趨勢觀點

從全球節能趨勢 觀測B5G/6G技術發展

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 謝智強技術經理、許冬陽主任

發展低碳節能高效的5G網路技術與相關產品已是國際趨勢。發展低碳節能高效的5G網路技術與相關產品已是國際趨勢。

能源不僅是推升經濟發展的動力來源,綠能與節能科技發展亦成為諸多國家創造新興產業與綠色就業的重要引擎。5G運用於智慧城市、智慧製造、智慧醫療等多元領域,協助產業數位轉型的同時亦將帶動物聯網設備的需求激增,這也為能源供應帶來壓力。如何確保能源穩定供應下,同時兼顧經濟發展與環境永續,以節能或綠色通訊技術來提高無線通訊使用能源的效率,儼然已成為全球共同關注的課題。

綠能與節能已成全球產業共識

近年因氣候變遷現象造成環境逐漸惡化,因應國際政經情勢及能源環境快速變遷與挑戰,全球處於轉型的關鍵世代,社會民眾對環境永續的意識逐漸提升,減少溫室氣體排放、推動綠色產業、發展低碳循環經濟亦漸成為各國經濟與環境政策上的主流趨勢。隨著聯合國積極推動「永續發展目標」(sustainable development goals, SDGs),各國政府也加速投入開發再生能源、提升能源使用效率,以改善碳密集度,並透過推動新興能源及節能減碳技術之開發,強化能源安全與社會公平,冀以綠能及節能技術創新,奠定永續經濟發展之基礎,於經濟發展的同時也兼顧環境永續,進一步深化產業與經濟之結構性轉變。 2050年達成淨零碳排已是國際共識,蔡英文總統於2021年4月22日宣布加入全球197國,2050淨零碳排的行列。然能源是國家發展之所需,對天然資源匱乏、經濟倚重科技產業的台灣來說,電力穩定至關重要,因此確保供電穩定,正是政府推動能源轉型的重要目標之一。為落實能源轉型目標,將台灣打造成為安全、潔淨、永續之智慧能源島,行政院2021年起推動「綠能科技產業創新推動方案2.0」,以「綠能推動」、「產業發展」、「科技創新」及「綠色金融」為四大願景,配合政策方針,以積極節能、多元創能、智慧儲能、靈活調度及健全市場為推動策略,打造台灣成為亞太綠能中心,達成以綠能科技驅動經濟發展、完成產業轉型之目標。而5G做為新一代的無線通訊技術,肩負著協助產業數位轉型的責任,但由於5G採用較高無線頻率的關係,市場上一直存在5G會比4G更耗電的疑慮。

5G節能為重要課題

根據全球移動通訊協會(Groupe Speciale Mobile Association, GSMA)於2021年針對103家電信商對於其行動網路在能源成本變化與能源效率對其網路轉型戰略的重要性之調查結果顯示,將近四成業者表示未來三年能源成本將增加至少10%、兩成業者甚至覺得能源成本將成長10~20%、66%業者表示能源效率表現將對未來電信網路轉型戰略非常重要、17%表示能效是未來網路轉型戰略中極為重要的議題。同年11月,由電信營運商所主導的新世代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance),正式發布《Green Future Networks: Network Energy Efficiency》[1]白皮書,該白皮書聚焦於提升網路能源效率來降低移動網路的能耗,重點從節能功能、射頻單元、基頻運算、人工智慧等方面,分析5G移動網路的節能降耗技術方案,對全球5G網路綠色低碳可持續發展具有明確的指導意義。 另外,2021年4月,國際標準組織第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)正式將接續的5G演進標準命名為「5G-Advanced」,並自Release 18(Rel-18)開始使用新的標誌。同年12月,確定5G-Advanced第一個標準版本Rel-18的首批專案28個議題,包括「更大容量、更廣覆蓋、更好體驗的增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)服務升級」、「上行容量提升拓展5G-Advanced網路能力」、「5G一張網路融合低成本低功耗物聯」、「面向用戶和企業全面提升毫米波網路覆蓋和容量」、「低碳高效綠色網路」、「人工智慧開啟5G新領域」等領域,並自2022年第二季度全面啟動標準化作業。其中「低碳高效綠色網路」就與節能技術密切相關,包含提升傳輸能效、降低網路設備和終端設備能耗、打造5G端到端低能耗的通訊網路等,進而協助達成節能與減碳目標。5G網路節能技術議題研究項目如圖1所示。

5G帶來更多電力消耗

圖1 網路節能(network energy saving)納入Rel-18技術發展重點(資料來源:高通公司[2])圖1 網路節能(network energy saving)納入Rel-18技術發展重點(資料來源:高通公司[2])

「台灣5G基地台比4G基地台耗電量恐增九倍以上。」這樣的說法最早源自於亞太電信董事長呂芳銘(2020年5月30日)與台灣大哥大總經理林之晨(2020年7月8日)在鉅亨網的公開訪談,其主要論述的理由是5G基地台普遍採用大規模天線陣列(Massive MIMO)技術,讓5G天線數量大幅增加,同時整合更多的主動元件,導致能耗大幅提升,估計5G基地台耗電比4G高三倍;又因5G基地台使用的無線頻率較高,若要有4G相同的涵蓋率,估計5G基地台數量必須比4G多三倍,所以若5G基地台完全取代4G基地台的話,則未來5G基地台電力耗用恐增九倍以上。而近期遠傳電信總經理井琪(2022年3月30日)則表示,遠傳一年用電量約六億多度電,其中基地台占71%,預估當5G用戶數量占整體網路比重成長到50%以上時,5G用電量為4G的1.63倍。另外,全球擁有最多5G基地台的電信營運商「中國移動」,在2020年發布的節能技術白皮書中明確指出,2019年初5G基地台能耗約為4G基地台的三至四倍,高能耗是電信營運商大規模部署5G的棘手問題。中國移動更進一步揭露華為(Huawei)與中興通訊(ZTE)的5G基地台滿載電力消耗約為3,500瓦特(W),比4G基地台約1,000瓦特高出三倍以上,分析其主要原因是遠端射頻模組(Remote Radio Unit, RRU)能耗的增加,進而造成5G整體能耗增加。 綜上電信營運商所發表對5G更耗電的說法,雖然5G基地台比4G基地台耗電量增加九倍的可能性不大,但也表明電信營運商對5G確實比4G消耗更多電力造成維運成本壓力增加的擔憂,另一方面也反應出電信營運商對5G節能技術有著極大的潛在需求

MWC 2022展示多樣5G節能產品

觀察2022年度世界行動通訊大會(Mobile World Congress, MWC)大量的技術、產品與解決方案都將「綠色節能」作為主要發展方向之一,從主要的系統設備大廠所推出的5G新興產品與整體解決方案,便可觀察各業者對於綠色環保、節能減排的重視程度。

圖2 Ericsson 5G基地台標榜以人工智慧和自動化提高能源效率(資料來源:Ericsson,MIC整理[3],2022年3月)圖2 Ericsson 5G基地台標榜以人工智慧和自動化提高能源效率(資料來源:Ericsson,MIC整理[3],2022年3月)

芬蘭電信設備供應商諾基亞(Nokia),推出全球首款商用液冷AirScale基地台產品組合,促使基地台冷卻系統的能耗得以降低90%,並減少80%的二氧化碳排放。Nokia並重點展示其智慧基地台營運(Intelligent RAN Operations)解決方案,此方案特色在於藉由機器學習技術,幫助電信商管理愈來愈複雜的5G網路,實現包含自動化日常網路管理任務、即時檢測、分類與解決網路問題能力等,此方案更包括智慧節能功能,可在不影響最終用戶體驗的情況下降低基地台能耗高達15%。
中國大陸電信設備供應商華為展示了一款名為「Meta AAU」的設備,這款具有384天線陣列的產品,比現有64TRx設備的覆蓋率提高了30%,與傳統設備相比,在相同覆蓋範圍內,能耗也降低了30%。而另一供應商中興通訊則展示了「UniSite NEO」方案,此方案包含「OmniUBR」系列產品設計,只需要一個無線電模組就可支持一覆蓋三扇區站點,藉此減少了87%的射頻模組數量,並且降低40%能耗,如圖3所示。

圖3 中興通訊UniSite NEO基地台方案(資料來源:中興通訊,MIC整理[3],2022年3月)圖3 中興通訊UniSite NEO基地台方案(資料來源:中興通訊,MIC整理[3],2022年3月)

工研院結合網通設備供應商和碩(PEGATRON)5G基地台,在MWC展會首次發表5G節能專網解決方案,以智慧節能演算法配合網路流量監控及流量重新導向技術,讓5G基地台提供聰明節能兼具不中斷服務,為5G專網發展切入節能減碳新商機。以智慧工廠專網應用中設置100座5G基地台為例,一個月將可減少12,750 kWh,節省約37.5戶家庭用電量,約減少7,060公斤的碳排放。

節能趨勢對 B5G/6G技術發展影響

綜整國際通訊產業聯盟與3GPP 5G Advanced標準議題研究方向,以及MWC 2022展會國際設備大廠所推出的5G新興產品與整體解決方案,可以觀察未來無線通訊技術演進其中一條路線,將會朝向解決電信營運商5G網路維運的痛點來發展節能技術,如採用Massive MIMO天線技術提供更大容量、更廣覆蓋、採用超材料/超表面技術降低網路設備能耗、透過人工智慧提供自動化與智慧化提供更節能的5G網路等,在以低碳高效綠色網路降低5G網路維運成本的同時,達成節能減碳效益。
此外,甫於2020年10月成立的北美6G倡議組織Next G Alliance亦將綠色網路訂為產業發展重點,於聯盟中成立Green G工作組,其使命是將北美定位為下一代無線技術環境可持續性的全球領導者[4]。這項工作旨在減少6G技術的能源消耗和環境影響,例如水和材料消耗、探索使用可再生能源和/或環境能源、調查ICT產業如何幫助其他相關行業減少對環境的影響。
台廠雖然在5G時代已建立5G端到端專網系統解決方案的技術能量,但若要進一步搶占電信市場份額,其電信產品勢必要能夠追上國際電信設備廠商的規格,才能夠有一較高下的競爭力。然而,無線通訊技術能量的積累就像是大隊接力一樣,需要一棒接著一棒持續下去,絶非一蹴可幾,也需要產官學研彼此之間充分密切合作,短期以產業需求補足產業Massive MIMO技術缺口,確保台廠產品在5G的競賽中不會掉隊;中長期以節能技術切入電信營運商痛點,先由法人發展前瞻及關鍵無線通訊節能相關技術,冀望協助台灣廠商產品設備在B5G/6G時代能夠追上國際設備廠商產品規格。

參考文獻

[1] NGMN white paper: Green Future Networks: Network Energy Efficiency https://www.ngmn.org/publications/green-future-networks-network-energy-efficiency.html
[2]Qualcomm: Setting off the 5G Advanced evolution https://www.qualcomm.com/news/onq/2021/12/setting-5g-advanced-evolution
[3]從MWC 2022看電信通訊產業的5G世代節能減碳大計, 鍾曉君, 3/31,2022 [4]Next G Alliance Green G: The Path Towards Sustainable 6G https://nextgalliance.org/white_papers/green-g-the-path-towards-sustainable-6g/