6G网络节能技术研究

摘 要

作为未来新一代信息基础设施的关键组成部分，
绿色低碳的发展模式对通信行业的"双碳"目标实施具有关键支撑作用。
从基础层面对提升6G网络能效水平提出系统性解决方案，
深入剖析了实现6G网络高效节能的技术难点与实施障碍。
系统性构建并完善了一套完整的6G节能技术支持架构，
深入研究并重点解析了促进6G网络绿色可持续发展的内在驱动力及其技术支持方案。

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概 述

5G主要用于增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）以及超可靠低延迟通信（uRLLC）这三大典型应用场景。
伴随着远程全息技术的发展及触觉通信的成熟，在智能终端设备与工业自动化领域之间的高效协同更加广泛深入。
针对覆盖质量、数据传输速率及端到端时延等关键网络性能指标提出了更高的要求。
目前5G网络技术与性能指标仍存在一定的改进空间。

为了有效解决新兴信息业务相关的问题，世界各国纷纷投入大量资源推进6G技术研发工作。由IMT-2030工作组主导发布的6G白皮书详细阐述了6G的发展愿景、需求及关键性能指标，在业内已达成共识的技术包括超大规模MIMO系统、通信感知一体化架构以及智能超表面等核心技术，并聚焦于内生AI、数字孪生等潜在技术的研发进展。此外，在新型传输技术方面也取得了一定的阶段性成果。就网络性能而言，业界提出了包括最高可达1太比特每秒的数据传输速率、极端低时延（小于0.1毫秒）以及显著提升的频谱效率（200至300比特每秒每赫兹）在内的关键指标要求。相较于5G网络性能的整体提升幅度在10至100倍之间呈现明显的阶梯式增长趋势

基于中国在2030年之前实现"碳达峰"、2060年之前实现"碳中和"的战略目标，在全球范围内推动绿色可持续发展大趋势下

5G网络被视为推动数字化经济发展的关键基础设施

可被视为当前国家实施"双碳"战略的核心举措

展望未来

6G技术有望成为引领未来数字变革的核心力量

将面临能源消耗持续上升的挑战

为推动通信技术的绿色低碳高效发展

需要将节能作为6G技术发展的内在目标与核心约束

并致力于构建新一代绿色低碳的技术架构

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面向6G的无线网络节能技术演进

2.1 5G网络节能技术现状及发展趋势

节能技术一直是无线网络发展的重要议题之一。伴随通信技术的迭代更新与演进，在这一过程中, 节能技术也面临着持续革新与优化的需求。目前, 4G/5G无线网络的能量管理体系主要采用三级节能架构: 设备层、站点层与网络层。其中, 设备层节能技术主要聚焦于从基站硬件性能及软件特性入手, 挖掘设备能效潜力, 具体而言, 一方面通过优化硬件设计提升集成度, 运用新型工艺与新材料降低运行功耗水平; 另一方面则通过启用符号停用、信道停用以及载波停用等节能功能来优化资源调用效率, 实现动态功耗管理目标。在站点层面, 节能管理重点在于对配电设施、备用电源及空调系统的智能化管理, 在满足业务需求的同时最大限度地降低能源消耗水平。而网络层面则以全局能源配置最优为目标, 借助AI技术支持实现业务需求精准预测与能量规划的最佳匹配, 从而实现多制式网络间的协同节能管理策略

展望未来，在大数据、人工智能等技术领域取得进一步突破的情况下，在网络层节能技术具备持续向更高水平智能化方向演进的能力。该系统将充分利用海量数据和精准预测与意图感知能力，并实现能效管理更加实时化和智能化以提升整体能源效率。在站点能效提升方面，通过重构站点形态，并融合清洁能源等技术手段构建绿色化服务场景以实现资源高效配置目标。同时考虑到不同应用场景下的具体需求，在网络架构设置上需进行科学规划以确保系统运行效率最大化，在此基础上优化网络架构设计以应对相关挑战从而推动无线网络绿色低碳化发展

2.2 6G网络节能需求与挑战

基于5G的发展成果，在服务人类以及人与物的基础上

当前正快速发展的阶段中处于高速发展期的5G技术，在未来几年内将成为社会关注的核心领域之一。根据预测分析显示，在大约在2025年左右的时候我国每个1万人当中将拥有至少360万个移动通信基站设备；而到了那个时候整个国家范围内总共建设起来的移动通信基站数目也将突破至千万级别大关。当移动通信技术发展升级至下一代即6 Generation移动通信系统时由于更高的频段被广泛应用无线电信号在大气中的传播特性会发生明显变化进而导致其覆盖范围可能大幅缩减与此同时为了维持与当前第五代移动通信系统相当的技术覆盖性能新的第六代移动通信系统将被迫采取更为密集化的站点布局策略从而使得其整体建设规模可能会达到甚至超过现有第五代水平甚至更多倍数的增长与此同时能源消耗需求也将急剧增加

为应对6G高能耗挑战而推动绿色低碳发展

2.3 6G网络节能技术体系

无线网络的基础能效水平与其系统设计之间具有密切关联。其中的网络架构、信令流程以及无线空口传输技术等因素均对系统的能效产生重要影响。在5G系统的整体规划阶段,以传输速率、时延以及连接密度等因素被视为主要优化指标,而节能技术和标准化协议/网络架构之间存在依存关系,主要通过在网络运行阶段实现能资源与业务的动态适配,适时关闭部分硬件资源以达到能耗优化的效果。尽管5G节能技术能够在业务低负载时段实现部分能耗优化,但其对提升系统基础能效的作用有限。

为了实现网络基础能效水平的根本性提升, 6G网络应在系统研发初期就内置节能理念, 构建绿色内生的6G网络架构.为此, 6G节能技术体系需在5G三级节能体系基础上进一步拓展, 延伸至端到端全周期的节能管理.在系统设计环节, 将绿色节能作为目标导向和约束条件, 在架构设计及协议栈构建过程中充分考量能效因素, 对绿色网络架构、零信号开销以及高效无线传输技术等进行标准化配置, 最大化系统传输效能的同时最小化能耗, 进一步提升系统的基础能效水平.在系统运行阶段, 部署可重构组网技术以实现动态按需组网; 同时采用智能化资源管理和智能切段等技术, 优化网络资源利用效率及能源消耗效率, 实现6G网络高能效运行状态.

此外，在6G网络建设中可充分借鉴现有设备层、站点层以及网络层的技术节能方案。具体而言，在设备层面将部署高效能的芯片组、智能设备和硬件平台系统，并启用智能关断功能模块以降低设备级功耗；在站点层面建立智能化监控管理系统以实施低碳化运营策略；在网络层面通过智能化云平台实现多模式协同优化进而提升整体网络运行效率（如图1所示）。

图1 6G网络节能技术体系架构

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6G网络绿色内生的使能技术

3.1 绿色网络架构

对网络性能和能效水平产生重要影响的是网络架构和形态这两个关键要素，在5G时代的主要目标则是实现城市到乡村的全面覆盖。主要采用蜂窝小区组网架构作为基础，并构建了一个包含多种频段、多种制式以及宏观与微观协同工作的覆盖模式。针对不同区域的需求，在当前环境下呈现出多种网格共存的特点，并且频谱资源分布变得碎片化的同时还伴随着设备种类日益丰富的情况出现。这种情况下不可避免地会导致复杂的网络架构形成以及较高的能源消耗问题。

6G技术的全面应用将推动万物互联战略的实施。该计划的目标是使无线通信系统不仅覆盖地球表面，还将延伸至太空、空中以及海洋等更广袤的空间领域，并最终实现全球范围内的泛在连接能力。同时，在这一过程中还需要支持各行业及数百种不同终端设备实现精准的数据传输与协作通信；对数据传输速率、设备连接数量以及通信时延等关键性能指标的要求更为严格；同时，在组网结构上也提出了更高的灵活性需求。鉴于此，现有的蜂窝制式架构无法满足未来6G技术的发展愿景。

6G绿色网络将采用空天地一体化组网架构，并通过三层组网架构实现：天基网络、空基网络及地面网格间的有机融合。该系统构建以地面网格为核心，并向外延展融合天基与空基网格的立体全域覆盖架构。支持地空网格间互联互通与深度融合，并基于统一协议栈设计实现大范围用户泛在接入方案。依托节点内生智能特性，在分布式学习机制及群体智能协同模式下完成端到端智能化编排调度与跨地域智能管控目标。该系统确保业务集中于用户需求并实现最优能效水平

基于绿色通信的发展趋势，地面网络层和非地面网络层均可采用超蜂窝架构和无蜂窝架构作为其组网方案。在超蜂窝架构中，通过控制面与用户面解耦的设计实现，在前者主要用于向用户提供接入服务并传递控制信号的基础上，在后者则专门针对用户的高速数据传输需求设计。在无蜂窝架构下，在整个区域内部署多个分布式接入点，并将这些接入点统一连接至一个中央处理单元，在这种组织模式下可以通过中央处理单元完成集中信号处理任务，并使广泛分布的接入点之间实现高度协作功能从而形成覆盖全区域的一个"超级基站"。每个提供者会连接到一组特定的接入点集合，在这一过程中可以利用空间宏分集技术和低路径损耗特性来提升整体频谱效率以及能量效率水平。

6G绿色网络架构以空天地一体化组网为根基（如图2所示），结合了超蜂窝技术和无蜂窝技术。该架构通过多站点协同覆盖实现系统能效的最大化提升。具体而言，在超蜂窝架构中，控制基站可部署于天基或空基网络层之间切换位置；而地面业务基站则可以根据实际需求部署于热点区域，并通过动态休眠功能实现信道资源的有效管理。此外，在地面网络中采用无蜂窝架构时，则可以通过智能化接入点管理减少不必要的能耗消耗；这种模式下不仅能够降低整体系统的能耗水平，并且还可以显著减少地面业务基站的数量配置。值得注意的是，在动态休眠技术的支持下，整个网络系统的能效预计将会提高1到2倍

图2 6G绿色网络架构

3.2 高效无线传输技术

6G网络将在5G的基础上进一步发展多天线、调制编码、双工等物理层技术，并积极探索新的物理层面和传输介质以实现信息传递模式的根本性革新。借助6G网络中采用更为先进的无线通信技术和方案以提高空口通信效率，在实际应用中能够显著降低所需频谱带宽及功率消耗水平。通过优化数据传输过程中的能量分配策略，在确保通信质量的前提下最大限度地提升系统能效。

多种多路技术作为提升频谱效率最优的技术手段，在现有网络体系中得到了广泛应用。其中基站的收发天线组数从3G时代的1T1R增长至5G时代的64T64R配置，并且5G商用设备主要采用大规模MIMO技术。随着天线与芯片集成度的不断提升，天线阵列规模将持续扩大，在由大规模MIMO向超大规模MIMO演进的过程中不断向更高空间维度拓展其覆盖能力。超大规模MIMO通过大幅增加天线数量至数千甚至更高规模，在深入挖掘空间资源的基础上实现了频谱效率的最大化提升能力。这种技术不仅能够提供超高增益特性，在高频段传输面临高路径损耗的情况下仍能有效补偿其影响；同时无需额外增加设备发射功率即可扩大覆盖范围并优化能量效率表现；此外该技术还具备在三维空间内进行波束方向调节的能力不仅可以实现地面信号的有效覆盖还能拓展非地面区域信号覆盖范围从而更好地满足全域泛在通信需求

基于无蜂窝架构的分布式大规模MIMO是一种在无需密集蜂窝节点支持的情况下实现大规模通信的有效技术方案。该系统通过众多低功耗且地理位置分散的接入点之间的协同工作模式，可以实现广泛区域内持续稳定的信号覆盖。为了提升系统的稳定性和可靠性，在接收端采用分集技术和抗干扰措施减少信号衰减带来的影响。该系统通过多接入点协同合作的方式为用户提供服务，并消除了传统小区划分所带来的边界效应问题。

在物理层技术增强方面, 包括采用新型编码调制技术和多址接入技术等, 并结合全双工技术, 优化信号结构等手段来提升系统频谱效率. 其中, 极化编码技术有望为6G网络逼近信道容量极限提供技术支持, 同时其编译码复杂度及误码率均处于较低水平. 准循环低密度奇偶校验码则凭借较高的译码效率及良好的并行特性, 适合满足高吞吐量需求. 通过强化学习等方法对大量码字集合进行分析研究, 实现最优参数的学习与应用从而优化AI编码设计. 全双工技术通过同时实现上行与下行通信而不占用额外频谱资源来提升频谱复用效率. 此外, OTFS调制以及概率成形调制等潜在新技术的应用也将进一步提升系统传输性能.

未来6G网络将继续探索新的物理维度与新型信息传输模式，并将通过这些创新手段来显著提升带宽。其中就包括利用轨道角动量与智能反射面等技术来拓展通信能力。在这一领域中的一项关键突破是利用电磁波的轨道角动量特性来扩展除了频率、相位与空间之外的一个新维度。具体而言，在同一个载波上分别加载不同轨道角动量等级的电磁波信号，并通过其独特的正交性实现多重数据编码。与此同时，“智能反射表面”技术也是一项重要进展——它允许通过软件控制反射面上每个个体单元的电磁特性来进行精确调控。“这种可编程控制使得我们可以对传播环境进行重新配置从而改善无线链路的整体性能。”最后综合来看，“这些物理层增强技术的应用将带来显著的能量效率提升。”按照现有研究结果，“在采用高效无线传输技术的情况下预期能效可能提升约2倍。”

3.3 零信令开销

无线网络中的同步信号、系统消息以及寻呼消息等一类关键的公共信息是构成系统信令开销的核心要素之一，并直接影响空闲带宽的利用效率；这些额外的信息处理开销可能导致通信效率出现不必要的消耗。伴随6G技术的发展趋势，在多载波协同组网的情境下；所有参与组网的载波节点均需发送必要的同步信息；并需要建立相关的同步通道和专用控制通道；这将显著增加信令传递过程中的开销负担；从而对整体网络效能产生不利影响。

构建6G绿色空口需要通过优化公共信号开销来提高系统能效水平。在小区处于低负荷状态时，则可以通过减少公共信号传输频率来节省能耗。这种情况下小区有机会进入休眠或关闭的状态以节省能源。当系统处于多载波工作模式时，则可以通过各载波间的协同作用将所有系统信息整合到一个载波中发送，在有效降低通信负担的同时实现资源的最佳利用

另一方面，在5G网络的基础上进一步优化后可实现零信令开销传输技术的应用场景将更加广泛。传统的蜂窝网络架构中终端设备接入网络需要经历复杂的信令交互与调度流程这一过程必然会导致较高的资源消耗而在6G网络环境下面对海量设备连接需求时若仅依赖传统的蜂窝架构将无法满足低功耗高效率的需求为此6G绿色网络系统提出了一种全新的解决方案即无需依赖蜂窝架构即可实现终端端到端的零信令交互并支持动态进入休眠状态从而显著降低了系统的能耗水平在这种模式下即使是在高密度部署的环境下也能保证网络运行的高效性同时避免了因过度使用公共信道资源而导致的能量浪费问题这种设计不仅能够有效提升系统的能效比还能为大规模物联网设备提供更加可靠的技术保障

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6G网络高能效运行的使能技术

4.1 可重构组网

现行无线网络组网架构以物理小区为基础单元，并通过基于"烟囱式"协议栈的机制将控制平面与用户平面的功能有机结合。在此架构下, 网元功能实现了与硬件设备的深度集成, 各类网络服务依附于特定的网元运行环境, 这种架构在一定程度上制约了网络资源的利用效率, 无法充分适应日益复杂的业务需求多样化场景

6G网络能够运用可重构组网技术，在满足用户行为及业务特征的基础上灵活按需进行资源配置与部署。借助于软件定义网络与网络功能虚拟化的技术手段，在不依赖硬件的前提下实现各类型的功能模块能够更加细致地规划资源并灵活配置位置。通过这种方式不仅提升了通信服务质量还能有效优化资源利用效率符合绿色通信的发展趋势要求的同时还支持模块独立演进以适应未来的多样化应用场景需求

4.2 智能资源管理

无线网络的能效与其资源使用效率与业务负荷的变化具有密切关联性，在满足用户服务质量的前提下通过智能资源配置来提升网络利用率是关键问题之一。目前而言，在5G技术背景下所实施的智能化调度策略与节能管控措施能够带来约10%至20%的能量节省效果。展望未来，在大数据与人工智能技术快速发展的推动下，网络资源配置将更加注重实时性、智能化以及协同性特征，在这种背景下能够实现对业务流量的有效适配，并达成业务流、数据流以及能源流的最佳契合状态从而最大限度地提升网络资源与能源的整体利用效率而通过智能资源配置也将进一步扩大能效收益范围

从设备端出发，在基站层面提升其对于业务量、资源分配以及能源消耗状况的认知能力，并结合内生型人工智能对用户行为与业务需求进行精准预测。基于此信息精准地在空域维度上实施动态频段切换，在频域维度上优化信道利用率，在时域维度上实现流量高峰期前向压力释放的同时，在多维度上实现了三者之间的最佳协调统一。同时，在基站层面还可以采用低负载状态下的小小区休眠策略，并根据不同的小区运行状态分级实施休眠措施，在MIMO技术层面进行优化适配以实现空口资源的有效管理从而实现整体节能目标

位于站点层面，在此基础上通过大数据技术和数字孪生技术的应用实现了对站点基础设施的全面监控与智能管理。依据实时采集到的系统运行状况、能耗水平、碳排放数据以及环境数据等信息动态生成相应的节能优化策略，并通过动态调整电源分配与空调运行参数来实现对该系统的智能化调控。从而显著提升供配电系统的效率水平，并进一步优化制冷能效表现。

在该层面上，采用集中式或分布式的人工智能技术对业务需求进行分析和场景识别自动化；通过智能化的协同调度方式实现资源优化配置，在满足业务需求的情况下最大限度地减少全网能耗。外界在6G绿色网络架构下，在各个分布式基站或接入点实时监控网络运行状态；由控制基站或中央处理单元协调管理多个设备的资源分配；构建以用户体验为中心的弹性覆盖方案；从而实现资源的最大化利用效率；显著降低了整体能源消耗水平。

4.3 零瓦特智能关断

5G网络主要采用符号关断、通道关断、载波关断等多种不同粒度的关断技术以降低设备能耗。受限于可调节时长及设备唤醒延迟的影响，在现有技术条件下节能效果较为有限。而在6G绿色网络架构中，则可基于超蜂窝与无蜂窝两种模式实现更为灵活与智能的资源管理策略。具体而言，在超蜂窝网络架构下，在同一覆盖区域内可部署多个业务基站，并由控制基站提供广域底层覆盖功能，在不影响用户接入的前提下各业务基站可根据自身的负载情况动态地实施休眠或唤醒操作。而在无蜂窝网络架构中，则通过广泛分布的低功耗接入点依据用户的地理位置信息实现动态状态切换，并在此过程中充分平衡好覆盖范围与能源消耗的关系。基于以上架构设计原则，在结合通信电源一体化智能控制的技术支持下，则可以在不中断业务服务的情况下对各业务基站或接入点的供电状态进行精细调节，并最终实现零比特与零瓦特的目标状态。

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结束语

在数字世界建设中发挥着基础支撑作用的6G技术，在通信行业实现"双碳"战略目标方面扮演着至关重要的角色。随着技术从5G向6G演进的过程中，在网络技术和设备性能两方面都实现了质的飞跃；同时通信网络的覆盖范围也在不断扩大。尽管如此，在这一转变带来的不仅是网络性能的重大提升，在能源效率方面也面临着更加严峻的挑战。为了使6G技术能够持续满足日益增长的需求与可持续发展的要求，在提升能效方面必须下足功夫。

当前

在6G技术研发与标准化工作全面推进的背景下，在探索绿色节能技术多元化发展路径的同时