MOBIL HÁLÓZATOK ENERGIAHATÉKONYSÁGA.
2011. augusztus 31., Budapest
Áttekintés Energiahatékonyság kérdése: terminál és hálózat Általános g globális jjellemzők • ICT szektor, mobil hálózati szektor • Várható trendek
Energiahatékonyság jellemzése • Jellemző metrikák
A fogyasztás összetevői A javítás mikéntjei • Alternatív források • Hardware • Fejlett hálózati képességek
Terminál oldali kérdések Energiahatékonyság tradicionális kezelése (mobil hálózatok esetén) • A közelmúltig a fókusz a terminál oldali kommunikáción • Motiváció: az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása • Kevésbé motiválók az általános környezetvédelmi szempontok 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 kérdések Külön 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 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 • Extrém alacsony fogyasztás is elég lehet
Hálózati oldal Az utóbbi évekig a hálózati oldal energiafogyasztása a kutatásban nem volt szempont • „villamos hálózatba van dugva, tehát végtelen energia áll rendelkezésre” • Mobil hálózat: • 60 W már nagyon nagy adóteljesítmény, de még mindig csak egy halvány villanykörte • Valójában: a berendezések (pl. (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?
Az ICT szektor fogyasztása Nehéz megbízható g becsléseket tenni A 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 g infrastruktúra és adatközpontok, p , szerver farmok: • A világ elektromos energia fogyasztásának 3 %-a • Kb. 16-20% -os növekedés évente • 2030-ig 2030 i az elektromos l k ffogyasztás á világszerte ilá megduplázódik, d lá ódik javarészt az ICT szektor miatt • Ag globális CO2 kibocsátás 2-3 % -a, az ICT berendezések teljes j életciklusát (gyártás, működés, bontás) tekintve • Kb. megfelel a repülési iparágnak
Fejlett ipari országok: • Az elektromos energia 10% -a fogy az ICT szektorban • Ennek kb. harmada a PC-k és user eszközök
Az ICT szektor fogyasztása Érdekességek É d k é k USA adatközpontok, szerverek: • 2006: kb. kb 10 M szerver, 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 2 Minden korábbi becslés hamar elavul, mert pl.: • India, Kína • Pl. Pl 2006 2006-ban ban még senki nem gondolta volna volna, hogy PC helyett inkább Ipadet vesznek az emberek 8
Az ICT szektor fogyasztása Gunther 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, Italy ICT szektor CO2 kibocsájtás
500
million ton CO2-eq
Operation of enduser equipment
400
Network operation
300
Manufacturing & business overheads
200 100 0 PC industry
Data centers
Fixed telecom
Mobile telecom
9
Az ICT szektor fogyasztása Cellás C llá mobil bil háló hálózatok t k A világ áramfogyasztásának kb. 0.5 % -áért felelős • A mobil hálózatok fogyasztásának kb. 1% -a a készülékek • 99 % -a a hálózat háló t • Mobil internet elterjedésével ha a laptopokat is számítjuk, akkor nagyobb arány jut a készülékekre
A mobil hálózat fogyasztásának 80 % -a a rádiós hozzáférési hálózatban • A bázisállomások tulajdonképpen
Összegezve: g a világ g villamos energiájának g j kb. 0.4 %-át a bázisállomások használják fel • Kicsinek tűnhet, de ez: kb. 72 TWh, azaz az év minden órájában kb. 8.2 GW teljesítmény • 15 paksi blokknyi blokkn i erőmű fol folyamatosan amatosan csak a bá bázisállomásokat isállomásokat eteti • Másképp: 5.5 millió hajszárító folyamatosan (!!! Ez mutatja, hogy milyen sokat is fogyaszt egy hajszárító ….) • Kb. ennyi teljesítményű napfény ér összesen egy tiszta márciusi napon hazánkban 11 km2 -t 10
Az ICT szektor fogyasztása Cellás mobil hálózatok: egy userre eső átlagos CO2 szennyezés, 2007
18 0 18,0 Data centres & transport
16,0
Operator activities
kg CO O2-eq / subyea ar
14,0
Di Diesel l consumption ti
12,0 Energy Energyconsumption consumption of RBS sites of RBS sites
10,0 8,0
Electricity consumption Construction & HW manufacturing
6,0
Charging and stand-by
4,0
Mobile device transport
2,0
Mobile device manufacturing
0,0 Mobile device
RBS sites
Operator activities (incl. core)
Data centres & transport
11
Az ICT szektor fogyasztása Nagyon aggódunk a környezetért a mobil iparágban, azonban: • Globális környezetszennyezés tekintetében egyszerű módszerekkel (de drágán!) jóval nagyobb csökkentéseket lehet elérni, mint amit a teljes mobil iparág felhasználhat … • Házak Há k szigetelése, i t lé autók tók fogyasztásának f tá á k csökkentése, ökk té stb tb stb tb
Másik motiváció az energiahatékonyság növeléséhez: • A villanyszámla csökkentése
Jelenlegi trendek (árak, fogyasztás) mellett a bázisállomások energiaköltsége globálisan kb. megháromszorozódik tíz év alatt l
12
Az energiahatékonyság jellemzése Alapvetően: • Elfogyasztott energia (E), mértékegysége Joule (J) • Teljesítmény: időegység alatt felhasznált energia (P): Watt (W) dE • Tehát P = dt 1 J = 1W ⋅1 s 1 kWh = 3600000 J
Hatékonyság ≠ hatásfok! Phasznos h • Hatásfok: η = Pbe
Pbe
Phasznos
13
Az energiahatékonyság jellemzése Cellás mobil hálózatok energiahatékonyságáról beszélünk Energiahatékonyság: • Jelleme Jellemezze ea az elfog elfogyasztott as tott energiát és a n nyújtott újtott szolgáltatást, s olgáltatást vagy a hálózatot • Energiahatékonysági mérték kell
Elfogyaszott energia: ez jól definiálható és mérhető egy adott hálózati elemre vagy szegmensre • Pl. 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 tehát szerepeltetni a hálózat jellemzését is 14
Az energiahatékonyság jellemzése Szolgáltatás, kapacitás, minőség, hálózat jellemzése? • Sokféle lehet: • 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
15
Az energiahatékonyság jellemzése Leggyakrabban használt metrikák: • Egy előfizető kiszolgálásához szükséges átlagos hálózati teljesítmény: W/előfizető W/előfizető, vagy egy adott időtartamra vonatkoztatva J/előfizető, mindkettőnek a reciproka is használható • 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 jellemzése Leggyakrabban használt metrikák: • Egy bit átviteléhez mennyi energia szükséges • Bit/J 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, 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: bit
bps bit = s = J W J s • Mi a b bps? ?E Egy user lilink k sebessége, b é átl átlagos cellakapacitás, ll k itá hálózatrész átlagos átvitele, stb. 17
Az energiahatékonyság jellemzése Leggyakrabban használt metrikák: • Nem gyakran használt: egységnyi teljesítménnyel milyen spektrális hatékonyság érhető el? • 1 Watt teljesítménnyel, 1 Hz sávszélességen mekkora az átviteli sebesség? W = W ⋅ Hz bps b bps Hz • Vagy a reciproka
bps W ⋅ Hz
bit • Ez természetesen az előzőek alapján J ⋅ Hz H
– Egy Hz sávszélességet használva, 1 J energiával hány bitet tudunk átvinni
18
A fogyasztás összetevői Bázisállomás telephely fogyasztása (site), a bázisállomás nélkül • Épület hűtés/fűtés • Kabinet (rack szekrény) hűtés/fűtés • (vész)világítás, biztonsági berendezések
Átviteli hálózati berendezések fogyasztása • Mikrohullámú vagy optikai összeköttetés berendezései
Tartalék T t lék eszközök kö ök standby t db ffogyasztása tá A bázisállomás(ok) fogyasztása
19
A fogyasztás összetevői A bázisállomás fogyasztása • Makro-, mikro-, piko- és otthoni femto bázisállomások fogyasztása 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-egy gy 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 függ – Az átvitt forgalomtól (is) függ az is, hogy mekkora teljesítményt kell kisugározni
• Természetesen van közös hardver rész is, is közös fogyasztással • Ez is forgalomfüggő 20
A fogyasztás összetevői A bázisállomás fogyasztása • Minden egyes TRX tartalmaz alapsávi (baseband, BB), rádiófrekvenciás (RF) és teljesítményerősítő (PA) hardvert • Ez egy veszteséget jelentő antenna interfészen (AI) kapcsolódik a rádiós közegre • Ennek a tápellátása egy DC-DC C C tápfeszültég f (veszteség) ( ) • Ezt az egységet hűtik (fogyaszt) • Ennek hatása makro bázisállomásoknál jelentős j
• Ezt pedig a fő tápegység AC-DC konverzióval táplálja
21
A fogyasztás összetevői A t Antenna interfész i t fé • Modellezhető egy veszteséggel • A csőtápvonal, sávszűrők, illesztők, duplexerek fogyasztása • Tipikus feltételezés a 3 dB (!)
Teljesítményerősítő • 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 üzemeltetni • Vannak V k technikák t h ikák ((előtorzítás, lőt ítá stb.) tb ) amivel i lah hatékonyabb ték bb 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 összetevői A ffogyasztás tá összetevői ö t ői max. ki kimenő ő teljesítménynél t lj ít é él Macro PA
Main Supply
13%
DC‐DC
Micro RF
BB
Cooling
PA
10%
Main Supply
DC‐DC
38%
RF
BB
38%
6% 57% 8%
9%
6%
Pico PA
Main Supply
Femto/Home
DC‐DC
RF
BB
PA
Main Supply
DC‐DC
RF
BB
22%
26%
41%
8%
7%
47% 11%
11% 14%
8%
8% 12%
23
A bázisállomás fogyasztása Kérdés: a kimenő adóteljesítmény (⇔ kiszolgált forgalom) függvényében mekkora a fogyasztás? • Jó közelítéssel lineáris összefüggés van
© Előadó Neve, Híradástechnikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
24
A bázisállomás fogyasztása Psum = n ⋅ ( P0 + κ ⋅ Pout ) , Pout ≤ Pmax Ahol n a TRX láncok száma (antennák száma) száma), P0 a statikus fogyasztás, Pout a kimenő teljesítmény per antenna Tipikus értékek 10 MHz sávszélességet használó LTE bázisállomásokhoz pl: Pmax = 40 W, P0=120W, K=2.5 ?
25
A bázisállomás fogyasztása Hasonló modellek (lineáris), liver Arnold (F. Richter, G. Fettweis, O. Blume) Power Consumption Modeling of Different Base Station Types in Heterogeneous Cellular Networks; Future Network & Mobile Summit 2010Florence, Italy
26
A bázisállomás fogyasztása Aktuális példák
Tehát p pl 3*40 W ((120W)) adóteljesítményű j y UMTS bázisállomás kb 1.5 kW-ot fogyaszt! 120/1500 = 0,08 a teljesítmény hatásfok De még így is csak egy gyengébb hajszárító …
27
Mit lehet tenni? Az újabb termékeknél már nagyon fontos szempont a fogyasztás Minden gyártó a kis fogyasztású hardverek felé fordul Pl GSM bázisállomások relatív fogyasztása Pl. fogyasztása, Alcatel Alcatel-Lucent: Lucent: 100 90 80 70 60 50 -
22009 -
22008 -
2009 MC-TRX
22007 -
22006 -
22002 -
22001 -
22000 -
1999 -
1998 -
1997 -
1996 -
0-
1995 -
10 -
22005 -
20 -
2004 Edge+TRX 2006 MP & HP TWIN TRX
22004 -
30 -
2000 Edge TRX
22003 -
1998 Evolium BTS TRX
40 -
28
Mit lehet tenni? Na jó, de mit lehet tenni a kisebb fogyasztású hardverek összeszerelésén túl? Hardver megoldások megoldások, rádió rádió-specifikus specifikus Mobil hálózat erőforráskezelés, hálózat menedzsment és telepítés megoldásai
29
Rádiós megoldások az alacsony fogyasztásért Ami ki van kapcsolva, az nem fogyaszt Milyen gyorsan tudunk ki-be kapcsolni? Ha nincs is kikapcsolva teljesen, de bizonyos komponenseket le lehet venni a tápról (pl. teljesítményerősítő), energiakímélő üzemmódba tenni, „elég” gyorsan Szakaszos adás/vétel: cell DTX A valóságban még egy aktív, terhelt cellában is sok keret üres Az 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 y 10 ms szakaszokban nincs forgalom g DTX: ezeket az üres szakaszokat detektálni és lekapcsolni a rádiós hardvert Felkapcsolni, ha van forgalom LTE cell-DTX: Minden időrésben mennek referencia szimbólumok: ma lehetséges OFDM szimbólumok idejére a lekapcsolás! -> > mikro DTX Módosított működéssel, referencia szimbólumok nélkül: időrésnyi lekapcsolás -> rövid DTX
30
Rádiós megoldások az alacsony fogyasztásért Adaptív hardver Forgalomhoz (<-> adóteljesítményhez) optimalizált teljesítményerősítő Más-más kimenő teljesítményhez más-más elektronikával optimális a hatásfok: Nagy kimenő teljesítménynél X teljesítményerősítő Kis kimenő teljesítménynél Y teljesítményerősítő Stb. stb Itt: 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 fogyaszt Cell DTX: msec időskálán rádiós hardverről levenni a tápot Hálózati szint: teljes szektor, vagy bázisállomás lekapcsolása Lassabb lekapcsolás, lassú feléledés Alacsonyabb, vagy nulla fogyasztás lekapcsolt állapotban Miért lehet? A cell DTX-nél szó volt róla: msec időskálán sok üresjárat, még terhelt cellában is Nagyobb időskála: nagy ingadozás a forgalomban És 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 hez, de sec időskálán Hálózat menedzsment: Földrajzilag és időben is átkonfigurálni a hálózatot, hogy csak annyi erőforrás legyen, amennyi a forgalomhoz szükséges Perc-óra időskála Tervezés: úgy tervezni a hálózatot, hogy tudjuk, hogy az előző lehetséges Hónapos időskála T Tervezési é i ököl ökölszabály bál eddig: ddi a min i számú á ú bá bázisállomás i áll á kkellll Ez energiahatékony is Kihívás: mennyi és hova kell, ha tudjuk, hogy hálózatmenedzsment, illetve 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/felkapcsolása S k Szektorsugárzók á ók iiránya, á dőlé dőlésszöge ö ((-> változik ál ik a fizikai fi ik i topológia) ló i ) Adóteljesítmény, pilot jelek adóteljesítményének növelése/csökkentése: cella lefedési területe változik Erőforrás menedzsment MIMO módok közti váltás Vivőfrekvenciák száma PRB-k kiosztása Mindezt úgy, hogy az energiafogyasztás csökkenjen Ököl: Shannon miatt érdemes nagy sávszélességet használva adni, mert így kisebb teljesítmény is elég azonos átviteli sebességhez De vannak azért az LTE szabványban és gyártói implementációkban korlátozó tényezők! (pl. az adóteljesítményt a bázisállomás egyenletesen osztja el a sávban, tehát kétszeres sávszélességhez á él é h d dukál kál a két kétszeres adóteljesítmény dót lj ít é iis ((amii a kétszeresnél jóval nagyobb kapacitás növekmény, feleslegesen)) 34
Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért Összegezve: A forgalom több időskálán nézve is változékony O ti áli megoldás: Optimális ldá Minden időpillanatban az adott forgalmi mennyiséghez éppen elegendő erőforrást és infrastruktúrát használjunk, a többit inaktiváljuk Minden időpillanatban az adott forgalom kiszolgálásához szükséges kimenő teljesítmény szintjéhez optimalizált elektronikát használjunk Ilyen egyszerű ☺
35
