绿色网络6G白皮书(2022)-中国移动研究院.pdf

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 。 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 1 目 录1.绿 色 6G 网 络 的 需 求 21.1 双 碳 战 略 .21.2 6G 高 能 耗 挑 战 22.绿 色 6G 愿 景 .33.绿 色 6G 技 术 与 行 业 赋 绿 33.1 网 络 架 构 .43.2 核 心 网 与 数 据 中 心 .53.2.1 节 能 技 术 5 3.2.2 节 能 即 服 务 53.2.3 数 据 中 心 节 能 63.3 无 线 网 .63.3.1 无 线 网 络 架 构 63.3.2 高 效 空 口 73.3.3 高 效 硬 件 .103 .4 新 能 源 应 用 1 13 .4 .1 泛 在 的 新 能 源 供 给 .113 .4 .2 新 能 源 与 6 G 网 络 深 度 融 合 123 .5 行 业 赋 绿 .1 34.展 望 14 缩 略 语 列 表 .15参 考 文 献 .16附 录 .16A 能 耗 与 能 效 的 评 估 .1 6 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 2 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 。1.2 6G 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 。 ITU 2030 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 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 3 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 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 4 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 。 负 荷 相 对 功 耗 1 0 0 1 0 0 3 0 动 态 功 耗静 态 功 耗 4 G/5 G 6 G3.1 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 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 5 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 5G LAN 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 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 6 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 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 7 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 段 ， 进 一 步 提 升 频 谱 效 率 和 降 低 网 络 能 耗 。 以 可 见 光 为 例 展 开 分析 。 可 见 光 通 信 利 用 发 光 二 极 管 等 光 源 进 行 光 信 号 传 输 ， 再 通 过 光 电 探 测 器 等 光电 转 换 器 接 收 信 号 。 VLC 光 源 可 以 在 现 有 的 成 熟 器 件 上 进 行 改 造 ， 同 时 兼 具 照明 和 通 信 功 能 ， 合 理 复 用 了 能 源 ， 实 现 低 成 本 超 密 集 部 署 ， 满 足 高 流 量 密 度 需 求 ，具 有 低 功 耗 高 能 效 的 优 势 ， 是 一 种 高 潜 力 的 绿 色 6G 通 信 技 术 方 案 。 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 8 可 见 光 通 信 能 力 示 意 图可 见 光 通 信 在 空 口 传 输 面 临 着 一 些 挑 战 。 例 如 带 宽 利 用 率 、 高 低 频 响 差 异 大问 题 、 单 个 LED 的 照 明 强 度 有 限 且 调 制 带 宽 等 问 题 。在 通 感 一 体 化 方 面 ， 无 线 通 信 和 无 线 感 知 将 融 合 为 一 体 ， 通 信 系 统 可 以 提 供感 知 服 务 ， 感 知 结 果 可 以 提 升 通 信 的 能 效 ， 实 现 多 种 功 能 复 用 与 协 作 。 绿 色 6G的 超 高 频 通 信 中 ， 波 束 宽 带 将 更 小 并 且 波 束 能 量 将 更 加 集 中 ， 这 将 大 大 提 升 无 线感 知 能 力 。 通 过 收 集 和 分 析 经 过 散 射 、 反 射 的 通 信 信 号 ， 利 用 经 典 算 法 或 者 AI算 法 ， 实 现 定 位 、 成 像 等 不 同 功 能 。 最 后 ， 感 知 的 结 果 结 合 其 他 定 位 信 息 可 以 进一 步 帮 助 提 升 波 束 的 精 度 ， 从 而 提 高 网 络 的 能 效 。 智能超表面与多天线技术 可 重 构 的 智 能 超 表 面 RIS 技 术 采 用 了 可 编 程 的 新 型 电 磁 散 射 材 料 ， 通 过 数 字编 码 控 制 系 统 对 入 射 的 电 磁 波 进 行 控 制 ， 从 而 控 制 电 磁 波 的 幅 度 、 相 位 等 ， 最 终实 现 在 三 维 空 间 上 的 波 束 赋 形 和 波 束 管 理 。 智 能 超 表 面 RIS 技 术 可 以 有 效 地 解 决超 高 频 的 波 束 阻 挡 （ beam blocking） 问 题 和 小 区 边 缘 覆 盖 差 问 题 。在 多 天 线 方 面 ， MIMO 技 术 已 经 用 于 4G 和 5G 网 络 ， 通 过 空 分 复 用 ， 大 大 提 高 吞 吐 量 。 随 着 频 段 升 高 电 磁 波 波 长 也 减 小 ， 同 时 天 线 和 芯 片 的 集 成 度 不 断 提升 ， 天 线 阵 列 规 模 将 不 断 增 加 ， 可 以 产 生 宽 度 更 小 和 能 量 更 加 集 中 的 波 束 ， 以 克 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 9 服 超 高 频 的 带 来 的 路 损 缺 陷 ， 还 可 降 低 对 发 射 功 率 要 求 ， 因 此 可 同 时 有 效 地 提 升6G 的 能 效 ， 实 现 更 绿 色 的 空 口 。 高能效物理层技术设计绿 色 6G 的 空 口 物 理 层 技 术 需 要 更 多 的 考 虑 以 能 效 为 优 化 目 标 的 演 进 ， 需 要信 源 编 码 、 信 道 编 译 码 ， 调 制 解 调 、 多 址 接 入 、 波 形 、 MIMO 等 在 高 能 效 目 标 牵引 下 的 新 的 设 计 和 优 化 ， 同 时 考 虑 技 术 之 间 的 高 效 耦 合 ， 例 如 信 源 信 道 联 合 编 码 ，多 址 和 波 形 的 联 合 设 计 等 。在 信 道 编 码 方 面 ， 新 的 6G LDPC 码 的 设 计 将 面 向 行 并 行 或 者 全 并 行 译 码 器 ，需 要 在 性 能 、 功 耗 、 灵 活 性 、 成 本 等 多 个 方 面 取 得 全 面 最 优 。 在 波 形 和 调 制 方 面 ， 可 以 考 虑 支 持 超 宽 带 1GHz、 超 高 频 THz 或 亚 THz（ 71GHz1THz） 、 低 PAPR 的 新 波 形 ， 单 载 波 QAM、 单 载 波 OFDM 和 多 载 波OFDM 是 潜 在 的 候 选 方 案 。 另 外 ， 概 率 成 形 调 制 技 术 可 进 一 步 提 升 高 阶 调 制 的链 路 性 能 ， 这 些 调 制 技 术 将 有 效 地 提 升 每 比 特 能 效 。在 多 址 方 面 ， 海 量 连 接 的 物 联 网 将 有 助 于 基 于 免 调 度 的 非 正 交 多 址 技 术 的 广泛 应 用 。 该 技 术 可 以 提 升 系 统 可 承 载 的 最 大 用 户 数 目 ， 并 可 以 明 显 降 低 网 络 能 耗 。在 双 工 方 面 ， 全 双 工 技 术 允 许 下 行 传 输 和 上 行 传 输 使 用 相 同 的 时 频 资 源 ， 理论 上 系 统 的 比 特 能 效 可 以 翻 倍 。 全 双 工 技 术 将 面 临 一 系 列 干 扰 问 题 ， 包 括 下 行传 输 和 上 行 传 输 存 在 的 自 干 扰 ， 基 站 间 的 互 干 扰 以 及 终 端 间 的 互 干 扰 ， 大 规 模 天线 的 干 扰 消 除 技 术 至 关 重 要 。  至简的信令流程至 简 的 信 令 流 程 和 协 议 是 绿 色 6G 空 口 能 效 的 另 一 重 要 特 征 ， 免 授 权 传 输 技术 在 6G 中 将 持 续 演 进 以 应 对 新 的 挑 战 。 此 外 ， 同 步 、 切 换 等 在 内 的 移 动 性 管 理也 需 要 在 6G 进 行 简 化 设 计 以 降 低 网 络 和 终 端 的 功 耗 。空 载 和 低 负 载 时 ， 传 统 网 络 中 的 公 共 信 号 ， 如 同 步 信 号 、 系 统 消 息 和 寻 呼 消息 等 ， 占 空 口 近 30的 开 销 。 单 频 段 时 在 负 荷 满 足 条 件 时 通 过 减 少 公 共 信 号 的 传输 比 例 以 降 低 基 站 能 耗 ， 多 频 段 时 业 务 主 要 在 主 频 段 内 传 输 ， 这 意 味 着 较 少 公 共信 号 传 输 ， 网 络 能 耗 将 大 幅 降 低 。 内生AI的高能效空口 AI/ML 在 6G 空 口 的 应 用 将 延 伸 到 包 括 信 道 编 译 码 、 调 制 解 调 、 波 形 和 多 址 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 10 接 入 、 MIMO 和 接 收 机 在 内 的 更 多 领 域 ， 以 实 现 谱 效 和 能 效 的 双 提 升 。 此 外 ， 除了 物 理 层 ， AI/ML 还 可 以 使 能 6G 智 能 MAC， 实 现 高 效 的 频 谱 利 用 、 信 道 资 源分 配 、 QoS 管 理 、 链 路 自 适 应 、 功 率 控 制 、 干 扰 管 理 等 ， 实 现 业 务 特 征 与 网 络 能耗 的 匹 配 ， 提 升 网 络 能 效 。3 .3 .3 高 效 设 备 与 器 件 技 术未 来 6G 网 络 将 融 合 通 信 、 感 知 、 AI、 计 算 等 多 种 能 力 于 一 体 ， 因 此 对 底 层硬 件 处 理 器 的 高 性 能 、 低 功 耗 要 求 越 来 越 高 。 近 年 来 ， 业 界 在 新 型 材 料 、 器 件 和实 现 架 构 上 有 较 大 进 展 ， 通 过 这 些 器 件 技 术 的 应 用 ， 我 们 希 望 助 力 无 线 网 能 效 提 升 5 倍 以 上 。 本 文 以 简 要 可 重 构 芯 片 、 光 生 系 统 和 新 材 料 等 方 面 为 例 进 行 介 绍 ，希 望 能 抛 砖 引 玉 ， 引 发 业 界 更 多 关 注 。 可重构芯片除 制 程 的 不 断 提 升 外 ， 芯 片 架 构 改 良 也 可 以 改 善 功 耗 。 近 年 来 ， 越 来 越 多 基站 逐 步 采 用 FPGA 作 为 加 速 器 ， 与 通 用 中 央 处 理 器 相 结 合 ， 以 提 高 处 理 效 率 与灵 活 性 。 但 FPGA 是 一 种 静 态 的 、 细 粒 度 的 、 可 重 新 配 置 的 计 算 架 构 ， 功 耗 并 不理 想 。CGRA 是 一 种 时 空 域 计 算 架 构 ， 具 有 许 多 并 行 计 算 资 源 ， 由 数 据 流 驱 动 ， 性 能 比 CPU 高 。 同 时 ， CGRA 的 硬 件 资 源 可 以 通 过 切 换 配 置 来 重 组 ， 配 置 数 据 和配 置 时 间 比 FPGA 小 ， 可 在 计 算 过 程 中 完 成 ， 从 而 实 现 了 性 能 与 灵 活 性 的 平 衡 。 光子学技术为 了 满 足 超 高 带 宽 通 信 的 需 要 ， 太 赫 兹 可 见 光 等 超 高 频 段 通 信 也 广 受 关 注 。以 太 赫 兹 通 信 为 例 ， 在 提 供 超 高 带 宽 和 速 率 的 同 时 ， 系 统 功 耗 也 在 增 加 ， 在 拓 展新 频 段 的 过 程 中 ， 功 耗 成 为 必 须 要 考 虑 的 一 个 因 素 。 目 前 太 赫 兹 通 信 系 统 存 在 电子 学 方 式 和 光 子 学 方 式 两 种 不 同 的 技 术 路 径 。从 器 件 角 度 ， 电 子 学 器 件 在 高 频 通 常 通 过 次 谐 波 和 高 次 谐 波 的 方 式 产 生 ， 功耗 较 高 ； 光 子 学 器 件 在 高 频 通 常 采 用 光 电 探 测 器 拍 频 方 式 产 生 ， 由 于 受 到 器 件 量 子 效 率 等 因 素 影 响 ， 功 耗 同 样 相 对 较 高 。 中 国 移 动 通 信 研 究 院 绿 色 6G 白 皮 书 （ 2022） 11 从 芯 片 实 现 角 度 看 ， 光 子 学 太 赫 兹 技 术 能 够 借 助 异 构 集 成 或 异 质 集 成 ， 实现 片 上 光 电 混 合 集 成 芯 片 ， 能 够 最 大 化 降 低 光 电 转 化 带 来 的 功 耗 。 电 子 学 太 赫 兹目 前 器 件 均 采 用 独 立 封 装 的 方 式 ， 未 来 将 逐 渐 走 向 集 成 化 ， 但 技 术 难 度 相 比 于 光子 学 较 高 。 同 时 ， 光 子 学 和 电 子 学 对 于 采 用 InP 的 HEMT、 HBT 等 工 艺 的 功 放均 难 以 进 行 片 上 集 成 。从 系 统 角 度 ， 光 子 学 太 赫 兹 相 比 于 电 子 学 太 赫 兹 系 统 复 杂 度 相 对 较 低 ， 同 时 ，与 光 网 络 融 合 较 为 容 易 。 未 来 有 望 实 现 光 网 络 与 太 赫 兹 无 线 通 信 的 一 体 化 无 缝 融合 ， 从 组 网 设 计 角 度 降 低 太 赫 兹 通 信 系 统 的 功 耗 水 平 。 新材料 目 前 ， 在 射 频 器 件 中 以 碳 化 硅 SiC和 氮 化 镓 GaN为 代 表 的 第 三 代 半 导 体 为基 础 的 功 放 管 得 到 逐 步 广 泛 应 用 。 近 年 来 半 导 体 研 究 领 域 对 氧 化 镓 的 研 究 不 断 取得 进 展 ， 使 这 种 第 四 代 半 导 体 的 代 表 材 料 走 入 视 野 ， 凭 借 其 比 SiC 和 GaN 更宽 的 禁 带 、 耐 高 压 、 大 功 率 等 更 优 的 特 性 ， 在 功 率 应 用 方 面 具 有 独 特 优 势 。碳 纳 米 管 是 由 碳 原 子 构 成 的 石 墨 片 层 卷 成 的 无 缝 、 中 空 管 状 结 构 ， 半 导 体 性碳 纳 米 管 具 有 大 长 径 比 、 无 悬 键 表 面 、 高 载 流 子 迁 移 率 、 室 温 弹 道 输 运 等 独 特 结构 特 征 和 优 异 电 学 性 质 ， 因 而 被 认 为 是 十 纳 米 以 下 高 性 能 、 低 功 耗 晶 体 管 沟 道 材料 的 有 力 候 选 ， 因 此 有 望 用 于 构 建 超 硅 微 处 理 器 。3.4 新 能 源 应 用 经 过