ComGreen - Zwischenbilanz

ComGreen gehört zum IT2Green-Cluster „Telekommunikationsnetze“. Beteiligt sind die PartnerEricsson GmbH (Koordinator), die Universität Paderborn, die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., die Technische Universität Berlin sowie die Deutsche Telekom AG.

Das Projekt hat folgende Ziele

• eine Optimierung der Energieeffizienz von Mobilfunk- und Aggregationsnetzen
• die Entwicklung dynamischer Steuerungsmechanismen zur Adaption der Netzinfrastruktur
• den verbesserten Einsatz von Hardware
  

Energieeffiziente Optimierung heterogener Zugangsnetze

Übergeordnetes Ziel bei der Optimierung der heterogenen Zugangsnetze ist die Reduzierung des Energieverbrauchs von Mobilfunknetzen durch Anpassen der bereitgestellten Kapazität an den tatsächlichen Übertragungsbedarf. Dieser Übertragungsbedarf ist nicht gleichmäßig über der Fläche verteilt, vielmehr gibt es, beispielsweise auf Bahnhöfen und Flughäfen, Gebiete mit erhöhtem Bedarf. Dem wird durch die Installation von kleineren Mikro- oder Piko-Basisstationen Rechnung getragen, welche die Kapazität der Makro-Basisstation erhöhen, also einer größeren Anzahl an Nutzern mobile Dienste ermöglichen.

Da der erhöhte Übertragungsbedarf in der Regel nur temporär gegeben ist, können die kleineren Basisstationen in Zeiten geringer Last abgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Es stellt sich dabei die Frage, zu welchem Zeitpunkt die Ab- bzw. Wiedereinschaltung geschehen soll. Dazu werden Entscheidungsalgorithmen entwickelt, die auch die Tatsache berücksichtigen, dass der Prozess der Aktivierung bzw. Deaktivierung (Abb. 1) selbst ebenfalls Energie benötigt und nicht beliebig schnell erfolgen kann.

Ähnlich wie bei Basisstationen unterschiedlicher Größe verhält es sich bei Basisstationen unterschiedlicher Technologien, d. h. GSM, UMTS und zukünftig LTE. Auch diese decken einen überlappenden Bereich ab, so dass einzelne Zellen abgeschaltet oder in einen Energiesparmodus versetzt werden können, ohne die Grundabdeckung zu beeinflussen. Es müssen Entscheidungsschwellen festgelegt werden, die einerseits die Energieeinsparung maximieren, aber andererseits die Quality of Experience nicht oder nur wenig beeinträchtigen. Dieser Gegensatz ist exemplarisch in Abb. 2 dargestellt. Neben dem vollständigen Abschalten können Basisstationen auch in einen Energiesparmodus versetzt werden, bei dem sie noch betriebsbereit sind, jedoch eine geringere Kapazität bereitstellen. Auch hierzu laufen Untersuchungen in ComGreen.
Zunächst werden die Einsparmöglichkeiten und Auswirkungen der entwickelten Algorithmen anhand von Simulationen untersucht. Diesen Simulationen liegen Profile zugrunde, die exemplarisch das Nutzungsverhalten über den Tagesverlauf in verschieden Gegenden (ländlich, urban, etc.) modellieren. Weitere Modelle beschreiben das Übertragungsverhalten unterschiedlicher Basisstationsanordnungen sowie den Energieverbrauch der verschiedenen Basisstationstypen in Abhängigkeit von der Last.

In der Realität müssen die in den Simulationen getesteten Algorithmen ihre Entscheidung basierend auf aktuellen und vergangenen Informationen treffen. Je genauere Informationen vorliegen, desto besser kann die bereitgestellte Kapazität an den wirklichen Übertragungsbedarf angepasst und damit der Energieverbrauch reduziert werden. Dazu werden Verfahren entwickelt, die Informationen sowohl netzseitig als auch von Seite der Endgeräte erfassen , auswerten und den Entscheidungsalgorithmen zur Verfügung stellen.

Energieeffiziente Optimierung des funktionalen Mobilfunkkernnetzes

Bei der energieeffizienten Optimierung des funktionalen Mobilfunkkernnetzes werden neue Methoden entwickelt und evaluiert, die den Gesamtenergieverbrauch reduzieren sollen. Der Fokus liegt auf dem energieeffizienten Betrieb des funktionalen Kernnetzes für 3GPP- Mobilfunknetze der nächsten Generation (Long Term Evolution, LTE) – Evolved Packet Core (EPC). EPC definiert neue Funktionalitäten, die im Kernnetz implementiert werden müssen, um das LTE- Zugangsnetz zu betreiben. Zwei Hauptthemen werden im Rahmen dieser Aktivität untersucht: (a) die Reduzierung des Energieverbrauchs auf den physikalische Knoten, die EPC- Funktionen implementieren, sowie (b) die Reduzierung der Energie, die für den Datentransport durch die Netzwerke notwendig ist.

(a) Die auf funktionalen EPC- Elementen ankommende Last wird sowohl von Nutzerdaten als auch von dem Signalisierungsverkehr erzeugt. Die Netzwerklast hängt von der Nutzeraktivität ab, die über den Tagesverlauf stark variiert. Da die aktuelle Architektur des Mobilfunkkernnetzes aber auf maximal ankommende Last ausgelegt ist, gibt es für Situationen mit geringer Last (z.B. in der Nacht) erhebliches Energieeinsparpotential.

(b) Die EPC- Funktionalitäten werden in heutigen Kernnetzen statisch auf physikalischen Knoten implementiert. Somit bleiben die statische Platzierung und die Anzahl von Instanzen der EPC- Funktionen in dem Netzwerk konstant und unabhängig von der aktuellen Last des Kernnetzes. Somit wird der Daten- und Signalisierungsverkehr einer LTE- Basisstation immer über dieselben EPC- Knoten und dieselben Routen durch das Netzwerk transportiert. Unter bestimmten Umständen kann dies zu einer Überdimensionierung von Instanzen der EPC –Funktionalitäten, aber auch zu erhöhtem Verkehr durch das Kerntransportnetz führen, was die Energieeffizienz des gesamten Netzes reduziert.

Zur Lösung dieser Probleme werden 3GPP -Empfehlungen analysiert, evaluiert und weiterentwickelt. Für die erste Problematik werden Pooling und Virtualisierungsmethoden für die Umsetzung von EPC- Kontrollfunktionen angewandt, um nur aktuell notwendige Ressourcen der physikalischen Knoten zu belegen (Prozessorpower, Datenspeicher, Anzahl von Netzwerkschnittstellen, usw.). Diese Verfahren reduzieren den Energieverbrauch einzelner Instanzen der EPC -Funktionen, optimiert auf deren aktuelle Last.

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