面向 “双碳” 目标的未来绿色移动通信技术 | 西电李建东, 张夏雨, 刘俊宇等

研究意义

为应对日益严峻的气候问题并迎接全球范围内的第三次能源革命, 我国作为世界上最大的发展中国家, 率先面向提出 “碳达峰” 和 “碳中和” 的 “双碳” 目标。在移动通信网络的长期演进过程中, 人们始终追随着绿色通信的愿景。如何在网络总能耗与碳排放量大幅度下降的同时保障用户端个性化服务质量成为未来移动通信网络面临的挑战之一。然而, 现有移动通信网络存在高能效、高浪费和高碳排并存的问题, 因此需要从通信网与能源网融合的角度研究未来绿色移动通信技术。

研究团队

李建东: 西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室, 鹏城实验室 盛敏, 刘俊宇, 赵晨曦, 张夏雨: 西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室

朱江: 华为技术有限公司

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李建东, 张夏雨, 刘俊宇, 等. 面向 “双碳” 目标的未来绿色移动通信技术. 中国科学: 信息科学, 2024, doi: 10.1360/SSI-2023-0287

本文工作

本文通过调研, 探究移动通信系统节能减排的能力边界, 即未来移动通信网络能否在保障用户差异化服务质量需求的同时, 将能耗降低50%, 碳排降低50%。本文首先阐述了面向 “双碳” 目标绿色通信技术的低碳演进方向, 包括网络结构弹性化、传输单元精简化、网络资源多样化以及通信能源一体化。接着从组网技术、资源管控技术和传输技术三个角度调研了现有移动通信网络中的绿色通信技术, 调研结论表明, 现有绿色通信技术可以将能耗降低 50%以上, 但是无法在同等、有限的能量约束下, 将碳排降低50%。然后，在移动通信网络的基础上, 引入能源网, 对通信网与能源网联动下的低碳排技术开展研究, 通过几种不同架构的对比, 证实了双网融合架构对于碳排降低50%的可行性。最后，展望了未来的工作与挑战并总结全文。

本文的贡献如下：

(1)研究了在业务随机到达的条件下, 不同的业务负载波动标准差、接入点密度和网络额外耗能百分比之间的关系，发现了网络中额外高能耗区域；

(2)从消除能量分布与业务分布随机性与不可预测性的角度, 设计了一种通信、感知和能量融合的原生绿色网络架构。

实验结果

依托于该原生绿色网络架构, 仿真模拟了能量资源与业务分布相匹配、通信资源与业务分布相匹配以及三者之间双向匹配三种情况下的碳排放量. 仿真场景为100×100m²的二维平面, 部署三个基站BS1, BS2和BS3, 每个基站的可分配载波数为5个, 最大发射功率为2W. 为了体现业务非均匀分布的特征, 在 BS1 的覆盖范围内存在5个用户, 在 BS2 的覆盖范围内存在3个用户, 在BS3的覆盖范围内存在2个用户, 分别对应重、中、轻三类负载. 设定每个用户的QoS需求均为5 Mbps, 每个用户只能被一个基站提供服务, 且只能占用一个载波, 仿真运行500次（每次随机生成信道）功率优化, 统计并对比单向匹配方法与双向匹配方法下的网络性能。