6G网络节能技术研究

无线通信 RadioCommunication 吕婷，张涛，曹亘，李福昌 6G网络节能技术研究 6G网络节能技术研究 ResearchonEnergySavingTechnologyfor6GNetwork 吕婷，张涛，曹亘，李福昌（中国联通研究院，北京100048） LüTing，ZhangTao，CaoGen，LiFuchang（ChinaUnicomResearchInstitute，Beijing100048，China） 摘要： 作为未来新一代信息基础设施，6G网络自身的绿色低碳发展对于通信行业“双碳”战略实施至关重要。为了从根本上提升6G网络能效水平，分析了6G网络节能的需求与挑战，构建了6G网络节能技术体系，重点探讨了6G网络绿色内生及高能效运行的使能技术。 Abstract： 关键词： 6G；节能技术体系；能效；双碳doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.12.011文章编号：1007-3043（2023）12-0050-06 中图分类号：TN929.5文献标识码：A ： 开放科学（资源服务）标识码（OSID） Asanewgenerationofinformationinfrastructureforthefuture，thegreenandlow-carbondevelopmentof6Gnetworkiscru-cialfortheimplementationofthe"Dual-carbon"strategyinthecommunicationindustry.Inordertofundamentallyimprovetheenergyefficiencylevelof6Gnetwork，therequirementsandchallengesof6Gnetworkenergysavingareanalyzed，anda6Gnetworkenergysavingtechnologysystemisconstructed.Theenablingtechnologiesforgreenendogenousandhigh-efficientoperationof6Gnetworkareemphaticallydiscussed. Keywords： 6G；Energysavingtechnologysystem；Energyefficiency；Dual-carbon 引用格式：吕婷，张涛，曹亘，等.6G网络节能技术研究［J］.邮电设计技术，2023（12）：50-55. 1概述 5G主要面向增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（uRLLC）三大典型应用场景。随着远程全息、触觉通信、超能交通、全域应急通信、数字孪生、智慧生产等各类新应用的涌现，用户对覆盖、数据传输速率、端到端时延等网络性能指标提出更严苛的要求，当前5G网络技术和 —————————— 收稿日期：2023-10-09 性能指标存在一定的局限性。 为了有效应对新兴信息业务的需求，当前世界各国已相继启动6G技术研发。IMT-2030（6G）推进组已发布系列6G白皮书，在6G愿景、需求及关键性能指标方面，业界基本达成共识，6G关键技术研究方面已逐步收敛，将超大规模MIMO、通信感知一体化、智能超表面、内生AI、数字孪生、内生安全等技术作为6G潜在技术，对于全双工、轨道角动量等新技术的研究也取得阶段性进展。在6G网络性能方面，业界提出了峰值速率1Tbit/s、用户面时延0.1ms、频谱效率200~ 300bit/s/Hz等关键指标。与5G相比，6G的性能要求显著提高，大多数性能指标相比5G提升10~100倍。 在中国力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的背景下，5G网络作为数字经济发展的重要基座，已成为当前国家“双碳”战略的重要发力点。未来，6G网络将作为数字世界的新一代超级基础设施，网络能力将大幅提升，面临绝对能耗持续增加的 压力。为了推动通信网络绿色低碳高质量发展，需要将节能作为6G网络的发展目标与内在约束，构建新一代绿色低碳网络。 2面向6G的无线网络节能技术演进 2.15G网络节能技术现状及发展趋势 节能技术一直都是无线网络关注的热点，伴随着通信技术的代际更替，节能技术也不断发展演进。目前，4G/5G无线网络主要采用网络层、站点层、设备层三级节能体系。设备层节能技术主要从基站硬件、软件特性方面挖掘设备的能效潜力，一方面通过改进硬件设计、提高平台集成度、采用新工艺、新材料等降低设备的基础功耗，另一方面通过开启符号关断、通道关断、载波关断等节能特性以更高效的调用网络资源、降低设备动态功耗。站点层节能技术主要通过电源、备电、空调等配套设施的智能化管控，在满足业务需求的同时降低站点能源消耗。网络层节能技术以全网能耗最优为目标，基于AI技术实现业务精确预测并自动生成节能策略，使网络资源与能源调度适配于业务变化，实现对多制式网络的协同节能管理。 未来，随着大数据、人工智能等技术的进一步发展，网络层节能技术将持续向高级智能化方向演进，基于海量的数据以及精准预测与意图感知能力，使能更加实时化、智能化的节能控制。在站点层节能方面，将通过重构站点形态、融合清洁能源等，打造绿色站点，提升站点能效。此外，网络架构也是影响能效的重要因素，可通过简化网络架构，应对多模多频网络并存、频谱碎片化、设备多样化导致的网络复杂化、能耗大等问题，推动无线网络绿色低碳化发展。 2.26G网络节能需求与挑战 6G在5G基础上，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，将实现由万物互联到万物智联的跃迁，最终将助力人类社会实现“万物智联、数字孪生”美好愿景。为了实现这一美好愿景，6G网络将融合地面移动通信、近地空间平台、无人机平 台、中低轨卫星等通信技术，将二维网络覆盖升级为三维立体网络，实现空天地一体化的全覆盖，消除边远地区的数字鸿沟。同时，为了满足更加丰富的业务应用以及极致的性能需求，6G将采用内生智能的新空口和新型网络架构，使网络能力在5G的基础上进一步跃升。 目前，5G正处于高速发展期，预计到2025年，我国每万人将拥有26个5G基站，5G基站总数将不少于360万。到6G时代，随着频谱向太赫兹、可见光等更高频段延伸，无线信号的传播能力将显著下降，为了实现与5G相当的覆盖，6G基站部署规模将会是5G的数倍之多，相应地，6G网络对能耗的需求将是巨大的。为了应对6G高能耗的挑战，推动6G绿色低碳化 发展，业界对6G网络的能效指标提出了更高的要求。 能效指标用于衡量能量有效转化效率，在传递相同信息量的前提下，网络能效越高，则消耗的能量越少。预计6G网络的能效指标将是5G的10~100倍，以期通 过能效水平的提升，缓解6G绝对能耗激增的压力。 2.36G网络节能技术体系 无线网络的基础能效水平与系统设计紧密相关，网络架构、信令流程、无线空口传输技术等都是影响网络能效的重要因素。在5G系统设计过程中，主要以传输速率、时延、连接密度等网络性能指标为设计目标，节能技术是作为在标准化协议及网络架构基础上的叠加功能引入的，主要通过在网络运行阶段使能资源与业务的动态适配，适时关断部分硬件资源以达到节能的效果。5G节能技术虽然可以在业务闲时降低部分能耗，但不能从根本上提升系统的基础能效，节能效果有限。 为了从根本上提升网络基础能效水平，6G网络需 要在系统研发的早期阶段就引入节能理念，构建绿色内生的6G网络。为此，6G节能技术体系将在5G的三级节能体系基础上进一步扩展，涵盖端到端全生命周期的节能。在系统设计阶段，将绿色节能作为目标与约束条件，在架构设计及协议栈设计过程中充分考虑能效因素，将绿色网络架构、零信令开销以及高效无 线传输技术等网络绿色内生的使能技术进行标准化，实现系统传输能力最大化、能耗最小化，提升系统自身的基础能效水平。在系统运行阶段，引入可重构组网技术，实现动态按需组网；采用智能资源管理及智能关断等技术，提升网络资源以及能源的使用效率，使能6G网络高能效运行。 此外，6G也可复用现有的设备层、站点层、网络层节能技术，从多维度降低网络运行能耗。在设备层，引入高能效的芯片、器件及硬件平台，开启软件关断功能，降低设备级功耗；在站点层，执行站点基础设施的智能监测与管控，打造绿色站点；在网络层，基于智 能化云平台实现多制式网络协同的智能化节能（见图 1）。 36G网络绿色内生的使能技术 3.1绿色网络架构 网络层节能 智能化云平台（5G/6G多系统协同节能） 业务、资源、 能耗感知 智能控制指令 节能策略 站点层节能 业务、能耗 等数据感知 智能化绿色站点 业务、资源、 能耗感知 设备层节能 智能开关指令 使能6G网络绿色内生 （系统设计阶段） 使能6G网络高能效运行 （系统运行阶段） 内生AI的高能效基站 零瓦特智能关断 智能资源管理 可重构组网 高效无线传输 零信令开销 绿色网络架构 图16G网络节能技术体系架构 网络架构与形态是影响网络性能与能效水平的重要因素。5G时代主要实现从城市到乡村的全面覆盖，网络形态以传统的蜂窝小区组网架构为主，形成多频层、多制式、宏微协同的覆盖模式。为了满足差异化的覆盖需求，现网呈现多网并存、频谱碎片化、设备多样化的格局，导致网络架构复杂化、能耗大等问题。 6G将实现万物智联，网络覆盖目标将由地面覆盖扩展到太空、空中、陆地、海洋等更多自然空间，实现全球全域的“泛在连接”。此外，下一代无线网络还需要赋能千行百业，支持多样化终端接入，满足差异化的业务性能要求，对数据速率、连接数、时延等网络性能指标以及组网的灵活性均提出了更高的要求。因此，传统的蜂窝网络架构不足以支撑6G网络的愿景目标。为了实现万物智联、绿色低碳的发展目标，6G网络架构将发生颠覆式重构，无线网将打破传统的有边界的、烟囱式的架构，支持融合泛在、绿色节能的新一代网络架构。 6G绿色网络将采用空天地一体化组网，通过天基网络、空基网络、地面网络3层组网，形成以地面网络为基础、以天基网络和空基网络为拓展的立体全域覆盖网络。地面网络与非地面网络互联互通、深度融合，采用统一的协议栈，支持海量用户无感知、极简的泛在接入。基于内生智能，充分利用网络节点的通信、计算和感知能力，通过分布式学习、群智式协同，实现端到端智能编排调度、跨域智能管控，保障用户为中心的业务感知和最优的网络能效。 地面与非地面网络层可采用超蜂窝、无蜂窝等符合绿色通信发展趋势的新型组网架构。超蜂窝采用控制面与用户面解耦的架构，控制基站与业务基站可以独立按需部署，前者用于提供用户接入以及控制信号的传递，可采用大区覆盖模式；后者用于为用户提供高速数据传输，可按需灵活部署。无蜂窝构架基于“以用户为中心”的理念，网络中部署多个分布式接入点以及一个与所有接入点相连接的中央处理单元，通过中央处理单元的集中信号处理，广泛分布的接入点 可以实现高水平的协作，形成一个“超级基站”覆盖整个区域。每个用户接入一组特定的接入点，可以利用空间宏分集和低路径损耗提升网络的频谱效率和能量效率。 6G绿色网络架构以空天地一体化组网为基础（见 图2），融合超蜂窝、无蜂窝技术，通过多站点协同覆盖，可实现系统能效最大化。具体来说，超蜂窝架构中的控制基站可位于天基或空基网络层，提供更大范围、连续的信令覆盖，以保障用户接入的连续性；地面 业务基站则可按需部署在热点区域，根据业务潮汐效应动态休眠，以降低基站能耗。此外，地面网络还可采用无蜂窝架构，基于对接入点的智能化控制，实时关闭无用户接入的接入点，以进一步节省系统能耗。通过引入绿色网络架构，可减少地面业务基站部署数量，同时结合动态休眠技术，预计总体网络能效可提高1~2倍。 3.2高效无线传输技术 6G网络将在5G的基础上，进一步增强多天线、调制编码、双工等物理层技术，探索新的物理维度和传输载体，实现信息传输方式的革命性突破。通过在6G网络中引入更高效的无