绿色网络6G白皮书

中国移动通信研究院 前言 当今世界，绿色发展已经成为一个重要趋势，2020年9月习近平主席在联合国大会一般性辩论上向全世界宣布，中国力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值，并努力争取2060年前实现碳中和，从而开启了一段以“双碳”目标为引领的高质量绿色发展新征程。面向2030年，绿色发展将在能源、工业、交通、建筑、数字基础设施等各个方面改变人类的工作与生活，而6G作为未来绿色发展的核心设施，其功耗及能效无疑是大家关注的焦点。本文阐述6G网络能效需实现的目标及实现路径，这不仅需要实现6G网络本身能效的大幅提升（“节流”），还需要完成6G网络与新能源的高度融合（“开源”），并最终助力国民经济的绿色发展（“赋能”），实现双碳目标。 首先，通过引入绿色设计理念和原生AI能力，6G在保证最佳业务性能和体验的同时，需将全网整体能效提升至2020年能效的 10-100倍，以将控制总能耗的增长。潜在的提高能效的技术横跨网络架构与组网、设备形态、关键器件与算法等领域，我们期望通过技术进步，核心网与数据中心能效提升1倍，而无线网中通过网络架构、 空中接口和高效设备与器件分别实现1倍、2倍和5倍左右的能效提升。 其次，推动6G网络和终端设备与新能源的集成或深度融合，提升可再生能源占比，使绿色能源广泛应用在6G网络中，从而减少碳排放，我们通过新能源。例如，基于6G的数字技术与光伏技术融合，使光伏运维、生产和资产管理变得极简、智能、高效，大幅提升光伏发电效率，再结合光储能和智能电力传输技术，使绿色能源伴随着6G网络互联互通，加速光伏等绿色能源成为6G网络主力能源。最后，6G网络将赋能电力、工业、交通和建筑等领域以实现深 度脱碳，智赋生产，实现可持续发展，通过广泛互联、智能互动，赋能千行百业的绿色化，为全球工业的可持续发展发挥核心作用。 本白皮书意在抛砖引玉，引起业界对6G网络能耗挑战的关注，并将绿色6G的理念贯穿于产品的设计、研发与部署等各个环节，以携手移动通信产业链各个环节，共同实现绿色6G的愿景。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.绿色6G网络的需求2 1.1双碳战略2 1.26G高能耗挑战2 2.绿色6G愿景3 3.绿色6G技术与行业赋绿3 3.1网络架构4 3.2核心网与数据中心5 3.2.1节能技术5 3.2.2节能即服务5 3.2.3数据中心节能6 3.3无线网6 3.3.1无线网络架构6 3.3.2高效空口7 3.3.3高效硬件10 3.4新能源应用11 3.4.1泛在的新能源供给11 3.4.2新能源与6G网络深度融合12 3.5行业赋绿13 4.展望14 缩略语列表15 参考文献16 附录16 A能耗与能效的评估16 1.绿色6G网络的需求 1.1双碳战略 2020年9月22日，习近平主席在联合国大会上承诺“中国将力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，实现双碳战略目标，事关国 家可持续发展和构建人类命运共同体。我国将用30年时间走完发达国家60年的“达峰-中和”进程，面临时间短、任务重、转型难等重重挑战，需要中国以更快速度向高质量发展转型，绿色低碳成为各业共同的目标和使命，促使ICT产业系统性思考移动网络绿色发展目标。 1.26G高能耗挑战 面向2030年及未来，6G网络将助力实现真实物理世界与虚拟数字世界的深度融合，构建万物智联、数字孪生的全新世界。智慧城市、智慧家庭、智赋工业、智赋农业、超能交通、精准医疗、普智教育以及智慧能源等6G全新应用场景将在人民生活、社会生产、公共服务等领域提供全新的服务，实现“智享生活”、“智赋生产”、“智焕社会”，更好支撑经济高质量发展需求，进一步实现社会治理精准化、公共服务高效化和人民生活多样化。 ITU2030年流量增长预测 为支撑2030年后网络流量快速增长，6G网络需要更立体的网络、更智能的 能力、更丰富的应用，以提供人机物、全时空、安全、智能的连接和服务，6G将从服务于人、人与物，进一步拓展到支撑智能体的高效互联，实现由万物互联到万物智联的跃迁，最终助力人类社会实现“万物智联、数字孪生”美好愿景。相比于5G，6G网络连接密度将继续大幅度提升，将有更多的设备连接到互联网。为了满足个性化热点区域流量和业务的需要，需要部署更多热点，预计网络规模将是现有网络规模（节点数量）的数倍以上。这些都对6G网络的运营和能耗提出了系统性挑战。本书将我们对绿色6G网络愿景、关键技术进行阐述，希望能为业界作参考和启示。 2.绿色6G能效愿景 6G网络业务应用丰富多彩，网络覆盖广泛，网络规模宏大，这要求网络必须是绿色低碳、低成本、可持续。面对6G网络面临的严重能耗挑战，中国移动通信研究院提出“能效百倍提升，绿能泛在互联”的愿景。 能效百倍提升：为了实现2030年碳达峰需要，届时部署6G时，网络能耗相比已有网络增加余地不大，鉴于2030年通信流量相对于2020年将增长80倍以上，在总能耗不变情况下，单位流量所需功耗需同步降低，因此我们期望6G的能效相对于2020年需提升10-100倍。 绿能泛在互联：我们预期，6G网络将支持绿能与传统电能的深度融合。一方面，6G网络支持网络设备、终端设备灵活使用新能源，另一方面网络可感知移动储能的状态，支持绿能路由。6G网络支持绿能、算力、信息传输的高度融合，实现绿能与传统电能有机协同。 我们希望，6G网络搭建一个灵活可扩展的平台，结合人工智能、大数据等技术，构建多元智能体，实现物理世界与数字世界的有机整合与多向互动，助力千行百业的数智化转型，极大丰富智能应用场景，实现行业绿色高质量发展。 3.绿色6G技术与行业赋绿 绿色6G是总体目标，需要从设计理念上采用绿色至简的原则，通过核心网 与数据中心、无线网、能量供给等环节的相应方案实现，并应用于千行白业，助力相关行业实现双碳战略。 6G网络应以绿色节能为优化目标，通过更合理的规划、部署和应用功能网元和网络资源，实现网络功能的随需部署、即插即用。通过服务感知，精准感知业务、用户、区域的功能网元部署需求，随需部署功能网元和服务。当容量需求高时，可以开启较多的功能网元；用户较少或者业务量较低时，按需关闭功能网元，实现健康绿色运行。从而实现网络能耗与业务负荷最佳匹配，接近“0比特0瓦特”的理想目标。 相对功耗% 100% 动态功耗 4G/5G 6G 30% 静态功耗 100% 负荷% 3.1网络架构 6G网络具备更多能力，性能更强，这要求网络架构设计将由复杂增量式向至简一体式转变。 坚持至简设计原则，实现一体化至简网络架构。一方面从整体上结构化极简化功能集合，整合零散的服务功能，减少网络复杂度；另一方面进一步深化微服务理念，细化服务和功能的颗粒，减少服务间的耦合度，并支持智能化的组织能力，降低系统维护难度。通过至简接入网架构设计、智能化的端到端内生感知-计算-控制一体化机制、核心网络功能同态化，实现至简一体化的网络架构，降低整体能耗的同时，达到轻量化网络架构的目标。6G网络可以按照用户需求进行定制化精细功能组合，形成满足需求的最小化网络，实现功能层面的绿色节能。 采用至简统一的协议，降低6G网络协议和信令交互数量。6G网络作为社 会基础设施需要支撑纷繁多样的服务需求，支撑的业务或者服务内容不仅千差万别并且服务质量要求越来越高，6G网络需要有至简统一的协议体系，以降低支撑各类业务时的逻辑约束，新的网络功能和服务可以通过即插即用的方式引入。通过至简设计，使得6G网络通信所需的协议数量和信令交互大幅减少，从而降低网络的复杂度，减少系统整体能耗，同时具备韧性、安全性和可靠性的特点。 我们期望通过网络架构的改进，提升能效1倍以上的目标。 3.2核心网与数据中心 通过部署和应用核心网和数据中心的能效提升方案，我们期望提升能效1倍以上。 3.2.1节能技术 通过节省优化控制面信令交互、简化用户面数据传递，以及对网络功能、网络切片、专网园区进行能耗监控和智能化控制等方式，可以提升能源利用效率，减少闲时能耗，以达到绿色低碳的目的。 用户面引入更多更灵活的本地交换，类似5GLAN的本地交换，以及D2D的终端直接通信等技术手段，通过本地化处理用户数据，减少数据传输，以减少相应的能耗。 智能化的能耗监控及能耗控制。增加能耗监控粒度，引入网络功能粒度、网络切片粒度、园区粒度等的能耗监控，并叠加大数据分析预测能力，可以在。通过针对于企业园区等片区，在网络识别到业务量小或者业务停止时，进行网络缩容、关断等措施。 用户迁移和流量疏导。及时扩缩容、流量疏导，对流量密度低的地区可进行资源与设备节能模式。还可以考虑切片间疏导，空闲切片关闭等。针对热点区域，可以使用潮汐机制，在用户量波谷时，引入基站间、网元间、切片间的用户无损迁移机制，在保障用户服务质量的同时，减少网络设备的耗电量。 3.2.2节能即服务 双碳目标对通信产业提出了较高要求，通信产业需要进一步的数字化转型发 展，通过业务合作模式创新构建绿色低碳的通信产业生态。对于6G网络架构，也需要在考虑功能的同时，保障整体网络的节能低碳。 在通信产业自身的碳排放控制之外，还需要通过通信产业的5G、6G、人工智能、大数据等新型信息技术为其他产业的低碳转型提供辅助，通过新型的信息技术有效提高生产、管理效率和智能化水平，降低不必要的能源消耗。6G网络将需要在自身能耗效率提高的基础上，向外提供更丰富的信息技术服务，推动传统行业加快“上云用数赋智”，促进数字化智能化绿色化融合发展。 在保持6G网络内部的低碳绿色的同时，可以将节能作为一种服务提供给用户。可以通过在网络功能中新增能耗相关监测和上报服务，监测负载、能耗，扩展现在的能力开放参数，并基于及增强现有的设备层级能耗信息到服务或终端粒度的能耗信息，并可以将能耗相关的KPI或者等级开放给用户，以支持端到端的能耗监控和控制。 3.2.3数据中心节能 随着数据中心的高速发展，能耗快速增长成为数据中心产业发展中不可忽略的问题。根据统计，截止到2020年我国数据中心年用电量已占全社会用电的2.7%左右，但数据中心利用率只有50%左右。传统算力和网络分域优化的模式将导致能耗单域最优而不是全局最优的情况。随着双碳战略的提出，算网分治或运营层面的浅层次协同都将无法满足需求，需要算网一体实现算力域和网络域在调度层面、甚至是基础设施层面的深度协同优化，生成跨域优化的调度策略。“算”和“网”的一体化服务可以有效提升资源利用率，降低整体能耗，助力“双碳”战略。 3.3无线网 3.3.1网络架构 为满足未来网络中用户不同的体验诉求，未来6G网络将支持更多的频段，涵盖低频、高频、太赫兹等，可用频段中高频部分占比越来越高。传统的“先建后用”、“先广度后深度”的建网思路，将需要部署大量基站，网络能耗也将进 一步提高。在不影响用户体验的前提下，通过架构设计等手段实现绿色节能，是 6G设计首先需要考虑的问题，我们希望通过无线网络架构的增强提升能效2倍。无线电波传播特性导致高频段小区覆盖范围有限，高频小区部署走向超密集 化，传统的蜂窝组网方式，采用超密集组网提升用户面性能通常会带来切换、负载均衡和干扰问题。6G无线接入网通过合理的控制与数据分离，实现高低频有机协同，接入网络通过低频的信令小区实现广域的覆盖，中高频的数据小区实现网络按需的数据传输，结合对业务需求的感知，按需开启和关闭数据小区，实现整体能效优化。 3.3.2高能效空口 高能效的空口是绿色6G的基础，绿色6G将采取更有效的频谱利用、更简洁的发射技术、更精简的空口流程和物理层技术，并依托智能化AI空口实现空口能效的优化设计，我们期望通过高效的空口设计实现能效提升2倍以上。 频谱共享与功能复用 6G在现有频谱基础上，进一步向毫米波、太赫兹等更高频段扩展，通过对不同频谱资源的高效利用满足6G的高能效和低功耗的需求，通过新开发、重耕、聚合和共享等手