率已成为衡量网络性能的重要指标。 - **运营商成本考量**：网络能耗对运营商而言意味着巨大的成本支出。在成熟市场，能源成本占网络总运营支出（OPEX）的10 - 15%；而在偏远站点众多或电网质量较差的发展中市场，这一比例甚至可达50%。随着移动宽带连接的使用量迅速增加，大型网络运营商的网络能耗增长了15 - 35%，主要原因是对移动网络覆盖和容量的需求不断上升。全球移动宽带用户基数预计到2017年将超过60亿，且每年以10%的速度增长，到2020年移动宽带普及率可能达到100%。此外，每个移动宽带用户每年的数据使用量平均将增加25 - 50%，预计2016 - 2021年移动数据流量将增长7倍。在用户数量饱和的成熟市场，运营商收入增长停滞，用户期望更快的服务和更高的数据速率，但不愿支付额外费用。因此，运营商必须在成本不变的情况下提供更高的数据速率，提高能源效率成为实现这一目标的关键因素。 - **环境保护需求**：能源效率的提升不仅关乎成本，还与环境保护密切相关。全球变暖是电力消耗导致的温室气体排放的直接结果。欧盟委员会设定了“20 - 20 - 20”目标，即到2020年，欧盟温室气体排放量比1990年水平减少20%，可再生能源在能源消费中的占比提高到20%，能源效率提高20%。为衡量这些目标的进展，国际电信联盟电信标准化部门（ITU - T）、欧洲电信标准协会（ETSI）和电信行业解决方案联盟（ATIS）等制定了多个电信功耗和效率测试标准。 - **5G带来的挑战**：5G网络引入了一些新的网络特性，这些特性对网络能耗和效率产生了重大影响。例如，大规模多输入多输出（MIMO）和天线波束赋形技术对于提高链路预算、补偿毫米波载波频率的衰落以及提高单位面积的频谱效率至关重要，但这些新技术可能会增加功耗。此外，物联网（IoT）服务涉及大量连接设备和不断增长的覆盖需求，以及对超高可靠性、高数据速率的服务需求，这些服务通常需要通过多个频段同时连接，对提高能源效率构成了严峻挑战。 #### 2. 能源效率指标和模型 为了量化网络能源效率，通常使用以下指标： |指标|适用场景|计算公式| | ---- | ---- | ---- | |每比特能量（Energy per bit）|城市环境，网络规划通常受容量限制|$E/I$（J/bit），其中$E$为在给定观测期内介质访问控制（MAC）层测量的能耗| |吞吐量与功耗比（Throughput vs. power consumption）|特定情况下可作为效率指标|[bps/W]| |单位面积功率（Power per area unit）|郊区或农村环境，网络规划主要受覆盖范围限制|$P/A$（W/m²），其中$A$为覆盖面积| 对于报告和产品评估，通常使用上述指标的倒数： - 每单位能量传输的比特数（Number of delivered bits per energy）[bit/J]，常用于评估设备和运营网络的能源效率。 - 每日能耗覆盖面积（Coverage area per daily energy consumption）[m²/J]或[m²/Wh]，作为运营移动网络的能源效率参数。 为了在模拟场景中评估网络的能源效率，需要网络元素的功耗模型。以下是一些常见的功耗模型： - **OPERA - net项目模型**：该模型于2008年开发，是最早广泛应用的移动网络功耗模型之一。它通过在农村、郊区和城市三个运营站点安装功率计，测量基站（BS）不同组件的功耗，并结合温度和负载测量，分析功耗、数据速率和温度之间的关系。基站的功耗计算公式为：$P_{BS}=P_{P}+nP_{TRX}+\sum_{n = 1}^{n}k_{n}P_{RFn}/c$，其中$k_{1}…k_{n}$是描述各扇区可