Energetski učinkovite bežične komunikacijske mreže

Seminar znanstvenih

novaka 2013–dani FESB-a

doc. dr. sc. Josip Lörincz

FESB, Sveučilište u Splitu

Sadržaj

2

1. Uvod

2. Problem potrošnje energije bežičnih mreža

3. Potrošnja energije baznih postaja

4. Obnovljivi izvori energije – zelene bazne postaje

5. Energetski učinkovito upravljanje radio resursima

6. Zaključak

6. Međunarodne aktivnosti i suradnja

Uvod

3

• Tijekom posljednjih desetljeća možemo svjedočiti porastu primjene bežičnih mreža razvijanih sa ciljem da osiguraju: • nove usluge (govor, SMS, MMS, podatci, aplikacije,…) • pokrivenost, • kapacitet, • poboljšanje kvalitete postojećih usluga (QoS), • …

• Međutim: potrošna energije bežične mrežne infrastrukture telekom operatera nije uzimana u obzir!

Zeleno umrežavanje

4

• U današnje vrijeme postoji usuglašenost između: akademije, proizvođača opreme i operatera u pogledu potrebe za poboljšanjem energetske učinkovitosti mreža

• Visoka razina usuglašenosti je posljedica:

velikih troškova koje operateri plaćaju za potrošenu energiju (engl. Operational Expenditures - OPEX)

negativnog utjecaja (implikacija) na okoliš (ekologija)

• Rezultat toga je novi globalni termin koji je poznat pod nazivom “Zeleno umrežavanje” (“Green networking”)

• Ukupnoj potrošnji energije dodatno doprinosi ugradnja nove opreme koja imaju za cilj osigurati bolju kvalitetu usluge ili ponuditi potpuno nove usluge

Troškovi za potrošenu energiju

5

• Prema statistikama jedinična cijena energije koju plaćaju industrija i domaćinstva je

u stalnom porastu Izvor: Eurostat

• Približno 3% (600 TWh) ukupne svjetske potrošnje energije otpada na ICT • Telekomunikacijska oprema troši 1/3 ukupne potrošnje ICT-a (1

% ukupne svjetske potrošnje energije) • Polovina potrošne energije telekomunikacijske opreme odlazi

na energiju koju troši infrastruktura mobilnih operatera

• U razvijenim zemljama veliki mobilni operateri spadaju među prvih 5 najvećih potrošača u zemlji (npr. Telecom Italia 2 potrošač u zemlji odmah iza talijanskih željeznica)

0,0600

0,0700

0,0800

0,0900

0,1000

0,1100

0,1200

0,1300

0,1400

0,1500

0,1600

0,1700

0,1800

July 2005 January

2006

July 2006 January

2007

July 2007 January

2008

July 2008 January

2009

July 2009

Uin

it e

lec

tric

ity

pri

ce

(e

ur/

kW

h)

Households EU-27 Industry EU-27

Ekološke implikacije

J. Lorincz: Renewables-challenges of the 21st century-new technologies

6

• Uzimaju u obzir emisiju stakleničkih plinova • U 2007 ICT sektor je doprinio sa 2-2,5% ukupnoj emisiji stakleničkih plinova:

• premašuje godišnju emisiju zrakoplova • Porast emisije telekom infrastrukture je procijenjen na 5% godišnje

u 2020 udio bi bio oko 25 % godišnje

• Od tog udjela mrežni uređaji u mobilnim mrežama bi doprinosili sa 51 % (13% od ukupne emisije ICT-a)

Izvor: H. Toure, “SMART 2020: Enabling the low carbon economy in the information age”, ©Creative Commons 2008 Attribution

Infrastruktura mobilnih operatera

7

Mobilni

terminali: •Visoka energetska učinkovitost •Baterijski napajani uređaji • Do 10% ukupne potrošne bežičnih mreža

Bazne postaje (radijska pristupna mreža) •Velika potrošnja - velik broj jedinica •80% ukupne potrošnje energije bežičnih mreža (primarno bazne postaje) •Redundantnost pokrivanja •Visoka dostupnost usluge

Jezgrena (eng. core) mreža

• Usmjernici, prospojnici, poveznici, optički elementi,…

• Pojedinačno mogu trošiti mnogo • Manji broj jedinica

Potrošnja energije baznih postaja • Prosječna makro bazna postaja (BS) troši između: 400 W i 3 kW • Potrošnja ovisi o: konfiguraciji (broj primopredajnika,

antena,…), starosti, tehnologiji (GSM, UMTS, LTE),… • Prosječna godišnju potrošnja jedne makro bazne postaje

iznosi 35 MWh (ekvivalent potrošnji 10 obiteljskih kućanstava)

Izvor: Nokia Semens Networks (NSN) 600 W

Potrošnja energije mobilnog operatera

9

• Radio pristupni dio mreže zajedno sa jezgrenom mrežom operatera troši 0.3 - 0.5% svjetske potrošnje energije

• U Hrvatskoj približno 3000 makro baznih postaja - troše oko 105 GWh godišnje

Karte pokrivenosti signalom T-mobile mreže (Izvor: T-HT d.d. Hrvatska)

Pokrivenost 2G signalom Pokrivenost 3G signalom

Potrošnja off-gird lokaliteta

10

• Bazne postaje koje nemaju napajanje iz el. mreže se napajaju iz diesel agregata trajno smještenih na lokalitetu (najčešće u kontejneru)

• Godišnja prosječna potrošnja diesel goriva po lokalitetu jedne bazne postaje iznosi oko 20000 l

• Godišnja prosječna emisija CO2 diesel agregata koji napaja lokalitet bazne postaje je oko 50 tona

• Na globalnoj razini postoji oko 640000 takvih baznih postaja (najveći broj u Africi i Aziji – dominiraju off-grid lokaliteti)

• Okvirna globalna godišnja potrošnja diesela je 12,8 milijardi l • Okvirna globalna godišnja emisija CO2 je 32 milijuna tona

Rješenja - obnovljivi izvori energije

11

• Hibridno napajana bazna postaja (zelene bazne postaje, engl. green base station): • energija sunca, vjetra ili energije sunca i vjetra, ili • energija sunca, vjetra i gorivih ćelija (eng. fuel cell)

• Potpuno autonomno napajanje iz obnovljivih izvora (ne postoji pomoćno napajanje iz el. mreže ili diesel agregata)

Optimizacija potrošnje energije • Prelazak na obnovljive izvore napajanja onih lokaliteta koji su

napajani iz el. mreže će ići sporije jer je: • trošak u formi dodatne investicije (povrat 5-10 godina) • on-grid lokaliteti u pravilu sadrže više jedinica baznih postaja da

zadovolje prometne kapacitete pa je i potrošnja veća • potreban sustav osiguranja kontinuiranog napajana iz obnovljivih

izvora energije veće snage (skuplji i zahtjevniji) • nepostojanje mjesta za stavljanje sustava obnovljivog izvora

energije na lokalitetima baznih postaja u urbanim sredinama

• Kao rješenje koje može dati velike uštede energije za on-grid (a i za off-grid) lokalitete je energetski učinkovito upravljanje mrežnim resursima koje podrazumijeva: • paljenje/gašenje djela ili cjelokupnih baznih postaja • prilagođavanje odašiljačke snage u nekom sektoru • prilagodba nagiba antene te odašiljačkih tehnika (MIMO)

Upravljanje mrežnim resursima

13

• Moguće je radi: • prostornih i vremenskih varijacija prometa u mobilnim mrežama

(dnevna aktivnost ljudi) • planiranja mreže prema najvećem opterećenju (engl. peak-hour) • planiranja mreže sa slojevima bežičnog signala koji se preklapaju

(2G, 3G, 4G signali dostupni na istoj lokaciji)

J. Lorincz, T. Garma, G. Petrovic, "Measurements and Modelling of Base Station Power Consumption under Real Traffic Loads" Sensors Journal, svezak 12, broj 4, travanj 2012, stranice: 4281-4310.

Utjecaj uvođenja novih baznih postaja

14

• Dodavanjem baznih postaja novih tehnologija (npr. 4G) poboljšava se energetska učinkovitost mreže operatera:

• smanjenje potrošnje po km2 pokrivene površine (W/km2) • prenošenje veće količine informacija po jedinici površine

pokrivanja za 1 J utrošene energije (kbit/J/km2 )

• Analiza provedena za različite kombinacije baznih postaja tehnologija: 2G, 3G i 4G instaliranih na istom lokalitetu

J. Lorincz, N. Dimitrov, T. Matijević, “Bit per Joule and Area Energy-efficiency of Heterogeneous Macro Base Station Sites”, Proceedings of the SoftCOM 2012, 2012.

Utjecaj upravljanja odašiljačkom snagom

15

• Uslijed promjena odašiljačke snage mijenja se i trenutna potrošnja snage bazne postaje

• veća odašiljačka snaga rezultira većom trenutnom potrošnjom i obrnuto

J. Lorincz, “Energy-efficient wireless cellular communications through network resource dynamic adaptation”, International Journal of Business dana Communications and Netwrking (IJBDCN), Svezak: 9, broj: 2, 2013, stranice: 1-14

Optimalno upravljanje resursima

16

• Princip dinamičkog upravljanja resursima • gašenje dijelova ili cjelokupnih baznih postaja u području

redundantnog pokrivanja signalom • gašenje u periodima kada je broj korisnika mali • prilagodba odašiljačke snage

• Kvaliteta usluge mora ostati nepromijenjena (pokrivenost, brzine, naplata, nadzor mreže, ….)

Analiza ušteda kroz upravljanje resursima

17

• Analiza provedena za područje od 9 km x 9 km za 3G sustave • 33 lokacije baznih postaja (crvene oznake) locirane u

urbanim, poluurbanim i ruralnim dijelovima (simulacija grada srednje veličine)

• Do 2880 pojedinačnih govornih korisnika (plave oznake) • Do 220 pojedinačnih podatkovnih korisnika (plave oznake)

Optimizacijski model

18

211111 )()()()( CTTxPTTyPCTTxPTTyPt j k

ttjktk

t

tt

j

jtj

t j k

ttjktk

t

tt

j

jtj

pHtmJjtjyxjt

k

jkt,...,1,,...,1:),(

0a:0dp,...,1Ht,n,...,1i:)t,i(1xaijktit

k

jktijkt

j

pHtlkmJjtkjc

wvd

jktIi z kz

ijktizit,...,1,,...,1,,...,1:),,(1

)(

1Bb1:b.t.s,0d,p,...,1t,n,...,1i:)t,i(1wxit

B

1bh

th

kh

ijtb

kb

j

bh,Bb1:b.t.s,0d,p,...,1t,n,...,1i:)t,i(xwitt

bk

bjt

hk

hij

bh,0d,p,...,1t,n,...,1i:)t,i(1wit

B

1h

th

kh

ij

pHtuSstsxbj k

jktsjk,...,1,,...,1:),(1

p,...,1t,m,...,1j1,0yjt

p,...,1t,l,...,1k,m,...,1j1,0xjkt

p,...,1t,l,...,1k,m,...,1j,n,...,1i1,0wijkt

Min

S. t.

Vizualizacija rezultata

19

J. Lorincz, A. Capone, D. Begusic, "Impact

of service rates and base station switching

granularity on energy consumption of

cellular networks", EURASIP Journal on

Wireless Communications and Networking,

2012 (342), studeni 2012, stranice: 1-44

Međunarodne aktivnosti

20

• Su-organizator zajedno sa Politecnico di Milano 3. specijalne sjednice (Special session on green networking and computing) u okviru konferencije SoftCOM2012 • prezentacija znanstvenih radova prikvačenih nakon organizirane

međunarodne recenzije, jedno pozvano predavanje, jedan tutorijal, jedno predavanje u okviru business foruma

• Uredništvo zajedno sa J. Wu (Bell Laboratories, China) i L. Liu (University of Kansas, USA) posebnog izdanja: Special issue on “Green networking and computing” međunarodnog znanstvenog časopisa IJBDCN • Sudjelovanje kao istraživač na FP7 projektu: “Establish Pan-European Information Space to Enhance seCurity of Citizens – EPISECC” • Sudjelovanje na COST projektu:

“Sustainable networking” (u postupku evaluacije)

Međunarodna suradnja

21

• Aktivna znanstveno-istraživačka suradnja ostvarena je sa sljedećim sveučilištima: • Politecnico di Milano, • Politecnico di Torino, • Universita di Roma (“La Sapienza”), • Imperial College London, • University of Manchester

Suradnja sa domicilnim tvrtkama

22

• Aktivna suradnja ostvarena je sa sljedećim tvrtkama: • Kron d.o.o., • Ericsson Nikola Tesla d.d., • T- Hrvatski Telekom d.d., • Vipnet Hrvatska d.o.o., • Nokia Siemens Hrvatska d.o.o.

Zaključak

23

• U proteklim godinama razvijena svijest o potrebi razvoja energetski učinkovitih bežičnih komunikacijskih mreža • Sudjelovanje u znanstveno-istraživačkim aktivnostima iz područja energetske učinkovitosti bežičnih mreža od 2010. godine rezultiralo: • 1 znanstvenom monografijom • 1 doktorskim radom • vođenjem 2 međunarodna projekta • objavom 5 radova u međunarodnim znanstvenim časopisima • objavom 4 znanstvena i 1 stručnog rada na međunarodnim

znanstvenim konferencijama • organizacijom 3 specijalna simpozija u okviru međunarodne

konferencije SoftCOM • održavanjem 1 pozvanog predavanja • članstvom u 16 tehničkih programskih odbora međunarodnih

konferencija posvećenih energetskoj učinkovitosti ICT sustava • + brojni radovi u procesu recenzije

• U budućnosti nastavak rada na izgradnji međunarodne prepoznatljivosti istraživačkog rada!

Pitanja? Hvala na pažnji!

24

Kontakt:

doc. dr. sc. Josip Lorincz

FESB, Sveučilište u Splitu

josip.lerinc@fesb.hr