Comgreen IT2Green Project REPORT - Energy Agency · PDF fileComgreen IT2Green Project REPORT A...
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Comgreen IT2Green Project REPORT
A Summary
Last Update 2013-01-30
Steffen Bretzke
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Invitation
› Welcome!
› Project Results, Demos and Discussions
› Cebit Hannover
› Hall 9, Booth G50
› BMWi
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Agenda
› Background
› Work Packages
› Results and Recommendations
› Demonstrator Hetnet Optimisation
› Project Continuation
› Massnahmen der Deutschen Telekom
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Partners Name Key Project Members Location Organisation
Hans Joachim
Einsiedler Nico Bayer, Lars Kollecker Berlin, Darmstadt
Deutsche Telekom
AG
Steffen Bretzke Jörg Aelken, Laetitia Falconetti Aachen Ericsson GmbH
Prof. Dr. Holger
Karl Frederic Beister, Martin Draexler Paderborn
Universität
Paderborn
Prof. Dr. Axel
Küpper Abdulbaki Uzun, Sebastian Göndör Berlin TU Berlin
PD Dr.-Ing. habil.
Slawomir
Stanczak
Emmanuel Pollakis, Benjamin
Schubert Berlin
Fraunhofer-Institut
für
Nachrichtentechn
ik, Heinrich-
Hertz-Institut
(HHI)
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NEXT STEPS
› Successful extension secuted until April 2014
› Same partners and work packages
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Arbeits pakete
AP1: Szenarien- und
Geschäftsmodell-getriebener
Systementwurf
AP 2: Heterogene
Multi-RAN
AP 3: Dynamische Optimierung
von Kern- und Transportnetz-
funktionen
AP4: Implementierung und
Konzeptevaluierung in einem
Testbed
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AP2 Heterogene Multi-RAN
› Annahme
– Für Zeiten mit hohem Kommunikationsbedarf wird im Funkzugang
eine hohe Kapazität (kleine Funkzellen) bereitgestellt, die in Zeiten mit
geringem Bedarf redundant ist.
› Ansatz:
– Bedarf vorhersagen
– Kapazität anpassen („optimale“ Technologie auswählen)
– Funkzellen dynamisch ab- und zuschalten.
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AP 2: Methoden
› Homogene Infrastruktur
– Spektrumsaggregation
– Koordination von Pico- und Makrozellen, Beamforming
› Multi-RAT
– Selbstorganisation von Femto-Basisstationen in lokal abgegrenzten
Gebieten
– Dynamische Konfiguration im funkbasierten Zugangsnetz
– Funkbasiertes Backhauling
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RESULTS › Description of mechanisms
– Sleep modes in heterogeneous networks
– Carrier Sleep Mode
– Macro cell sleep mode in Multi-RAT environments
– Bandwidth Expansion Mode
– Backhaul optimization
– Network Element deactivation Single-RAT
– Network Component deactivation Multi-RAT
› Enabling Techniques
– Context Management
– OpenMobileNetwork – A Linked Open Dataset
– Performance Analysis of the OpenMobileNetwork
– Preliminaries and Requirements
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Algorithms 1
› HetNet Sleep Modes
– Micro Discontinuous Transmission (DTX) is a sleep mode technique,
introduced in EARTH project, suitable for Orthogonal frequency-division
multiplexing (OFDM) based system such as LTE.
– The idea is to deactivate the power amplifier of a LTE base station (BS)
during empty OFDM symbols.
– Pico nodes in a heterogeneous network can reach a deeper sleep mode, in
which not only the PA but also the RF and BB components of a pico node
are deactivated. The inactive state here is assumed to last in the order of a
few hundred milliseconds.
› PA = power amplifier, RF = radio frequency transceiver,
BB = baseband unit
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Algorithms 2
› Carrier Sleep Mode
– Switch off redundant cells to save energy, and re-activate when needed.
– At least one carrier per sector will remain activate, ie base stations cannot be shut
down completely. Not possible to switch from 3-sector to omnidirectional antennas,
either.
– The bandwidth of the neighbor carriers determine the carriers to switch on/off .
– Carrier frequency and individual user traffic load and/or user position are not
considered.
– It is possible to ignore the frequency because the selected network has small inter-
site distances (ISD), and the carriers on the remaining frequencies provide sufficient
coverage.
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Algorithms 3
› Macro Cell Sleep Mode
(Multi RAT) – Main idea:
Switch on/off hardware components
based on the actual capacity demand in the network.
– Hardware components to be switched could be carriers, sectors or the
whole base station.
– Left: un-optimized network with all base stations, all sectors and all carriers
switched on.
– Right: re-configured network with reduced capacity by switching off parts of
the hardware components.
GSM+UMTS BS
GSM BS GSM cell UMTS cell
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Bullets level 2-5
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Algorithms 4
› Bandwidth Expansion
Mode
– Aims to reduce the power consumption
of a base station by exploiting available
resources in a lightly loaded system.
– Objective is to keep the overall
transmission rate constant.
– Idea is to trade bandwidth for transmission power.
– Transmit power reduction changes the receive quality at the cell edges and
the interference from and to neighboring cells.
expansion mode is explained in more detail.
Regular mode
Bandwidth expansion mode
(BEM)
Normal transmit power
Reduced transmit power
Slide title
44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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Algorithms 5
› Backhaul Optimisation
– Broadband infrastructure for the wireless
backhaul is implemented in parallel to an
always-on wide-area network such as a
3G/UMTS or 4G/LTE.
– Purpose of the wireless backhaul to provide high bandwidth connectivity to micro-
cells in dedicated areas (such as a farm or a town in a rural area).
– Macro cell of the wide-area network is necessary to provide base connectivity
everywhere and is used for signaling and low-bandwidth transmissions.
– Key questions for the reduction of the energy consumption of the wireless backhaul
include
How to reduce hardware energy consumption
Measure end-user impact
How to trigger the modification and minimize user impact
Home GatewayHome Gateway
Macro Cell network
Internt
Wireless BackhaulWireless Backhaul
Wireless Backhaul GatewayWireless Backhaul Gateway
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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Algorithms 6
› Base Station Deactivation
– Node deactivation for Single-RAT systems using
algorithms based on techniques successfully applied
in sparse signal reconstruction, statistical estimation
and portfolio optimization.
Analytical justification for their good performance.
– Objective: turn off as many nodes as possible and only run parts required for QoS
– Mathematical sense: a combinatorial problem of selecting the set of nodes with the
smallest sum energy consumption constrained by QoS requirements from users and
network.
– Refine the combinatorial problem for different technologies – namely LTE and UMTS
– and present a method to find good solutions to it.
– Concentrate on centralized schemes using a central unit which has complete
information about the user distribution, the channels from the users to all base
stations and the performance limitations of the base stations.
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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text in the footer area Comgreen 2013 | Public | © Ericsson AB 2013 | 2013-01-28 | Page 16 16
EVALUATION
16
Simulator
Algorithms
HetNet Sleep Modes
Carrier Sleep Mode
Macro cell Sleep Mode
(Multi RAT)
Bandwidth Expansion Mode
Backhaul Optimization
Base Station Deactivation
Scenarios
Rural Stadium
Regular City
Business
Power Model
Metrics
data rate
consumed power
Output
Power / Area
Energy / bit
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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text in the footer area Comgreen 2013 | Public | © Ericsson AB 2013 | 2013-01-28 | Page 17 17
COMPARISON
17
Technology Potential Dynamicity Granularity Integratibility
Hetnet Pico Node
Sleep Mode 3 4 5 4
Carrier Sleep Mode 3 4 3 6
Bandwidth
Expansion Mode 4 3 5 4
• Potential – anticipated potential for energy savings
• Dynamicity – How fast does the technology react on changes in traffic demand
• Granularity – How flexibly can the operator adapt the capacity using this mechanism
• Integratibility – Indicates the effort required to integrate the mechanism into the
network
Slide title
44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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Recommendations › Components must be designed to support frequent switching on/off.
› Sleep Modes in Heterogeneous Networks requires that the macro node is
able to control (activate / deactivate) the pico nodes in its vicinity.
– The X2 interface, which allows communication among several nodes, may need to be
extended to enable the pico node activation by the macro node.
› Carrier Sleep Mode can be applied in scenarios of multiple frequencies.
– Energy saving is only possible if different radio units are used for each carrier.
› Bandwidth Expansion Mode is trading bandwidth for transmit power. The
base station should therefore be able to control the output power of the
power amplifiers.
– The better its energy consumption scales with its output power (i.e., the lower its offset
power consumption) the more energy can be saved.
› Backhaul optimization: triggering sleep mode on a node is easy to
implement, waking-up is trickier if the complete node was sent to sleep.
– Requires component waiting for the signal and able to resume the node. It is possible to
resume the node by power-up, so the resume can be initiated by an external device
(modem) that is able to resume power-supply. 18
Slide title
44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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NEXT STEPS
› Successful extension secured until April 2014
› Same partners and work packages
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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WP2 Radio ACCESS
› Optimierung in Funkzugangsnetzen
› Zusätzliche Konzepte und Mechanismen, die den
effizienten Betrieb sowohl einzelner als auch mehrerer
Funktechnologien in Kombination ermöglichen und über
die Ansätze in der ersten Phase von Comgreen
hinausgehen.
› Zwei Themen
– Optimierung der Sendecharakteristika, um die Datenübertragung
auf der Funkebene energieeffizienter zu gestalten
– Zwischenspeicher-systeme untersucht werden, um mit Hilfe von
Dienstplanung Daten zu „günstigen Zeiten“ zu übertragen.
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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WP3 SDN
› Software-Defined Networking zur
Energieeffizienzsteigerung
› Neue Aktivität 3.5
› Untersuchung von SDN und SON in Mobile-Backhaul-
Netzen, um konkrete Ideen und Konzepte zu entwickeln,
wie in dieser Architektur Energieeffizienz-Aspekte mit
möglichst geringen Änderungen an den Protokollen
eingebaut werden können.
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
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ΆΈΉΊΌΎΏΐΑΒΓΕΖΗΘΙΚΛΜΝΞΟΠΡΣΤΥΦΧΨΪΫΆΈΉΊΰαβγδεζηθικλνξορςΣΤΥΦΧΨΩΪΫΌΎΏ
ЁЂЃЄЅІЇЈЉЊЋЌЎЏАБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯАБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯЁЂЃЄЅІЇЈЉЊЋЌЎЏѢѢѲѲѴѴҐҐәǽẀẁẂẃẄẅỲỳ№
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WP4 Test Beds, Demos
› Konzeptevaluierung in einem Testbed/Demos/Implementierung
› Testen der Verfahren aus WP2 und WP3
› Umsetzung in Modellen, Simulatoren und Demonstratoren. Ziel ist es konkrete Aussagen zu gewinnen, welche Verfahren das größte Einsparpotential erreichen können.
› Die Arbeitspakete 2 und 3 werden dabei die Hauptarbeit der Protokollentwicklung leisten und simulationsbasierte Leistungsbewertungen durchführen; experimentelle Arbeiten werden in Arbeitspaket 4 konzentriert.
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44 pt
Text and bullet level 1
minimum 24 pt
Bullets level 2-5
minimum 20 pt
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ΆΈΉΊΌΎΏΐΑΒΓΕΖΗΘΙΚΛΜΝΞΟΠΡΣΤΥΦΧΨΪΫΆΈΉΊΰαβγδεζηθικλνξορςΣΤΥΦΧΨΩΪΫΌΎΏ
ЁЂЃЄЅІЇЈЉЊЋЌЎЏАБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯАБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯЁЂЃЄЅІЇЈЉЊЋЌЎЏѢѢѲѲѴѴҐҐәǽẀẁẂẃẄẅỲỳ№
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Thanks
› Fragen, Kommentare, Anregungen
› sind willkommen!
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T-MOBILE 1
› http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/kunden/klima-und-umweltfreundliche-
produkte-dienste
› Energieeinsparungen international:
http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/klima-und-
umwelt/klimaschutz/energiemanagement
› Konkrete Massnahmen wie Austausch alter Stromfresser oder komplette
Abschaltung werden z.B. hier beschrieben:
http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/netze/umweltfreundliche-
netzinfrastruktur/netzmodernisierung/?sr=1#atn-145-751,atn-145-752,atn-145-
753,atn-145-754,atn-145-755,atn-145-3790
› Eine frühere Massnahme wird hier (auf Englisch) berichtet:
http://www.telekom.com/corporate-responsibility/climate-and-
environment/mobile-ommuniation-and-safety/61446
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T-MOBILE 2
› Austausch alter 2G-Netztechnik
– Am 4. September 2011 startete der größte Austausch (engl. Swap) von
Systemtechnik in der Mobilfunk-Geschichte der Deutschen Telekom: die Umrüstung
alter 2G/GSM-Technik von Alcatel-Lucent auf modernste Huawei-Technik. Insgesamt
sollen in Deutschland rund 12 000 Mobilfunk-Standorte umgerüstet und mehr als die
Hälfte der alten 2G/GSM-Anlagen ausgetauscht werden. Die Zahl der Standorte der
Controller (Steuereinheiten) für Basisstationen soll in diesem Zuge von 256 auf 13
reduziert werden.
– Durch diese Modernisierung wird die Grundlage für eine zukunftssichere
Technologieplattform geschaffen, die nicht nur für den LTE-Ausbau geeignet ist,
sondern langfristig den gemeinsamen Betrieb aller Mobilfunk-Generationen (2G ,
3G und 4G/LTE) mit derselben Hardware ermöglichen wird. Dies soll zukünftige
Investitionen erübrigen und Betriebskosten reduzieren. Nebenbei wird die 2G-
Netztechnik IP-fähig und unterstützt damit auch die zukünftigen Anforderungen des
Festnetzes (All-IP ).
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T-MOBILE 3 › Modernisierung von 3G-Basisstationen
– Im September 2011 konnten wir das Modernisierungsprojekt „UltraSite Swap" erfolgreich
abschließen. Im Rahmen dieses Projekts haben wir an rund 3 100 Basisstationen die veraltete
3G-Technik der ersten Generation gegen effiziente Systemtechnik der neuesten Generation
ausgetauscht. Neben der Verbesserung der Datenübertragung, die eine bundesweite Aktivierung
von HSPA+ mit einer Bandbreite von 42 Mbit/s ermöglichte, erzielten wir damit eine
Stromersparnis von circa 8 000 kWh pro Jahr und Basisstation. Insgesamt erbrachte das Projekt
eine Ersparnis von 24,8 GWh/a.
› Projekt „Best Power“ – Das schnelle VDSL-Netz basiert auf Glasfaserkabeln. Einzelne Netzkomponenten werden in
Multifunktionsgehäusen – im Stadtbild als graue Kästen deutlich erkennbar – verbunden. Um die
Energieeffizienz der Technik in den Multifunktionsgehäusen noch weiter zu erhöhen und
Leistungsverluste zu verringern, haben wir 2011 das Projekt „Best Power" initiiert.
– Im Fokus des Pilotprojekts stehen sowohl die Auswahl von Netzgeräten mit möglichst hohem
Wirkungsgrad als auch die Steigerung der Energieeffizienz der Systemtechnik. Mit den zu
erwartenden Energieeinsparungen wollen wir sowohl den CO2-Ausstoß als auch die
Betriebskosten senken. Belastbare Ergebnisse werden erst nach einem Feldtest Ende 2013
vorliegen, da ein Teilprojekt von „Best Power" in Verbindung mit dem Projekt „DESI" steht.
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T-MOBILE 4
› Task Force „Power Off“ – Im Jahr 2011 konnten wir basierend auf den Maßnahmen der Task Force
„Power Off" nicht mehr benötigte technische Anlagen mit einer Leistung von
insgesamt 4 286 kW außer Betrieb nehmen.
– Die damit realisierte Energieeinsparung entspricht einer Einsparung von 16
564 Tonnen CO2 pro Jahr.
› Moderne Mobilfunk-Infrastruktur bei Crnogorski Telekom – Mitte 2011 startete die montenegrinische Crnogorski Telekom ein
Modernisierungsprogramm für ihre gesamte Mobilfunk-Infrastruktur.
– Ein Pilotprojekt in der Stadt Bar, bei dem alle Dienste auf eine einheitliche
Plattform überführt wurden, zeigte eine Verbesserung der Netzwerkqualität.
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Arbeitspaket 1
› Verzögerungstolerantes Dienst-Scheduling als Mittel für
Energieeffizienzsteigerung
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Arbeitspaket 2
› Antennenabstrahlwinkel und Leistungsbudget Optimierung
– Antennenabstrahlwinkel und Leistungsbudget Optimierung für
höhere Dienstgüte bei geringerem Energieverbrauch
– Entwicklung von Algorithmen, die Antennenabstrahlwinkel und
Leistungsbudgets an die vorherrschenden Anforderungen anpassen
– Anpassung des Abstrahlwinkels zur
Verbesserung der Signalqualität in
Regionen mit Abdeckungslücken