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近日，中國移動研究院與清華大學(xué)電子系的合作研究成果研究論文“Carbon emissions of 5G mobile networks in China”發(fā)表于Nature子刊《自然·可持續(xù)》（Nature Sustainability）雜志，影響因子IF為27.7。
當(dāng)前信息與能量一體化成為發(fā)展趨勢，在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，信息流與能量流在時間與空間上呈現(xiàn)高度的不匹配特性。為解決該問題，研究團(tuán)隊(duì)通過利用城市模擬器進(jìn)行城市級別的移動通信網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)的高度真實(shí)且高效的模擬，成功地實(shí)現(xiàn)了移動通信網(wǎng)絡(luò)的能耗與碳排放測定系統(tǒng)�；诖�，進(jìn)一步提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能效和碳效率的顯著提升。這一研究為城市5G網(wǎng)絡(luò)的低碳部署與節(jié)能優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。
研究團(tuán)隊(duì)分析某城市2020 - 2023年移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5G部署初期，因?yàn)橛脩艉蜆I(yè)務(wù)發(fā)展滯后等原因?qū)е履吵鞘械奶夹蕪?.98 TByte/tCO2下降到2.08 TByte/tCO2（圖1）。該碳效率下降和隨后的恢復(fù)過程被稱為碳效率陷阱。同時，文章研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量與能量消耗之間的時空不匹配現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)不匹配系數(shù)的增加降低了網(wǎng)絡(luò)能量效率，不匹配系數(shù)較大的區(qū)域能量效率較低，反之亦然。5G部署初期，城市中心的平均能量效率從2.98 TByte/MWh下降到1.94 TByte/MWh，與不匹配系數(shù)的增加相對應(yīng)（圖2）
圖1 某市2020-2023年移動網(wǎng)絡(luò)碳效率變化以及額外碳排放
圖2某市一周內(nèi)4G（左）、5G（中）、4G和5G整個網(wǎng)絡(luò)（右）網(wǎng)絡(luò)能效的空間分布
為緩解能量與信息的不匹配現(xiàn)象，文章提出了一種基于人工智能的節(jié)能方法DeepEnergy，該方法基于協(xié)作深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)來自適應(yīng)地控制網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的工作狀態(tài)。在每個小區(qū)決策時，將其他小區(qū)的決策對該小區(qū)的影響簡化為兩個二值標(biāo)記編碼，分別表示同基站下是否還存在其它開啟的小區(qū)，以及共覆蓋關(guān)系內(nèi)的總體流量需求能否滿足，這樣做既能良好地表示其它小區(qū)的開閉狀態(tài)對該小區(qū)的影響，又能大幅度降低智能體決策的計(jì)算量；使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，將多個小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)流量、能耗、標(biāo)記編碼等關(guān)鍵信息訓(xùn)練，以此來實(shí)現(xiàn)小區(qū)的節(jié)能控制。這樣做同時考慮了補(bǔ)償小區(qū)間和基站內(nèi)部的協(xié)作，可有效協(xié)調(diào)數(shù)萬個小區(qū)的工作狀態(tài)。與傳統(tǒng)節(jié)能方法和人工經(jīng)驗(yàn)方法相比，DeepEnergy可顯著提高網(wǎng)絡(luò)碳效率40%以上（圖3）。文章進(jìn)一步基于PVWatts的模擬來評估了聯(lián)合運(yùn)營DeepEnergy和光伏系統(tǒng)時N市移動網(wǎng)絡(luò)的碳效率，結(jié)果表明將DeepEnergy與光伏系統(tǒng)相結(jié)合可以顯著提高移動網(wǎng)絡(luò)的碳效率超20%。
圖3 不同節(jié)能方法下N市網(wǎng)絡(luò)碳效率的變化
全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）迫切號召各行業(yè)采取行動，本研究將“AI算法-通信知識-可再生能源”三者有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量與能量的時空匹配，為通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41893-023-01206-5
