MOBIL HÁLÓZATOK ENERGIAHATÉKONYSÁGA.

Átírás

1 2011. augusztus 31., Budapest MOBIL HÁLÓZATOK ENERGIAHATÉKONYSÁGA.

2 Áttekintés Energiahatékonyság kérdése: terminál és hálózat Általános globális jellemzők ICT szektor, mobil hálózati szektor Várható trendek Energiahatékonyság jellemzése Jellemző metrikák A fogyasztás összetevői A javítás mikéntjei Alternatív források Hardware Fejlett hálózati képességek

3 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, 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

4 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, 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

5 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. 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?

6 Az ICT szektor fogyasztása Nehéz megbízható 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

7 Az ICT szektor fogyasztása Szolgáltatói infrastruktúra és adatközpontok, szerver farmok: A világ elektromos energia fogyasztásának 3 %-a Kb % -os növekedés évente 2030-ig az elektromos fogyasztás világszerte megduplázódik, javarészt az ICT szektor miatt A globális CO2 kibocsátás 2-3 % -a, az ICT berendezések teljes 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

8 Az ICT szektor fogyasztása Éd Érdekességek k USA adatközpontok, szerverek: 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 km-t Világ: becslések szerint az USA szor 2 Minden korábbi becslés hamar elavul, mert pl.: India, Kína Pl ban még senki nem gondolta volna, hogy PC helyett inkább Ipadet vesznek az emberek 8

9 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 Operation of end- 400 user equipment million ton CO 2 -eq Network operation Manufacturing & business overheads 0 PC industry Data centers Fixed telecom Mobile telecom 9

10 Az ICT szektor fogyasztása Cellás mobil hálózatok A világ áramfogyasztásának kb. 0.5 % -áért felelős A mobil hálózatok fogyasztásának kb. 1% -a a készülékek 99 % -a a hálózat Mobil internet elterjedésével ha a laptopokat is számítjuk, akkor nagyobb arány jut a készülékekre A mobil hálózat fogyasztásának 80 % -a rádiós hozzáférési hálózatban A bázisállomások tulajdonképpen Összegezve: a világ villamos energiájának 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 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 márciusi napon hazánkban 11 km2 -t 10

11 Az ICT szektor fogyasztása Cellás mobil hálózatok: egy userre eső átlagos CO2 szennyezés, ,0 16,0 Data centres & transport 14,0 Operator activities kg CO O2-eq / subyea ar 12,0 10,0 8,0 6,0 Energy Energy consumption consumption of RBS sites of RBS sites Diesel consumption Electricity consumption Construction & HW manufacturing Charging and stand-by 4,0 2,0 0,0 Mobile device RBS sites Operator activities (incl. core) Data centres & transport Mobile device transport Mobile device manufacturing 11

12 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 szigetelése, autók fogyasztásának á csökkentése, stb stb Másik motiváció az energiahatékonyság növeléséhez: A villanyszámla csökkentése Jelenlegi trendek (árak, fogyasztás) mellett a bázisállomások energiaköltsége globálisan kb. megháromszorozódik tíz év alatt 12

13 Az energiahatékonyság jellemzése Alapvetően: Elfogyasztott energia (E), mértékegysége Joule (J) Teljesítmény: időegység alatt felhasznált energia (P): Watt (W) de Tehát P = dt 1 J = 1 W 1s 1kWh = J Hatékonyság hatásfok! P hasznos Hatásfok: η = Pbe Phasznos P be 13

14 Az energiahatékonyság jellemzése Cellás mobil hálózatok energiahatékonyságáról beszélünk Energiahatékonyság: Jellemezze e az elfogyasztott energiát és a nyújtott szolgáltatást, vagy a hálózatot Energiahatékonysági mérték kell Elfogyaszott energia: ez jól definiálható és mérhető egy adott hálózati elemre vagy szegmensre 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

15 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 (km 2 ) Kiszolgált előfizető (darab) Spektrumhatékonyság: bps/hz 15

16 Az energiahatékonyság jellemzése Leggyakrabban használt metrikák: Egy előfizető kiszolgálásához szükséges átlagos hálózati teljesítmény: 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/km 2 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

17 Az energiahatékonyság jellemzése Leggyakrabban használt metrikák: Egy bit átviteléhez mennyi energia szükséges 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 ) Ezt jellemzi: egy bps átviteli sebességhez mekkora teljesítményt kell felhasználni bps/w, vagy a reciproka is használt W/bps Látható: bps W = bit s J s = bit J Mi a bps??egy user link sebessége, átlagos cellakapacitás, hálózatrész átlagos átvitele, stb. 17

18 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 bps Hz Vagy a reciproka bps W Hz Ez természetesen az előzőek alapján J Hz Egy Hz sávszélességet használva, 1 J energiával hány bitet tudunk átvinni bit 18

19 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 eszközök ök standby fogyasztása A bázisállomás(ok) fogyasztása 19

20 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 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, közös fogyasztással Ez is forgalomfüggő 20

21 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 tápfeszültég (veszteség) Ezt az egységet hűtik (fogyaszt) Ennek hatása makro bázisállomásoknál jelentős Ezt pedig a fő tápegység AC-DC konverzióval táplálja 21

22 A fogyasztás összetevői Antenna interfész 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 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

23 A fogyasztás összetevői Af fogyasztás összetevői max. kimenő ő teljesítménynél él Macro PA Main Supply DC DC RF BB Cooling Micro PA Main Supply DC DC RF BB 6% 6% 13% 8% 10% 57% 38% 9% 7% 8% 38% Pico PA Main Supply DC DC RF BB Femto/Home PA Main Supply DC DC RF BB 41% 14% 26% 8% 11% 47% 12% 22% 8% 11% 23

24 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

25 A bázisállomás fogyasztása P sum = n ( P κ P P 0 + Pout ), out max Ahol n a TRX láncok száma (antennák száma), P 0 a statikus fogyasztás, P out a kimenő teljesítmény per antenna Tipikus értékek 10 MHz sávszélességet használó LTE bázisállomásokhoz pl: Pmax = 40 W, P0=120W, K=2.5? 25

26 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

27 A bázisállomás fogyasztása Aktuális példák Tehát pl 3*40 W (120W) adóteljesítményű UMTS bázisállomás kb 1.5 kw-ot fogyaszt! 120/1500 = 0,08 a teljesítmény hatásfok De még így is csak egy gyengébb hajszárító 27

28 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, Alcatel-Lucent: Evolium BTS TRX Edge TRX 2004 Edge+TRX MP & HP TWIN TRX MC-TRX

29 Mit lehet tenni? Na jó, de mit lehet tenni a kisebb fogyasztású hardverek összeszerelésén túl? Hardver megoldások, rádió-specifikus Mobil hálózat erőforráskezelés, hálózat menedzsment és telepítés megoldásai 29

30 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 10 ms szakaszokban nincs forgalom 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

31 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: 31

32 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

33 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 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 Tervezési ökölszabály eddig: a min számú bázisállomás áll á kell Ez energiahatékony is Kihívás: mennyi és hova kell, ha tudjuk, hogy hálózatmenedzsment, illetve erőforrás menedzsment eljárásokkal adaptálódik is a forgalomhoz? 33

34 Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért Hálózat menedzsment: Mit lehet átkonfigurálni, változtatni perc-óra időskálán? Szektorok, cellák, vivőfrekvenciák le/felkapcsolása Szektorsugárzók iránya, dőlésszöge (-> változik a fizikai ik i topológia) 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 é dukál a kétszeres adóteljesítmény is (ami a kétszeresnél jóval nagyobb kapacitás növekmény, feleslegesen)) 34

35 Hálózati megoldások az alacsony fogyasztásért Összegezve: A forgalom több időskálán nézve is változékony Optimális megoldás: 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