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即将到来的5G革命：对环境有何影响？

随着全球消费者转向5G手机 ， 如果没有回购或回收计划 ， 许多旧手机和IoT设备将被丢弃 。 这将导致大量的电子废物 ， 这已经是一个巨大的全球性问题 。
即将到来的5G革命：对环境有何影响？
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新冠病毒(COVID-19)危机清楚地表明了一件事：社会需要非常需要互联网 。 在大流行期间 ， 互联网对于购买食品、工作、教育儿童、获得医疗保健、访问新闻和娱乐活动至关重要 。 人群的健康和安全取决于网络的可靠性 。
据调查统计数据 ， 近一月以来 ， 美国人的宽带每日使用量增加了3GB ， 足以浏览90小时的互联网或观看一小时的高清电影 。 对快速、可靠和多样化的通信的所有需求 ， 给各国施加了越来越大的压力 ， 要求它们迅速采用最新一代的数字技术5G 。
5G的希望
大约每十年就会出现一种新的无线移动技术 ， 该技术在上一代产品的基础上得到了改进 。 1G诞生于上世纪80年代 ， 仅支持语音通话 。 2G诞生于1990年代 ， 当时手机已从模拟信号变为数字信号 ， 支持了消息传递以及呼叫和文本加密功能 ， 以确保通信安全 。
1998年 ， 3G使视频通话和移动互联网访问成为可能 。 4G于2008年推出 ， 通过移动 ， 视频会议和游戏支持高清电视 。 直到今天 ， 大多数手机都还在使用3G和4G技术 。
5G于2019年开始部署 ， 可为手机提供增强的宽带、超快速和可靠的通信以及机对机通信 。 理论上 ， 它有望比4G快100倍 。 但是 ， 除了速度和连接性之外 ， 5G还具有极低的延迟 ， 延迟是所有通信技术都避免不了 ， 并且容量扩大了1000倍 ， 因为它正在扩展到新的频谱频率 。
最终 ， 这将使从智能汽车到物联网(IoT)的无处不在的无线网络连接成为可能 ， 后者可以通过互联网连接各种设备和传感器 ， 并允许它们在无需人工干预的情况下进行通信 。
5G如何运作?
频谱
要了解什么是5G ， 首先要了解频谱 。 电磁频谱是所有类型的电磁辐射的范围 。 无线电频谱是用于电信、广播、飞机通信等 ， 范围从30赫兹(Hz)到300G赫兹(1GHz等于10亿赫兹) 。 整个频谱还包括可见光、伽马射线、X射线、微波等 。
在较低端的频谱称为低频带(600MHz至900MHz)具有更长的波 ， 并且可以传播更远 。 随着波长的范围从中频带(2.5GHz至4.2GHz)到高频带(也称为毫米波 ， 24GHz至47GHz) ， 它们变得越来越短 ， 从而实现了更大的带宽(可以在一个网络中传输的数据量更多了) ， 但传输距离却达到缩短 。
尽管低频带可以很好地穿透墙壁 ， 但其速度限制为每秒100兆字节(Mbps) 。 中频带频谱速度可以达到10亿字节或1GB/秒(Gbps);它具有比低频段低的延迟 ， 但它不容易通过建筑物等障碍 。 高频带或毫米波(mmWave)的延迟非常低 ， 并且超快 ， 高达10Gbps 。 这些高频毫米波还提供了更大的传输空间 ， 因此可以同时连接更多设备 。 缺点是它们较弱并且不能轻易穿透固体障碍物 。 5G可在以上所有三个频段上运行 。
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美国无线电频谱(点击查看大图)
每个国家/地区的政府机构都控制频谱并指定谁可以使用哪些频率 。 在美国 ， 联邦通信委员会(FCC)控制频谱并将其划分为不同的块 ， 然后分配或出售给不同的公司和行业 。 2016年 ， FCC为5G开放了大量的高频段频谱 。
基础设施和数据传输
由于毫米波只能行进很短的距离信号传输 ， 因此 ， 小型蜂窝基站塔之际需要相距250米之内 ， 例如 ， 未来城市中屋顶、电话杆、树木和路灯上都可能布满5G微基站 ， 以确保城市全面覆盖5G信号 。
与较高的4G蜂窝塔在更长的距离上传输更长的频率波不同 ， 小型蜂窝基站(包含向设备发送数据和从设备发送数据的设备)需要与它们进行通信的设备具有直接的视线(不能有遮挡) 。
基站容纳大量天线 ， 这增加了网络的容量 。 这些天线使用“波束成形”来协调大量传输 ， 防止它们相互干扰 ， 并将聚焦数据发送给特定的个人用户 。 这使小型小区能够同时处理许多不同的数据流 。 小型基站通常通过光纤电缆或无线微波连接到5G网络和互联网 。 他们还需要电源 ， 典型的小型电池可能需要200到1000瓦的功率 。
据测算：目前一个5G室外基站单租户平均功耗在3.8KW左右 ， 是4G基站的3倍以上 。 以当前平均1元/度的转供电价计算：一个4G基站每年的电费是2W元 ， 一个5G基站每年的电费是5W元 。 因此 ， 根据估算 ， 如果要满足同样覆盖目标 ， 5G基站的部署密度将是4G的3-4倍 。 5G移动网络的整体能耗 ， 将是4G的9倍以上 。
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为了使网络能够响应所有类型的需求 ， “网络切片”可创建满足不同需求和要求的自包含网络或切片 。 例如 ， 一个网络切片可能只需要低安全性和低带宽 ， 而另一个则需要高安全性和高可靠性 。
卫星
在难以建造足够的蜂窝塔的地方 ， 卫星可以提供5G覆盖 ， 如果自然灾害或恐怖袭击摧毁了陆地上的通信基础设施 ， 卫星可以接管关键功能 。 最近 ， 埃隆·马斯克(ElonMusk)的公司SpaceX发射了595颗小型卫星(最终目标为30000个) ， 这些卫星在地球上空500到2000公里的低地球轨道(LEO)内运行 。
此外 ， 美国FCC还批准了其他LEO卫星系统 ， 包括Amazon的3236颗卫星的Kuiper系统;并且许多系统也已被其他国家认可 。 LEO卫星群将切换各个卫星之间的传输 ， 以在空中 ， 海上和偏远地区提供广泛的覆盖范围 。 但是已经在离地球更远的轨道上运行的更大的卫星也可以处理5G传输 。 各种卫星系统的覆盖范围、功率要求、等待时间和经济可行性各不相同 。
5G如何帮助环境？
5G的速度、容量和连接性将为保护和保存环境提供许多机会 。 具有物联网的5G技术将能够提高能源效率、减少温室气体排放并支持更多地使用可再生能源 。 它可以帮助减少空气和水的污染、减少水和食物的浪费 ， 并保护野生动植物 。 它还可以扩大我们对天气、农业、病虫害、工业、减少废物等方面的理解 ， 从而改善决策 。
据联合国称 ， 到2050年 ， 全球68%的人口将生活在城市中 。 城市政府和企业正在寻求5G、人工智能(AI)和物联网技术 ， 以创建将传感器、摄像机和智能手机连接在一起的智慧城市 。 这些网络的连通性和速度将使城市得到更好的管理、更加高效和可持续 。
以仅仅是下几种5G可以使环境受益的方法 。
减少能源消耗和排放
国际标准要求5G的运行能量要比4G少得多 ， 这意味着在传输更多数据时使用更少的功率 。 例如 ， 要下载4G的300部高清电影 ， 就需要1千瓦时的电;如果使用5G ， 一度电可以下载5000部超高清电影 。
但5G基础设施系统本身很耗电 ， 目前各国都在寻求技术突破 ， 以降低5G系统本身运行的能耗 。
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与IoT关联的5G也将减少能耗 ， 因为不需要时设备将能够自动启动和关闭 。 电器、交通网络、建筑物、工厂、路灯、住宅等中的传感器将实时监控和分析其能源需求和消耗 ， 并自动优化能源使用 。 例如 ， 安装在帝国大厦中的智能电表已将能源成本降低了38% 。 GE的法国蒸汽数字发电厂配备了10000个传感器 ， 可提高发电厂的效率 ， 并获得了吉尼斯世界纪录 ， 成为世界上最高效的发电厂 。
由于节约能源也意味着减少温室气体排放 ， 因此 ， GE的数字发电厂软件有望每年减少3%的碳排放量和67000吨煤炭的燃料使用量 。 领先的信息和通信技术提供商埃里克森(Ericcson)进行的一项研究预测 ， 到2030年 ， 物联网可以将碳排放量减少15% 。
当主电网出现故障或不可用时 ， 5G和物联网将使微电网能够联机 。 这将有可能更好地将间歇性可再生能源(例如风能和太阳能)整合到电网中 。 位于美国马萨诸塞州的Ameresco公司用位于帕里斯岛(ParisIsland)的美国海军陆战队新兵仓库的20000个太阳能电池组件和自己的微电网支持的全自动工厂取代了一家旧的蒸汽工厂 。 该系统将能耗降低了75% 。
通过使更多的人可以远程工作或访问娱乐 ， 并避免通勤和乘飞机飞行 ， 5G将节省能源并减少车辆和飞机的温室气体排放 。
如果需要开车 ， 5G可以通过减少交通拥堵和空转来节省时间、燃料和车辆排放 。 通过传感器和摄像头、5G使用实时数据来保持交通流量 ， 改变交通信号灯以避免延迟 。 卡内基·梅隆(CarnegieMellon)的智能交通控制系统采用雷达和摄像头来减少空转 ， 已使匹兹堡的温室气体排放量减少了20% 。 5G还可以通过帮助驾驶员找到停车位并实现乘车共享来减少道路上的汽车数量 。
减少水和食物浪费
根据EPA(美国环境保护署)的数据 ， 由于泄漏 ， 美国家庭每年浪费1万亿加仑(1加仑≈3.8升)的水 。 智能水传感器可以检测泄漏、水污染和污染 。
传感器还可以优化农业用水 。 一家创新型农业公司Arable使用智能农业传感器 ， 该传感器结合了天气信息以及土壤和作物状况 ， 可以更好地管理灌溉并提高灌溉效率 。 系统还监控植物的压力、营养和害虫 ， 以帮助提升收获 。
联合国估计 ， 全球生产的食物中约有三分之一被浪费掉了 ， 这也浪费了生产过程中的能源和水 。 农业传感器可以检测植物何时枯萎 ， 因此可以帮助确保在正确的时间收获农作物 。 其他传感器可以检测食物的新鲜度和变质 ， 从而使消费者知道何时可以安全食用食物 ， 而无需依赖有效期 。
5G最终可以用于标记所有生产食品的位置、跟踪收获日期或识别特定动物 ， 然后在将食品运输到工厂时跟踪智能标签 。 其他传感器系统可以监控工厂的状况、评估食品的质量和法规要求 。 自动化透明的系统可以确保正确的成分在正确的时间交付并正确包装 。 这将有助于减少食物浪费 ， 最大程度地提高食物安全性 ， 评估食物的可持续性 ， 并使供应链能够更快地响应供需问题 。
保护自然
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为了防止污水污染印第安纳州南本德的圣约瑟夫河 ， 在人孔中安装了智能下水道技术 。 该技术将污水溢流减少了70%(每年超过10亿加仑) ， 为城市节省了超过5亿美元 。
当水温比平时高时 ， 有毒的蓝绿色藻类会疯狂生长 。 诺基亚在波罗的海使用带摄像头和传感器的5G无人机来实时检测蓝藻的生长 。 通常通过从岸上观察来监测藻类 ， 而无人驾驶飞机使在更偏远地区检测藻类繁殖成为可能 。 及时获取信息可以使专家迅速采取行动 ， 以防止此类环境危害 。
澳大利亚的新兴企业Myriota和澳大利亚海洋科学研究所(AIMS)正在将海洋浮标与卫星连接的IoT传感器一起使用 ， 以实时跟踪洋流、海表水温和海洋气压 。 这有助于研究人员更好地监视海洋中不断变化的状况并了解海洋的行为 。
RainforestConnection是打击非法森林砍伐的非营利组织 ， 它正在利用5G和AI保护哥斯达黎加的雨林 。 AI记录器可以识别电锯和其他机械设备的声音 ， 因此可以实时警告巡警有关非法采伐的信息 。 他们还可以区分压力下的动物声音 ， 以便护林员可以对非法偷猎迅速做出反应 。
国际自然保护联盟使用5G地理定位技术来跟踪濒危动物的位置和活动 。 在中国成都大熊猫繁育研究基地 ， 5G被用于监测熊猫状况并鼓励繁育 。 熊猫每年仅排卵一次 ， 并且仅在24到36个小时内能繁殖 ， 因此繁殖它们具有挑战性 。 该技术可以识别大熊猫交配的呼唤 ， 并循环播放 ， 以促进大熊猫们彼此交配 。
5G对环境的潜在负面影响
由于5G是一项新技术 ， 因此它对环境的长期影响尚不清楚 。 但是 ， 由于5G的能源使用以及制造新的基础设施和大量新设备的影响 ， 人们已经担心5G可能对环境产生负面影响 。
更多的能源消耗和排放
当前 ， 信息和通信技术约占全球用电量的4% ， 占全球碳排放量的1.4% 。 但埃里克森(Ericcson)的一份报告预测 ， 到2025年底 ， 5G的用户将达到26亿 。 到那时 ， 全球移动用户总数预计将达到58亿 。
另外 ， 到2030年 ， 全球物联网设备的数量可能达到1250亿个 。 届时 ， 预计信息技术将占全球总用电量的五分之一 ， 到2040年 ， 它可能产生全球温室气体排放量的14% 。 如果整个系统都不节能 ， 那么5G最终将是不可持续的 。
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处理云计算和网站并存储我们的信息的数据存储中心会消耗大量能源 ， 占网络总能源消耗的80% 。 其中大约一半用于保持基站中的传输设备降温 。 伯克利实验室的一份报告发现 ， 2014年美国数据中心的耗电量为700亿千瓦时;今年 ， 他们预计将消耗730亿千瓦时 。 小型蜂窝基站的功耗可能是4G基站的三倍 。
生命周期影响
倡导向后碳经济转变的法国智囊团TheShiftProject总裁在2019年说：“…每个字节的背后都有采矿和金属加工、石油开采和石化、制造和中间运输、公共工程(埋没电缆)以及用煤和天然气发电 。 因此 ， 全球数字系统的碳足迹已经占全球温室气体排放量的4% ， 其能源消耗每年增加9% 。 ”
温室气体排放量增加的部分原因是 ， 消费者将需要购买新的5G手机才能充分利用5G 。 瑞典的一项研究计算得出 ， 智能手机在其整个生命周期中都会产生45千克的二氧化碳 ， 其中大部分来自生产阶段 ， 即集成电路制造、原材料采购、手机外壳生产 ， 然后组装和分销 。 如果包括附件和移动网络 ， 则整个生命周期的影响为68千克二氧化碳 。
制造更多的物联网设备和手机以及小型蜂窝也意味着更多地开采和使用许多难以回收的不可再生金属 。
电子垃圾
随着全球消费者转向5G手机 ， 如果没有回购或回收计划 ， 许多旧手机和IoT设备将被丢弃 。 这将导致大量的电子废物 ， 这已经是一个巨大的全球性问题 。
辐射
5G的全面部署可能会对生态系统产生破坏性影响 。 旁遮普大学(PunjabUniversity)的一项研究发现 ， 麻雀在信号塔辐射下暴露5至30分钟会产生有问题的卵 。 在西班牙 ， 蜂窝塔发出的微波辐射干扰了鸟类的筑巢、繁殖和栖息 。 同时 ， 还发现无线频率会干扰鸟类的导航系统和昼夜节律 ， 从而影响正常迁徙 。
另一项研究发现 ， 暴露于低频带光谱辐射10分钟的蜜蜂患有菌落崩溃障碍 。 并且一些研究发现 ， 包括蜜蜂在内的昆虫从中频带和5G频谱吸收了更多的辐射 。 随着时间的流逝 ， 这可能导致昆虫行为和功能的变化 。
到2025年 ， 5G预计将需要安装7020万个小型蜂窝塔 ，。 一项调查发现 ， 许多运营商希望每平方公里部署100至350个小型蜂窝(室内和室外) 。 因此 ， 无处不在的毫米波辐射会在鸟类、蜜蜂和其他物种上产生什么影响 ， 目前尚未清楚 。
让5G更具可持续性
有一些策略可以并且应该采用 ， 以减轻5G的环境影响并使之更具可持续性 。
脱碳
哥伦比亚大学国际与公共事务学院环境科学与政策公共管理硕士课程主任史蒂夫·科恩(SteveCohen)强调 ， 由于5G会消耗大量电力 ， 因此使我们的电气系统脱碳至关重要 。
这意味着用可再生能源替代化石燃料 ， 提高电网的灵活性和存储能力 ， 并在剩余的任何化石燃料发电厂中使用碳捕获策略 。
更有效的冷却
一些公司正在实施新技术 ， 以减少冷却数据中心所消耗的能源量 。 在中国杭州 ， 采用智能升压和冷却技术的新数据中心以及太阳能模块每年可为每个站点节省4310千瓦时的电力 ， 减少1125千克的二氧化碳排放量 。 日本移动电话公司NTTDOCOMO已开发出具有太阳能光伏面板和智能电源控制的绿色基站 ， 从而将商业功耗降低了40% 。
诺基亚在芬兰部署了液冷数据中心 。 使用水而不是空气来冷却仅要消耗传统空气冷却能量的10% 。 通过水冷 ， 还可以将数据中心的废热用于基站附近建筑物中的水或空间供暖 。 此外 ， 使用液体冷却的数据中心将碳排放量减少了90% 。
可生物降解的传感器
集成到电话、计算机和其他电子设备中的大多数传感器均由可能对环境或人体健康有害的贵金属组成 。 一些科学家正在研究可生物降解的传感器 ， 这些传感器在不再需要时会溶解 。 这样的传感器可以基于可生物降解的纸或聚乳酸 ， 并且已经在医学应用中使用 。 洛桑联邦理工学院的研究人员已经开发了可生物降解物质上的印刷湿度和温度传感器以及晶体管 ， 最终可用于智能包装 。
即将到来的5G革命：对环境有何影响？
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回收有毒物质
科恩说：“我看到的5G最大的危险可能是电子垃圾的有毒物质 ， 手机中的某些稀土和其他物质可以很容易地重复利用和开采 。 应当要求出售它们的公司在最后将它们买回来 ， 这被称为生产者责任 。 ”他预计 ， 像苹果公司一样 ， 公司会更多地利用现有的电子设备 ， 为消费者提供使用旧设备进行交易的折扣 。
网络共享
一些公司正在共享5G网络基础设施 ， 以潜在地削减30%的成本 。 管理咨询公司麦肯锡(McKinsey)发现 ， 如果三个参与者共享网络 ， 则建立小型基站的成本可以降低一半 。 在中国 ， 两家公司已同意共同构建5G网络并共享网络基础架构 。 沃达丰和意大利电信正在共享一个网络 ， 韩国的三家移动网络运营商也正在共享一个网络 。 除了削减成本外 ， 网络共享还可以避免重叠的小型小区密集网络 ， 并减少城市对设备和建筑的需求 ， 从而减少对环境的影响 。
5G何时到达来?
只有在室内和室外都有完整的5G时 ， 才能充分发挥城市5G的潜力 。 这将需要将物联网的传输设备安装在建筑物、城市街道以及沿运输路线的道路上 ， 以便可以管理交通和自动驾驶车辆 。
但是 ， 由于建立全新的5G基础设施在经济上还不可行 ， 因此5G的推出将是“不断发展的” 。 5G最初将搭载在现有4G网络上 。 这使得移动运营商可以用较新的设备替换频段内的较旧设备 。 为了适应5G ， 将4G网络升级到最先进的版本;这些先进的4G蜂窝塔中的某些具有将来通过软件升级的能力 。 只有当网络基础设施和所使用的设备都支持相同的标准时 ， 消费者才有可能享受5G的所有好处 。 否则 ， 服务将默认为两个连接都支持的网络 。
截至2020年6月 ， 5G在一定程度上在38个国家可用 。 在美国 ， 三大手机运营商(T-Mobile/Sprint ， Verizon ， AT&T)已在主要城市部署了一些5G 。 但是5G服务的范围仍然取决于更多新设备的可用性 ， 即支持5G的手机和智能传感器 。 预计这些技术将在今年年底和2021年推出 。 目前普遍的想法是 ， 要在全球范围内采用5G还需要三年的时间 。
【即将到来的5G革命：对环境有何影响？】5G是否会对环境带来好处还是有待观察 ， 演算也很复杂 。 科恩说：“你不能只看技术、能源使用和有毒物质的使用 。 ”“这不是简单的分析 。 我认为 ， 总的来说 ， 人们花费越来越多的时间在信息和娱乐上 ， 比人们所做的许多其他事情(如购物或开车出行)对环境的影响要小 。 我们必须将这项活动与您将要花费的其他时间进行比较 ， 如果不这样做 ， 将会对环境造成其他影响 。 那还会是什么?”


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