Slajd 1

Транскрипт

1 Energetski učinkovite bežične komunikacijske mreže Seminar znanstvenih novaka 2013 dani FESB-a doc. dr. sc. Josip Lörincz FESB, Sveučilište u Splitu

2 Sadržaj 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. Međunarodne aktivnosti i suradnja 6. Zaključak 2

3 Uvod 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! 3

4 Zeleno umrežavanje 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 4

5 Uinit electricity price (eur/kwh) Troškovi za potrošenu energiju Prema statistikama jedinična cijena energije koju plaćaju 0,1800 industrija i domaćinstva je Households EU-27 0,1700 0,1600 u stalnom porastu 0,1500 0,1400 0,1300 Industry EU-27 Izvor: Eurostat 0,1200 0,1100 0,1000 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 5 potrošač u zemlji odmah iza talijanskih željeznica) 0,0900 0,0800 0,0700 0,0600 July 2005 January 2006 July 2006 January 2007 July 2007 January 2008 July 2008 January 2009 July 2009

6 Ekološke implikacije 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 J. Lorincz: Renewables-challenges of the 21st century-new technologies 6

7 Infrastruktura mobilnih operatera Mobilni terminali: Visoka energetska učinkovitost Baterijski napajani uređaji Do 10% ukupne potrošne bežičnih mreža Jezgrena (eng. core) mreža Usmjernici, prospojnici, poveznici, optički elementi, Pojedinačno mogu trošiti mnogo Manji broj jedinica Bazne postaje (radijska pristupna mreža) Velika potrošnja - velik broj jedinica 80% ukupne potrošnje energije bežičnih mreža (primarno bazne postaje) Redundantnost pokrivanja Visoka dostupnost usluge 7

8 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

9 Potrošnja energije mobilnog operatera Radio pristupni dio mreže zajedno sa jezgrenom mrežom operatera troši % 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 9

10 Potrošnja off-gird lokaliteta 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 l Godišnja prosječna emisija CO 2 diesel agregata koji napaja lokalitet bazne postaje je oko 50 tona Na globalnoj razini postoji oko 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 CO 2 je 32 milijuna tona 10

11 Rješenja - obnovljivi izvori energije 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) 11

12 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)

13 Upravljanje mrežnim resursima 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:

14 Utjecaj uvođenja novih baznih postaja Dodavanjem baznih postaja novih tehnologija (npr. 4G) poboljšava se energetska učinkovitost mreže operatera: smanjenje potrošnje po km 2 pokrivene površine (W/km 2 ) prenošenje veće količine informacija po jedinici površine pokrivanja za 1 J utrošene energije (kbit/j/km 2 ) 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,

15 Utjecaj upravljanja odašiljačkom snagom 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:

16 Optimalno upravljanje resursima 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,.) 16

17 Analiza ušteda kroz upravljanje resursima 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) 17

18 Optimizacijski model t j P y k j j jt ( Tt 1 Tt ) Pk x jkt ( Tt 1 Tt ) C1 Pj y jt ( Tt 1 Tt ) Pk x jkt ( Tt 1 Tt ) C t j k t j t j k 1,..., m, t H 1 p x y ( j, t) : j J,..., jkt jt k d a ijkt v iz c i I ( jkt ) z kz x w j k t b b ij k t h h B h 1 j w it B h b 1 x ij k t h h y jt x jkt w ijkt Min S. t. k b x w w j k t b b jkt ijkt 1 sjk ij k t h h x 1 jkt 1 1 (i,t ): i ( j, k, t) : (i,t ) :i (i,t ) :i (i,t ) :i 1,..., n, t H 1,...,p d 0 : a 0 j J 1,..., m, k 1,..., l, t H 1,..., p 1,..., n,t 1,...,p,d 0, s.t. b : 1 b B 1 it 1,..., n,t 1,...,p,d 0, s.t. b : 1 b B, h b it 1,..., n,t 1,...,p,d 0, h b it 1,..., u, t H 1,..., p 1 ( s, t) : s S 0,1 j 1,..., m, t 1,...,p 0,1 j 1,..., m, k 1,..., l, t 1,...,p 0,1 i 1,..., n, j 1,..., m, k 1,..., l, t 1,...,p it ijkt 18 2

19 Vizualizacija rezultata 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:

20 Međunarodne aktivnosti 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) 20

21 Međunarodna suradnja 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 21

22 Suradnja sa domicilnim tvrtkama 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. 22

23 Zaključak 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 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! 23

24 Pitanja? Hvala na pažnji! Kontakt: doc. dr. sc. Josip Lorincz FESB, Sveučilište u Splitu josip.lerinc@fesb.hr 24