Duurzaam Draadloos Auteurs: Prof. dr. ir. Ignas Niemegeers, Technische Universiteit Delft Dr. Ertan Onur, Technische Universiteit Delft Ing. Fred Snijders, Pansa Consultancy Samenvatting Voorspellingen van het Wireless World Research Forum geven aan dat er rond het jaar 2017 ongeveer 1000 draadloze apparaten per persoon op aarde zullen zijn. Deze apparaten kunnen zeer uiteenlopende kenmerken hebben van zeer eenvoudige sensoren tot gesofistikeerde “smartphones”. Zeker is dat deze apparaten voornamelijk draadloos en mobiel zullen zijn en de voornaamste elementen vormen van het “Internet of Things”. Toekomstige applicaties en diensten die hier gebruik van maken, zijn te vinden in alle geledingen van de maatschappij, in het bijzonder in kritische toepassingen zoals gezondheid en zorg waar veel vitale functies gemeten moeten worden en de betrouwbaarheidseisen hoog zijn. Energie en straling spelen hierbij in toenemende mate een rol en zijn cruciaal voor de betrouwbaarheid van de diensten en de veiligheid van de gebruiker. De rol van de infrastructuur en de daarmee samenhangende energieconsumptie ter ondersteuning van mobiliteit zal sterk toenemen tenzij passende maatregelen worden getroffen in de draadloze systemen. Cruciaal hierbij is beperking van de afstand tussen basisstation en de mobiele terminal bijvoorbeeld door gebruik van femto-cellen als extensie van cellulaire netwerken of van multi-hop netwerkconcepten. Bij de eerste variant gebruikt men het vaste (optische) netwerk voor de bulk van het dataverkeer naar kleine basisstations dicht bij de abonnees en in de tweede variant de tussenkomst van andere mobiele apparaten voor het doorgeven van de boodschappen. In dit hoofdstuk worden de uitdagingen die ons wachten, uitgediept en de mogelijke oplossingsrichtingen voor verduurzaming van mobiele communicatie besproken. i. Duurzame ontwikkeling Het begrip “Duurzame Ontwikkeling” is bekend geworden door het rapport “Our Common Future” uit 1987 beter bekend als het “Brundland Report” [2]. Dit rapport is geschreven in opdracht van de “World Commission on Environment and Development” (WCED). De meer populaire naam “Brundtland Report” verwijst naar de voorzitster van de commissie, de toenmalige Noorse premier Gro Harlem Brundtland. De belangrijkste conclusie van het rapport was dat de belangrijkste mondiale milieuproblemen het gevolg zijn van de armoede in het ene deel van de wereld en de nietduurzame consumptie en productie in het andere deel. Het rapport riep voor het eerst op tot duurzame ontwikkeling als middel om in de behoeften van de huidige generatie te voorzien zonder dat toekomstige generaties er onder zullen leiden. Het ”Intergovernmental Panel on Climate Change”: hét leidinggevende orgaan voor de beoordeling van de klimaatverandering, is door de United Nations Environment Programme (UNEP) en de World Meteorological Organization (WMO) ingesteld om de wereld te voorzien van een duidelijke wetenschappelijke visie op de huidige toestand van de klimaatverandering en de potentiële milieuen sociaal-economische gevolgen. Dit panel heeft een aantal scenario’s opgesteld en doorgerekend die een stijging van de globale gemiddelde omgevingstemperatuur prognosticeren van 2-6 oC rond het jaar 2100 [3]. Uit deze scenario’s blijkt tevens een toename van extreme weersinvloeden zoals overstromingen en droogten en een stijging van de zeespiegel van circa 1 meter in het jaar 2100. In de scenario’s voor klimaatverandering wordt gewoonlijk gerekend met een stijging van het kooldioxide (CO2) gehalte [4] van 1% op jaarbasis. Volgens een studie van het “Global e-Sustainability Initiative” (GESI) is de Informatie en Communicatie Technologie (ICT) sector verantwoordelijk voor circa twee procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen [5]. Men schat de mondiale CO2-uitstoot in 2020 bij gelijkblijvend beleid op 50 gigaton en de directe bijdrage van de ICT op 1,4 gigaton CO 2; een toename van meer dan 100% vergeleken met 2010. Uit studies voor de Nederlandse situatie [28] blijkt dat de emissie van de ICT-sector zelf met circa 20% kan worden gereduceerd. De werkelijke
CO2-winst moet komen uit het gebruik van energie-efficiënte “groene” ICT voor het reduceren van de 98% uitstoot uit andere, niet-ICT-bronnen. Veel initiatieven worden al genomen om de energie-efficiëntie van communicatienetwerken te verbeteren. Belangrijk hierbij is het GreenTouch™ initiatief (www.greentouch.org). GreenTouch is een internationale researchorganisatie met als doel het ontwikkelen van fundamenteel nieuwe netwerkarchitecturen en het creëren van nieuwe technologieën met als doel de energie-efficiëntie van telecommunicatienetwerken inclusief het Internet met een factor 1000 te verbeteren in het jaar 2015. ii. Energie-efficiënte draadloze netwerken In 2008 is de eerste workshop over “groene” draadloze netwerksystemen gehouden in Lapland, Finland. Het begrip “groen netwerk” verwijst naar technieken, hoofdzakelijk gerelateerd aan alle OSI lagen, met het doel betrouwbare diensten te leveren aan de gebruikers van communicatiemiddelen bij een minimalisering van de energieconsumptie. De call-for-papers van deze workshop [6] leest als een staalkaart voor de doelstelling van dit hoofdstuk over “Duurzaam Draadloos”. Het bandbreedtegebruik stijgt met een factor 10 per vijf jaar, wat correspondeert met een stijging van 16(miljoen) tot 20% in energieconsumptie per jaar. Daarnaast verwacht men een explosie Abonnees van het aantal draadloze apparaten per wereldburger in het komende decennium en een sterke toename van het percentage draadloze communicaties. De WWRF prognosticeert ruwweg 1000 2000000 000 Fibretegen het DSLjaar 2017 Cable[7]. Figuur Mobile ISDN draadloze apparaten per hoofd 1 laat zien dat hetAnalogue aandeel van “draadloos” in het totale communicatiepakket snel groeit. Voor het halen van de mondiale CO2doelen moet daarom niet alleen de stijging in energieverbruik van draadloze 1800000 000 communicatiesystemen worden afgeremd, maar dient ook het energieverbruik van deze systemen in absolute zin aanzienlijk te worden teruggebracht. 1600000 000
1400000 000
1200000 000
1000000 000
800000 000
600000 000 Figuur 1. Het aantal en het aandeel van mobiele abonnees neemt snel toe.
[9].
400000 000
Het energieverbruik van draadloze systemen bestaat grosso modo uit 5 functionele componenten namelijk: 1. Gegevensbewerking 200000 000 2. Gegevensopslag 3. Fysieke interfaces 4. Displays 0 5. Zendenergie 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 In termen van energieverbruik zijn de functionele componenten 1 t/m 4 het energieverbruik van de elektronica in het systeem zelf en is component 5 in belangrijke mate afhankelijk van het vermogen dat moet worden uitgestraald voor een betrouwbare overdracht van de digitale signalen. Waar het energieverbruik van de apparatuur zonder veel verdere maatregelen afneemt volgens ruwweg de wet van Moore1; geldt dit niet voor het zendvermogen. Dit neemt toe met het kwadraat van de afstand tussen het zend- en ontvangststation (verre veld) en zelfs met de vierde macht van de afstand in het nabije veld. In formulevorm: 1
Deze afname als gevolg van het verkleinen van de structuren op de chip (wet van Moore) wordt in de praktijk meestal teniet gedaan door het toenemen van de complexiteit en functionaliteit van de chip(s). Ook hier zijn dus passende maatregelen in de architectuur nodig voor het reduceren van het energieverbruik.
Vertrouwelijk
Pagina 2
24 december 2009
2004
20
Plink = Є (α + βDγ) C + Pstandby
(1)
Hierin is Plink het uitgezonden vermogen voor een bepaalde signaal/ruis-verhouding, Є een schaalfactor voor het aantal benodigde bits (bijvoorbeeld voor extra bits voor foutencorrectie), α een maat voor het energieverbruik voor het verwerken van een ontvangen bit, β een transmissieschaalfactor, D de afstand tussen zender en ontvanger, γ de exponent voor de verliezen in het transmissiepad, C de transmissiesnelheid in bits/s en Pstandby het nullastvermogen. De exponent γ is gelijk aan 2 buitenshuis en 4 binnenshuis. De afstand tussen zender en ontvanger speelt dus een cruciale rol in de energiebehoefte van draadloze communicatie. Als vuistregel geldt een zendenergie van ongeveer 150 nJ/bit voor een afstand van 10 meter. Dit is het equivalent van 100-150 instructies op een “low-power” processor. We hebben gezien dat zowel het aantal mobiele apparaten als ook het aantal bits/s per apparaat sterk toeneemt. Naast maatregelen in de apparatuur zelf zijn dus creatieve oplossingen in de architectuur van mobiele systemen noodzakelijk om een significante energiebesparing te kunnen realiseren. Er is een sterke behoefte aan een nieuwe benadering voor “groene netwerken” [8]. Het Femtocell-concept met minimale afstand tussen het basisstation en het mobiel apparaat is een goed voorbeeld van een dergelijke op energie-efficiëntie gebaseerde architectuur. Het werken met nauwe, gerichte radiobundels (“beamforming”) is een andere manier om het zendvermogen per bit aanzienlijk te verkleinen. Op het gebied van adaptieve bundelvorming wordt veel onderzoek gedaan om tot energiebesparing van mobiele communicatie te komen. In absolute termen is het vermogensverbruik van het radiogedeelte van een mobiel apparaat zo’n 20-40% van het totale verbruik. Voor een laptop geeft figuur 2 het verbruik voor de individuele functionele blokken in procenten van het totale verbruik. Voor een draadloze telefoon maakt het radiogedeelte zo’n 40% uit van het totaal. Voor een draadloze sensor is de verhouding moeilijk aan te geven als gevolg van de grote verschillen in functionaliteit, in toegangsprotocol tot het netwerk en het al of niet geïmplementeerd zijn van een “slaapstand” voor het communicatiedeel van de sensor.
7
Others Hard disk drive Wireless LAN card CPU/memory Display
18
18 21 36
0 5 10 15 20 25 30 35 40 Figuur 2: Vermogensconsumptie in percentages van de samenstellende delen van een draadloos apparaat in dit geval een laptop [1].
2.1 Energie-efficiënte radiotoegangsnetwerken Het aantal mobiele abonnees en ook de datasnelheden in de mobiele netwerken groeien snel met als uitkomst een ongewenste groei van de totale energieconsumptie van deze netwerken. Om milieuredenen moeten we daarom de energiebehoefte van radiotoegangsnetwerken in zijn totaliteit verminderen. De infrastructuur van een typisch GSM- of UMTS-netwerk (standaard voor mobiele telefonie) verbruikt ongeveer 40 MW per jaar nog afgezien van het vermogen dat geconsumeerd wordt door de mobiele telefoons zelf [10]. Het win-win scenario voor het verminderen van de energieconsumptie van radiotoegangsnetwerken is vanuit operationeel perspectief het reduceren van de operationele uitgaven en vanuit sociaal perspectief het reduceren van de CO 2-emissie. Innovatieve methoden zijn nodig om de totale energieconsumptie in het netwerk te verminderen zonder de kwaliteit van de dienstverlening aan de gebruiker of de operationele kosten van de netwerkexploitanten te verhogen [11]. De basisstations zijn verantwoordelijk voor meer dan de helft van het totale energieverbruik in een mobiel netwerk. Het verbruik van de mobiele zaktelefoon van een abonnee is circa 75% van het basisstationverbruik per abonnee (figuur 3). Aangezien het aantal mobiele apparaten per abonnee in de komende jaren drastisch zal toenemen, is het energieverbruik van de mobiele component van de netwerken echter niet te verwaarlozen. Uit figuur 3 blijkt dat in Vertrouwelijk
Pagina 3
24 december 2009
een UMTS-netwerk bijvoorbeeld 25 kg CO2-equivalent wordt uitgestoten voor de overdracht van 1Gbit tussen twee mobiele stations [12]. De mobiele terminal “verbruikt” vooral indirecte energie (embodied energy) wat staat voor het energieverbruik bij fabricage, afvalverwijdering en transport. Het “operationele” energieverbruik is voor het basisstation de som van elektronica en zendvermogen; voor de mobiele terminal het verbruik bij opladen wat op zich natuurlijk ook gerelateerd is aan het zendvermogen van het mobiele apparaat. Volgens de voorspellingen van de WWRF zal in de toekomst het aantal persoonlijke apparaten toenemen tot ongeveer 1000 per persoon in het jaar 2017 en daarmee samengaand zal de CO2-equivalent emissies van mobiele zaktelefoons niet te verwaarlozen zijn.
9kg CO2
4.3kg CO2
Operation
Embodied energy
Base station
2.6kg CO2
8.1kg CO2
Mobile
Figuur 3. CO2- emissies per abonnee voor de overdracht van 1 Gbit. De “ Embodied energy” component is een gevolg van productieprocessen en verwijdering/afval [11]. De operationele energie is wat geconsumeerd wordt bij de levering van basisstations en modems en het opladen, de communicatieprocessen en de inactieve toestand op mobiele stations.
2.1.1 Femtocell-concept Innovatieve architecturen kunnen een oplossing zijn voor de energiereductie van radiotoegangsnetwerken. Zoals eerder opgemerkt speelt het verkleinen van de afstand tussen basisstation en mobiele terminals een essentiële rol voor het verlagen van de energieconsumptie in de informatieoverdracht. Het opstellen van de basisstations dichter bij de abonnees laat namelijk een aanzienlijke vermindering van het vereiste overdrachtsvermogen toe (zie formule 1). Femtocell is een veelbelovende technologie om dit doel te bereiken. Een femtocell is een klein radioverzorgingsgebied (bijvoorbeeld ter grootte van een huis) gevoed door een klein cellulair basisstation dat is ontworpen voor gebruik binnenshuis [13] [14]. Dit miniatuur basisstation zorgt binnenshuis voor draadloze dekking en gebruikt de bestaande “verkabelde” breedbandverbindingen van Internet voor de verbinding met de netwerkexploitant. Het femtocell-concept is toepasbaar voor allerlei soorten cellulaire systemen. De abonnee op het mobiele netwerk koopt het femtocell-station via de leverancier van de mobiele diensten, installeert het zelf en de exploitant activeert het femtocell-gebruik. De abonnee kan dan bestaande zaktelefoons binnenshuis gebruiken met een zeer laag zendvermogen om te communiceren via de femtocell. Voor het spectrumgebruik moeten de exploitanten de femtocell beheren en ingekochte spectrum delen met de macrocellen van het netwerk. Momenteel wordt het femtocell-concept toegepast voor bestaande cellulaire netwerkstandaarden, zoals het universele mobiele telecommunicatiesysteem (UMTS), de producten die wereldwijd de interoperabiliteit voor microgolftoegang ondersteunen (WiMAX) en de nieuwe LTEstandaard2. Femtocellen kunnen ook worden gezien als (vaste) “gateways” voor het ondersteunen van de exploitatie van en de interactie tussen verschillende mobiele communicatiestandaarden, bijvoorbeeld de gelijktijdige ondersteuning van WiMAX en UMTS. Voor de exploitatie van femtocellen is in 2007 het Femto Forum opgericht als een non-profit organisatie [15] met de 2
LTE = Long Term Evolution is de geregistreerde naam van een international project voor de ontwikkeling van een nieuwe draadloze standaard voor 4G.
Vertrouwelijk
Pagina 4
24 december 2009
doelstelling om open standaarden voor productinteroperabiliteit te ontwikkelen. Met het femtocelconcept komen de mobiele stations dichter bij de basisstations waardoor beide minder energie verbruiken voor de communicatie.
2.1.2 Multi-hop Multi-hop netwerkarchitecturen zijn een andere manier om energie te besparen bij de communicatie met mobiele apparaten in radiotoegangsnetwerken. Multi-hop routering bespaart energie wederom door het verkorten van de transmissiepaden van basisstation naar mobiele gebruikers in dit geval door tussenkomst van zogenoemde relaisknooppunten. Hierdoor kan het vereiste totale transmissievermogen van de basisstations verminderen. Relaisknooppunten kunnen vaste (mini-) knooppunten zijn, of de mobiele stations in het netwerk kunnen zich gedragen als relaisknooppunt waarbij de relais mobiel zijn en ad-hoc worden ingeschakeld voor de relaisfunctie. Voor de statische relaisscenario’s is een adequate analyse van de relaisplaatsing vereist om tot energie-optimalisatie te komen. In geval van het scenario met mobiele relaisstations, moeten efficiënte routeringtechnieken ontwikkeld worden met het oog op de energie-efficiëntie in samenhang met de vereiste “quality of service” voor de toepassingen en gebruikers. Onconventionele benaderingen kunnen ook bijdrage leveren aan het reduceren van de energieconsumptie van radiotoegangsnetwerken. Een netwerk dat tolerant is voor vertraging is een veelbelovend onderzoeksgebied om dit doel te bereiken. Voor sommige toepassingen, kan het dataverkeer worden vertraagd tot het mobiele station een geschikte punt in het radiotoegangsnetwerk bereikt waar signaaltransport met een lage energieconsumptie mogelijk is. Een andere, meer directe benadering is het gebruik maken van duurzame energiebronnen in het netwerk. In Orange Guinea Conakry, heeft Ericsson bijvoorbeeld basisstations opgesteld waarvan meer dan honderd basisstations volledig door zonne-energie worden gevoed. Ericsson heeft ook samen met de Universiteit van Uppsala in Zweden door windenergie aangedreven zendmasten ontwikkeld [16]. iii. Interactie tussen Smart objecten en Ad-Hoc Netwerken “Embedded systemen”, “pervasive communications” en draadloze sensornetwerken worden gezien als coöperatieve objecten, waarvan de prestaties van het geheel groter zijn dan de som van de individuele componenten bij een aanzienlijk lagere energieconsumptie. Individuele entiteiten van coöperatieve objecten streven ernaar een gemeenschappelijk doel te bereiken waar diverse apparaten (sensoren, actuatoren,...) zullen samenwerken. Coöperatieve objecten handelen en reageren op de omgeving voor het optimaliseren van de taak. De samenstellende elementen van coöperatieve objecten delen een aantal gemeenschappelijke elementen, maar kunnen elkaar ook aanvullen om een coherente groep van voorwerpen te vormen voor communicatie over en weer met de omgeving [17]. Onderzoeksthema’s en ontwerpvrijheden van coöperatieve objecten liggen op gebied van de controle, de onderlinge wisselwerking, de draadloze communicatie, het vermogen zich ad-hoc te organiseren en de dynamische aspecten. Intelligentie, energiebronnen, communicatie en miniaturisatie vormen de vier significante poten voor coöperatieve objecten. Het leveren van vermogen aan vaste systemen is relatief eenvoudig. Bij mobiele apparaten is dit echter niet het geval. Zo moeten de batterijen van de mobiele apparaten periodiek opgeladen worden. Opladen van batterijen is in sommige situaties en toepassingen niet mogelijk onder andere bij sensoren voor het (automatisch) meten en volgen van omgevingsparameters. Coöperatieve objecten moeten gedurende een lange periode kunnen overleven om hun gemeenschappelijke doel te verwezenlijken. Daarom zijn vermogensefficiënte architecturen and protocollen noodzakelijke onderzoeksgebieden voor het energie-efficiënt uitrollen van deze sensornetwerken. Het implementeren van een “slaapstand” voor het radiosysteem is een voor de hand liggende maatregel [18]. Het ontwerpen van computerefficiënte algoritmen, optimalisatie van het zendvermogen en/of het gebruik van “smart” antennes zijn de recente onderzoeksgebieden om de energieconsumptie in draadloze communicatie te reduceren. Regeling en optimalisatie van het zendvermogen voor een verbinding tussen zender en ontvanger in draadloze netwerken heeft drie hoofddoelstellingen namelijk het nabije-verre probleem adaptief te optimaliseren, interferentie met nabuurkanalen minimaliseren en de systeemprestaties verbeteren op kanalen met “fading” [19]. Gezien het feit dat Vertrouwelijk
Pagina 5
24 december 2009
de meeste draadloze apparaten op batterijen werken, werd het idee om TCP (“Transmission Control Protocol”) te gebruiken om energie te besparen een populair onderzoeksonderwerp. TCP is een protocol dat veel gebruikt wordt op het Internet en is een connectiegeoriënteerd protocol. Dit in tegenstelling tot verbindingsloze protocollen zoals UDP en GRE. TCP heeft als kenmerken dat het gegevens in een stroom kan versturen, waarbij de garantie wordt geleverd dat de gegevens aankomen zoals ze verstuurd werden, en eventuele communicatiefouten, zowel in de gegevens zelf als in de volgorde van de gegevens kunnen worden opgevangen. Hierdoor hoeft een gebruikersapplicatie die TCP als transmissieprotocol gebruikt, geen rekening te houden met de onderliggende netwerkarchitectuur en eventuele fouten in de communicatie. TPC vervult ook andere vermogensbeheerstaken, zoals het zetten van de draadloze apparaten in de slaapstand. TCP vereist nauwkeurige schatting van de kwaliteit van de verbinding. Door middel van de smart antennes wordt het mogelijk gemaakt om direct de radiobundel naar de optimale positie voor de gewenste gebruiker te leiden dusdanig dat het kanaal wordt geoptimaliseerd. Elektromagnetische (EM) straling is een andere zorg met betrekking tot de duurzame draadloze technologieën. De toename van het aantal draadloze entiteiten resulteert in een hoger niveau van elektromagnetische stralingsbelasting tenzij maatregelen als boven omschreven worden ingezet om het zendniveau te beperken. Technologieën die zeer grote bandbreedtes vragen, zoals ultrawideband systemen, kunnen het ruisniveau in een breed spectrum laten stijgen. Vermogensregeling door TCP zal de elektromagnetische blootstelling reduceren en de “vreedzame co-existentie” van diverse radiostandaarden verhogen. De volledigheid gebied te melden dat het effect van blootstelling aan elektromagnetische een omstreden onderwerp is, waarbij verschillende onderzoeken elkaar tegenspreken. Zoals gedefinieerd in [20] zal voor een omni-directionele antenne de meeste straling geabsorbeerd worden door het menselijk lichaam. Directionele antennes bundelen de energie en zijn dus potentieel gevaarlijker tenzij adaptieve regeling van het zendvermogen wordt toegepast. Duurzaamheid en zorg voor de omgeving gaan dan hand in hand. iv. Samenvatting In dit hoofdstuk zijn een aantal mogelijkheden aangegeven om draadloze systemen meer duurzaam te maken. Het betoog heeft zich toegespitst op het verminderen van de energiebehoefte van de draadloze systemen zelf. Gebleken is dat vermindering van de afstand tussen zender en ontvanger een belangrijk wapen is in het streven naar meer duurzame mobiele communicatie. Gebruik van duurzame materialen is niet ter sprake gekomen, maar is vanzelfsprekend ook een element in duurzaamheid. Omdat de ICT-sector verantwoordelijk is voor ongeveer 2% van het mondiale energieverbruik, waarvan de draadloze communicatie ongeveer 20-40% voor haar rekening neemt, moet het effect van besparingen binnen draadloze systemen niet worden overschat. Wel geldt dat deze systemen een bijdrage kunnen leveren aan het verminderen van de energieconsumptie in de overige 98% van de toepassingen. Hierbij kan ICT in zijn algemeenheid en draadloze communicatie in het bijzonder een belangrijke bijdrage leveren. De Europese Gemeenschap (EG) heeft zeer hoge ambities op het gebied van energiebeleid. Als EG-doelstellingen zijn geformuleerd een 20% afname in de emissies van kooldioxide en een overschakeling naar duurzame bronnen tegen het jaar 2020. Dit is slechts een eerste stap in de goede richting. Het streven is om in het jaar 2050 in Europa 80% reductie in CO 2-emissie te behalen en daarmee CO2 neutraal te worden. Om dit ambitieniveau te bereiken, dienen alle betrokkenen een belangrijke inspanning te leveren. Niet alleen industriële partijen maar ook de gemiddelde burger moeten een belangrijke inspanning leveren in duurzame energiemiddelen en duurzame communicatie.
Vertrouwelijk
Pagina 6
24 december 2009
