MOBIL HÁLÓZATOKENERGIAHATÉKONYSÁGA.

2011. augusztus 31.,Budapest

ÁttekintésEnergiahatékonyság kérdése: terminál és hálózatÁltalános globális jellemzőkg j• ICT szektor, mobil hálózati szektor• Várható trendek

Energiahatékonyság jellemzése • Jellemző metrikák

A fogyasztás összetevőiA fogyasztás összetevőiA javítás mikéntjei• Alternatív források• Hardware• Fejlett hálózati képességek

Terminál oldali kérdésekEnergiahatékonyság tradicionális kezelése (mobil hálózatok esetén)• A közelmúltig a fókusz a terminál oldali kommunikáción• Motiváció: az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása

• Kevésbé motiválók az általános környezetvédelmi szempontok• Kevésbé motiválók az általános környezetvédelmi szempontok, hiszen 1 karácsonyfaizzónyi nagyságrendről beszélünk per terminál

• Módszerek: • Energiatakarékos üzemmódok, alvó állapot• Minden szabvány definiál ilyet• A vétel szüneteltetése, az elektronika lekapcsolása, felébredés

időnként• Takarékoskodás a felhasználói interfészeken és perifériákon:

háttérvilágítás, drive-ok, stb. lekapcsolása

Terminál oldali kérdésekKülön kutatási ág lett az energiahatékonyság az ad-hoc hálózatok területén• A terminálok alkotják a hálózatot• Az akkumulátorok élettartama a hálózat stabilitását meghatározza• Mégis: nagy kiterjedésű sok terminálokból álló nagy adatátvitelt• Mégis: nagy kiterjedésű, sok terminálokból álló nagy adatátvitelt

végző mobil ad-hoc hálózatok jelenléte a közeljövőben nem valószínű

Speciálisan: szenzor hálózatok• Nincs mód/pénz/akarat a terminálok lecserélésére• Korlátozott/semmilyen újratöltési lehetőség• Korlátozott/semmilyen újratöltési lehetőség• Extrém alacsony fogyasztás is elég lehet

Hálózati oldalAz utóbbi évekig a hálózati oldal energiafogyasztása a kutatásban nem volt szempont• „villamos hálózatba van dugva, tehát végtelen energia áll

rendelkezésre”• Mobil hálózat:Mobil hálózat:

• 60 W már nagyon nagy adóteljesítmény, de még mindig csak egy halvány villanykörteValójában: a berendezések (pl bázisállomások) sokkal többet• Valójában: a berendezések (pl. bázisállomások) sokkal többet fogyasztanak mint a kisugárzott teljesítmény

Persze a szolgáltatók számára eddig sem volt végtelen a rendelkezésre álló energia• Mekkora biztosíték kell?• Mennyi lesz a villanyszámla?• Mennyi lesz a villanyszámla?

Az ICT szektor fogyasztása

Nehéz megbízható becsléseket tennigA teljes infrastruktúra azért felosztható• Szerver farmok, adatközpontok• Hálózat működéséhez szükséges berendezések (routerek,

switchek, multiplexerek, bázisállomások, stb.)• Felhasználói készülékek

• Ebből is jelentős az asztali számítógépek• Növekvő arány: táblagépek, laptopok, okostelefonok

Az ICT szektor fogyasztása

Szolgáltatói infrastruktúra és adatközpontok, szerver farmok:g p ,• A világ elektromos energia fogyasztásának 3 %-a• Kb. 16-20% -os növekedés évente

2030 i l k f á ilá d lá ódik• 2030-ig az elektromos fogyasztás világszerte megduplázódik,javarészt az ICT szektor miatt

• A globális CO2 kibocsátás 2-3 % -a, az ICT berendezések teljes g jéletciklusát (gyártás, működés, bontás) tekintve

• Kb. megfelel a repülési iparágnak

Fejlett ipari országok:Fejlett ipari országok:• Az elektromos energia 10% -a fogy az ICT szektorban• Ennek kb. harmada a PC-k és user eszközök

Az ICT szektor fogyasztásaÉ d k é kÉrdekességekUSA adatközpontok, szerverek:• 2006: kb 10 M szerver 61 millió MWh fogyasztás• 2006: kb. 10 M szerver, 61 millió MWh fogyasztás• 2011: kb. 16 M szerver, 100 millió MWh fogyasztás• Csak ehhez a növekedéshez kellett 9 db új, 500 MW –os (egy

paksi blokk 500 MW) erőmű• Becslések: az összes szerver miatt 80 millió tonna CO2

évente• Ez kb: 10 millió autó megy 53000 km-t

Világ: becslések szerint az USA szor 2Minden korábbi becslés hamar elavul, mert pl.:• India, Kína• Pl 2006 ban még senki nem gondolta volna hogy PC helyett• Pl. 2006-ban még senki nem gondolta volna, hogy PC helyett

inkább Ipadet vesznek az emberek8

Az ICT szektor fogyasztásaGunther Auer (I.Godor, L.Hevizi, M. A.Imran, J. Malmodin, P. Fazekas, G. Biczok, D. Zeller, O. Blume, R. Tafazolli) The EARTH Project: Towards Energy Efficient Wireless Networks; Future Network & Mobile Summit 2010 Florence, ItalyICT szektor CO2 kibocsájtásICT szektor CO2 kibocsájtás

500Operation of end-

million ton CO2-eq

300

400 user equipment

Network operation

100

200 Manufacturing &business overheads

0PC

industryData

centersFixed

telecomMobile

telecom

9

Az ICT szektor fogyasztásaC llá bil háló t kCellás mobil hálózatokA világ áramfogyasztásának kb. 0.5 % -áért felelős• A mobil hálózatok fogyasztásának kb. 1% -a a készülékek

99 % háló t• 99 % -a a hálózat• Mobil internet elterjedésével ha a laptopokat is számítjuk, akkor

nagyobb arány jut a készülékekreA mobil hálózat fogyasztásának 80 % -a rádiós hozzáférésiA mobil hálózat fogyasztásának 80 % a rádiós hozzáférési hálózatban• A bázisállomások tulajdonképpen

Összegezve: a világ villamos energiájának kb. 0.4 %-át a g g g jbázisállomások használják fel• Kicsinek tűnhet, de ez: kb. 72 TWh, azaz az év minden órájában kb.

8.2 GW teljesítmény 15 paksi blokkn i erőmű fol amatosan csak a bá isállomásokat eteti• 15 paksi blokknyi erőmű folyamatosan csak a bázisállomásokat eteti

• Másképp: 5.5 millió hajszárító folyamatosan (!!! Ez mutatja, hogy milyen sokat is fogyaszt egy hajszárító ….)

• Kb. ennyi teljesítményű napfény ér összesen egy tiszta márciusiKb. ennyi teljesítményű napfény ér összesen egy tiszta márciusi napon hazánkban 11 km2 -t

10

Az ICT szektor fogyasztásaCellás mobil hálózatok: egy userre eső átlagos CO2 szennyezés, 2007

18 0

14,0

16,0

18,0

ar

Data centres & transport

Operator activities

Di l ti

8,0

10,0

12,0

O2-

eq /

suby

ea Diesel consumption

Electricity consumption

Construction & HW manufacturing

Energy consumptionof RBS sites

Energy consumptionof RBS sites

2,0

4,0

6,0

kg C

O

Charging and stand-by

Mobile device transport

0,0Mobiledevice

RBS sites Operatoractivities

(incl. core)

Datacentres &transport

Mobile device manufacturing

11

Az ICT szektor fogyasztásaNagyon aggódunk a környezetért a mobil iparágban, azonban:• Globális környezetszennyezés tekintetében egyszerű• Globális környezetszennyezés tekintetében egyszerű

módszerekkel (de drágán!) jóval nagyobb csökkentéseket lehet elérni, mint amit a teljes mobil iparág felhasználhat …Há k i t lé tók f tá á k ökk té tb tb• Házak szigetelése, autók fogyasztásának csökkentése, stb stb

Másik motiváció az energiahatékonyság növeléséhez:• A villanyszámla csökkentéseA villanyszámla csökkentése

Jelenlegi trendek (árak, fogyasztás) mellett a bázisállomások energiaköltsége globálisan kb. megháromszorozódik tíz év lalatt

12

Az energiahatékonyság jellemzéseAlapvetően:• Elfogyasztott energia (E), mértékegysége Joule (J)• Teljesítmény: időegység alatt felhasznált energia (P): Watt (W)• Teljesítmény: időegység alatt felhasznált energia (P): Watt (W)• Tehát

tEP

dd

=

WJ 111

Hatékonyság ≠ hatásfok!

JkWhsWJ

36000001111

=⋅=

Hatékonyság ≠ hatásfok!

hP• Hatásfok: Pbe Phasznos

be

hasznos

PP

=η

13

Az energiahatékonyság jellemzéseCellás mobil hálózatok energiahatékonyságáról beszélünkEnergiahatékonyság:

Jelleme e a elfog as tott energiát és a n újtott s olgáltatást• Jellemezze az elfogyasztott energiát és a nyújtott szolgáltatást, vagy a hálózatot

• Energiahatékonysági mérték kellElfogyaszott energia: ez jól definiálható és mérhető egy adott hálózati elemre vagy szegmensre• Pl bázisállomás betápján mért teljesítmény• Pl. bázisállomás betápján mért teljesítmény

Önmagában ez, a fogyasztás is lehet energiahatékonysági mérték• De: 1 Wattal kiszolgálok 1 usert, vagy 2 Wattal négyet, melyik a

hatékonyabb?Az energiahatékonysági metrikában érdemes tehátAz energiahatékonysági metrikában érdemes tehát szerepeltetni a hálózat jellemzését is

14

Az energiahatékonyság jellemzéseSzolgáltatás, kapacitás, minőség, hálózat jellemzése?• Sokféle lehet:• QoS: késleltetés jellegű: az energiahatékonyság metrikába• QoS: késleltetés jellegű: az energiahatékonyság metrikába

nehézkes beletenni (J vs. msec ???)• Kapacitás, átviteli sebesség: ez bps, ez alkalmazható• Lefedett terület (km2)• Kiszolgált előfizető (darab)• Spektrumhatékonyság: bps/Hz• Spektrumhatékonyság: bps/Hz

15

Az energiahatékonyság jellemzéseLeggyakrabban használt metrikák:• Egy előfizető kiszolgálásához szükséges átlagos hálózati

teljesítmény: W/előfizető vagy egy adott időtartamrateljesítmény: W/előfizető, vagy egy adott időtartamra vonatkoztatva J/előfizető, mindkettőnek a reciproka is használható

• Melyik előfizetők legyenek beleszámítva? Milyen időtartamban• Melyik előfizetők legyenek beleszámítva? Milyen időtartamban nézzük, átlagolunk?

• Egységnyi terület lefedéséhez szükséges teljesítmény• W/km2

• Definiálni kell, hogy mit jelent a lefedettség (tipikusan pl. az a terület, ahol egy előfizető legalább x kbps átviteli sebességet elér, vagy a vehető adóteljesítmény egy adott szint fölött van)

• Valójában ez így energiahatékonytalansági mérték ☺, hiszen minél nagyobb, annál rosszabb

• Reciprokát mégsem nagyon használják

16

Az energiahatékonyság jellemzéseLeggyakrabban használt metrikák:• Egy bit átviteléhez mennyi energia szükséges

• Bit/J a reciproka is használt• Bit/J, a reciproka is használt• Definiálni kell, hogy milyen körülmények között (mekkora

adatsebességnél) visszük át azt a bitet (ha egy nap alatt, akkor lehet nagyon energiahatékony mégsem jó a szolgáltatás )lehet nagyon energiahatékony, mégsem jó a szolgáltatás …)

• Ezt jellemzi: egy bps átviteli sebességhez mekkora teljesítményt kell felhasználni

• bps/W, vagy a reciproka is használt W/bps• Látható:

bitsbit

bps

Mi b ? E li k b é átl ll k itá

JsJs

W==

• Mi a bps? Egy user link sebessége, átlagos cellakapacitás,hálózatrész átlagos átvitele, stb.

17

Az energiahatékonyság jellemzéseLeggyakrabban használt metrikák:• Nem gyakran használt: egységnyi teljesítménnyel milyen

spektrális hatékonyság érhető el?spektrális hatékonyság érhető el? • 1 Watt teljesítménnyel, 1 Hz sávszélességen mekkora az átviteli

sebesség?b

HzWbpsW ⋅

=

• Vagy a reciproka

bpsHzbps

bps

• Ez természetesen az előzőek alapján

HzW ⋅

HJbit

Ez természetesen az előzőek alapján – Egy Hz sávszélességet használva, 1 J energiával hány bitet

tudunk átvinni

HzJ ⋅

18

A fogyasztás összetevőiBázisállomás telephely fogyasztása (site), a bázisállomás nélkül• Épület hűtés/fűtés• Épület hűtés/fűtés• Kabinet (rack szekrény) hűtés/fűtés• (vész)világítás, biztonsági berendezések

Átviteli hálózati berendezések fogyasztása• Mikrohullámú vagy optikai összeköttetés berendezései

T t lék kö ök t db f táTartalék eszközök standby fogyasztásaA bázisállomás(ok) fogyasztása

19

A fogyasztás összetevőiA bázisállomás fogyasztása• Makro-, mikro-, piko- és otthoni femto bázisállomások

fogyasztása és jellege is természetesen más másfogyasztása és jellege is természetesen más más• A fogyasztás leegyszerűsített modell alapján becsülhető• Alapvetően: a bázisállomás adó-vevő jelfeldolgozási hardverek

( )láncolata (transceiver, TRX)• Ezekből annyi van, ahány modulátor, azaz

• Antennánként és vivőfrekvenciánként egy-egygy gy• Pl. 3 szektor, 2*2 MIMO és 2 vivőfrekvencián üzemelő LTE

bázisállomás: 3*2*2 TRX –ből áll– Egy TRX fogyasztása az átvitt forgalomtól függEgy TRX fogyasztása az átvitt forgalomtól függ– Az átvitt forgalomtól (is) függ az is, hogy mekkora teljesítményt

kell kisugározniTermészetesen van közös hardver rész is közös fogyasztással• Természetesen van közös hardver rész is, közös fogyasztással

• Ez is forgalomfüggő20

A fogyasztás összetevőiA bázisállomás fogyasztása• Minden egyes TRX tartalmaz alapsávi (baseband, BB),

rádiófrekvenciás (RF) és teljesítményerősítő (PA) hardvertrádiófrekvenciás (RF) és teljesítményerősítő (PA) hardvert• Ez egy veszteséget jelentő antenna interfészen (AI) kapcsolódik

a rádiós közegreC C f ( )• Ennek a tápellátása egy DC-DC tápfeszültég (veszteség)

• Ezt az egységet hűtik (fogyaszt)• Ennek hatása makro bázisállomásoknál jelentősj

• Ezt pedig a fő tápegység AC-DC konverzióval táplálja

21

A fogyasztás összetevőiA t i t féAntenna interfész• Modellezhető egy veszteséggel• A csőtápvonal, sávszűrők, illesztők, duplexerek fogyasztása• Tipikus feltételezés a 3 dB (!)

Teljesítményerősítő• Legnagyobb hatékonyságú tipikusan a szaturáció közelében• Legnagyobb hatékonyságú tipikusan a szaturáció közelében• Viszont a CDMA, OFDM jelformák nagyon ingadoznak -> 6-8 dB –vel

a szaturációs pont alatt kell, a lineáris tartományban üzemeltetniV k t h ikák ( lőt ítá tb ) i l h ték bb• Vannak technikák (előtorzítás, stb.) amivel a hatékonyabb tartományban lehet üzemelni, de ez extra visszajelzést, stb. igényelne

• A hatékonysága igen kicsi ha lineáris! (20-30%)• 3-5 x annyit fogyaszt, mint amennyit lead!

• Sokat fogyaszt akkor is, ha nem megy rajta át jel, vagy nagyon kis forgalom megy rajta (pl. csak jelzéscsatornák, amikor nincs forgalom)

22

A fogyasztás összetevőiA f tá ö t ői ki ő t lj ít é élA fogyasztás összetevői max. kimenő teljesítménynél

MacroPA Main Supply DC‐DC RF BB Cooling

MicroPA Main Supply DC‐DC RF BB

57%6%

13%10%

38%38%

8%6%

8%7%9%

26%41%

PicoPA Main Supply DC‐DC RF BB

22%

Femto/HomePA Main Supply DC‐DC RF BB

11%

8%14%

41%

11%

8%12%

47%

23

A bázisállomás fogyasztásaKérdés: a kimenő adóteljesítmény (⇔ kiszolgált forgalom) függvényében mekkora a fogyasztás?• Jó közelítéssel lineáris összefüggés van

24© Előadó Neve, Híradástechnikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

A bázisállomás fogyasztása

max0 ,)( PPPPnP outoutsum ≤⋅+⋅= κ

Ahol n a TRX láncok száma (antennák száma) P a statikusAhol n a TRX láncok száma (antennák száma), P0 a statikus fogyasztás, Pout a kimenő teljesítmény per antennaTipikus értékek 10 MHz sávszélességet használó LTE bázisállomásokhoz pl:

Pmax = 40 W, P0=120W, K=2.5 ??

25

A bázisállomás fogyasztásaHasonló modellek (lineáris), liver Arnold (F. Richter, G. Fettweis, O. Blume) PowerConsumption Modeling of Different Base Station Types in Heterogeneous CellularNetworks; Future Network & Mobile Summit 2010Florence, Italy

26

A bázisállomás fogyasztásaAktuális példák

Tehát pl 3*40 W (120W) adóteljesítményű UMTS bázisállomás kbp ( ) j y1.5 kW-ot fogyaszt!

120/1500 = 0,08 a teljesítmény hatásfokDe még így is csak egy gyengébb hajszárítóDe még így is csak egy gyengébb hajszárító …

27

Mit lehet tenni?Az újabb termékeknél már nagyon fontos szempont a fogyasztásMinden gyártó a kis fogyasztású hardverek felé fordulPl GSM bázisállomások relatív fogyasztása Alcatel-Lucent:Pl. GSM bázisállomások relatív fogyasztása, Alcatel Lucent:

100 -90 -80 -70 -60 -

1998EvoliumBTS TRX

2000Edge TRX 2004

Edge+TRXMP & HP

2006

50 -40 -30 -20 - MP & HP TWIN

TRX 2009MC-TRX

20 10 -

0 -

1995

-

1996

-

1997

-

1998

-

1999

-

2000

-

2001

-

2002

-

2003

-

2004

-

2005

-

2006

-

2007

-

2008

-

2009

-

28

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Mit lehet tenni?Na jó, de mit lehet tenni a kisebb fogyasztású hardverek összeszerelésén túl?

Hardver megoldások rádió specifikusHardver megoldások, rádió-specifikusMobil hálózat erőforráskezelés, hálózat menedzsment és telepítés megoldásai

29

Rádiós megoldások az alacsony fogyasztásért

Ami ki van kapcsolva, az nem fogyasztMilyen gyorsan tudunk ki-be kapcsolni?

Ha nincs is kikapcsolva teljesen, de bizonyos komponenseket le lehet venni a tápról (pl. teljesítményerősítő), energiakímélő üzemmódba tenni, „elég” gyorsanSzakaszos adás/vétel: cell DTXSzakaszos adás/vétel: cell DTX

A valóságban még egy aktív, terhelt cellában is sok keret üresAz igazán forgalmas celláknál csúcsidőben nem, itt pl. HSDPA –ra nem ritka a 90-95% -os keret kitöltöttség (száz db. 2 ms-os keretből csak 5-10 üres)

Néhányszor 10 ms szakaszokban nincs forgalomy gDTX: ezeket az üres szakaszokat detektálni és lekapcsolni a rádiós hardvert

Felkapcsolni, ha van forgalomLTE cell-DTX:

Minden időrésben mennek referencia szimbólumok: ma lehetséges OFDM szimbólumok idejére a lekapcsolás! > mikro DTXidejére a lekapcsolás! -> mikro DTXMódosított működéssel, referencia szimbólumok nélkül: időrésnyi lekapcsolás -> rövid DTX

30

Rádiós megoldások az alacsony fogyasztásért

Adaptív hardverForgalomhoz (<-> adóteljesítményhez) optimalizált teljesítményerősítőMás-más kimenő teljesítményhez más-más elektronikával optimális aMás-más kimenő teljesítményhez más-más elektronikával optimális a hatásfok:

Nagy kimenő teljesítménynél X teljesítményerősítőKis kimenő teljesítménynél Y teljesítményerősítőKis kimenő teljesítménynél Y teljesítményerősítő

Stb. stbItt: https://bscw.ict-earth.eu/pub/bscw.cgi/d29584/EARTH_WP4_D4.1.pdf

31

Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért

Ami nem ad, az nem fogyasztCell DTX: msec időskálán rádiós hardverről levenni a tápotHálózati szint: teljes szektor, vagy bázisállomás lekapcsolásaLassabb lekapcsolás, lassú feléledésLassabb lekapcsolás, lassú feléledésAlacsonyabb, vagy nulla fogyasztás lekapcsolt állapotban

Miért lehet?A cell DTX-nél szó volt róla: msec időskálán sok üresjárat, még terhelt cellában isNagyobb időskála: nagy ingadozás a forgalombanNagyobb időskála: nagy ingadozás a forgalombanÉs még a helytől is függ

Pl. lakópark forgalma este nyolckor vs délben vs Infopark forgalma este és délben

32

Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért

Erőforrás menedzsment: a cellában használt rádiós erőforrásokat (vivők száma, használt sávszélesség) változtatni úgy, hogy csak annyi legyen aktív, amennyi kell

Hasonló a cell DTX –hez de sec időskálánHasonló a cell DTX hez, de sec időskálánHálózat menedzsment:

Földrajzilag és időben is átkonfigurálni a hálózatot, hogy csak annyi erőforrás legyen, amennyi a forgalomhoz szükségesPerc-óra időskála

Tervezés: úgy tervezni a hálózatot, hogy tudjuk, hogy az előző lehetségesHónapos időskálaT é i ököl bál ddi i á ú bá i áll á k llTervezési ökölszabály eddig: a min számú bázisállomás kellEz energiahatékony isKihívás: mennyi és hova kell, ha tudjuk, hogy hálózatmenedzsment, illetve erőforrás menedzsment eljárásokkal adaptálódik is ailletve erőforrás menedzsment eljárásokkal adaptálódik is a forgalomhoz?

33

Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért

Hálózat menedzsment:Mit lehet átkonfigurálni, változtatni perc-óra időskálán?Szektorok, cellák, vivőfrekvenciák le/felkapcsolásaS k á ók i á dőlé ö ( ál ik fi ik i ló i )Szektorsugárzók iránya, dőlésszöge (-> változik a fizikai topológia)Adóteljesítmény, pilot jelek adóteljesítményének növelése/csökkentése: cella lefedési területe változik

Erőforrás menedzsmentErőforrás menedzsmentMIMO módok közti váltásVivőfrekvenciák számaPRB-k kiosztásaMindezt úgy, hogy az energiafogyasztás csökkenjen

Ököl: Shannon miatt érdemes nagy sávszélességet használva adni, mert így kisebb teljesítmény is elég azonos átviteli sebességhezsebességhezDe vannak azért az LTE szabványban és gyártói implementációkban korlátozó tényezők! (pl. az adóteljesítményt a bázisállomás egyenletesen osztja el a sávban, tehát kétszeres á él é h d kál két dót lj ít é i ( i

34

sávszélességhez dukál a kétszeres adóteljesítmény is (ami a kétszeresnél jóval nagyobb kapacitás növekmény, feleslegesen))

Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért

Összegezve:A forgalom több időskálán nézve is változékonyO ti áli ldáOptimális megoldás:

Minden időpillanatban az adott forgalmi mennyiséghez éppen elegendő erőforrást és infrastruktúrát használjunk, a többit inaktiváljukMinden időpillanatban az adott forgalom kiszolgálásához szükséges kimenő teljesítmény szintjéhez optimalizáltszükséges kimenő teljesítmény szintjéhez optimalizált elektronikát használjunk

Ilyen egyszerű ☺

35