Eksplosiv vekst i mobil Internett-trafikk kjører opp strømforbruket i nettverket, og fokuserer på nye teknikker for å forbedre energieffektiviteten i hele nettverket - spesielt i basestasjonen RF og basebandkrets

Ulempen med eksplosiv mobil data vekst

Den enorme populariteten til mobile enheter som smarte telefoner og nettbrett og skybaserte tjenester for næringsliv og personlig bruk, driver flere og flere abonnenter for å få tilgang til Internett via trådløse tilkoblinger.

Lasten på mobilnett øker raskt. Globalt blir ca 1,6 eksabyter mobildata generert per måned, ifølge Cisco's Visual Networking Index (VNI) rapport, og dette har en dramatisk effekt på strømforbruket på mobilnettverket.

I dag bruker operatørene omtrent 2 milliarder dollar i året for å drive nettene sine, og basestasjoner bruker en stor andel av budsjettet. Ifølge tall fra Vodafone står basestasjoner for nesten 60% av totalt strømforbruk i mobilnettverket, mens 20% forbrukes av mobilt bytteutstyr og rundt 15% av kjerneinfrastrukturen.

Lav effektivitet i RF- og basebandbehandlingstrinnene er hovedårsaken til basestasjonens relativt høye strømforbruk. IET har rapportert at en typisk 3G-basestasjon bruker omtrent 500 W av inngangseffekt for å produsere kun ca. 40 W utgangsfrekvens.

Varmen som genereres ved ineffektiv drift, må også fjernes, typisk ved hjelp av klimaanlegg, noe som legger videre til basestasjonens totale strømforbruk. Det typiske gjennomsnittlige årlige energiforbruket til en 3G-basestasjon er rundt 4,5 MWh.

Derfor for et 3G mobilnett som dekker et område som Storbritannia, som har rundt 12.000 basestasjoner, vil den totale energiforbruket være over 50GWh per år. Dette medfører en stor mengde CO2-utslipp, samt bidrar til nettets driftskostnader.

I utviklingsland er direkte strømforbindelser ikke alltid lett tilgjengelige. Ifølge Scientific American (Tweed, 2013) magasinet finnes det rundt 5 millioner basestasjoner globalt, hvorav 640.000 ikke er koblet til et elektrisk nett og drives i stor grad av dieseldrevne generatorer.

Kostnadene for drivstoff og transport, og de logistiske utfordringene som er involvert i å holde basestasjoner som opererer kontinuerlig, er høye.

Etter hvert som mobilbruk over hele verden øker, og 4G / LTE-utrulling samler tempoet i utviklede land, vil den trådløse datautfordringen fortsette å vise eksplosiv vekst. Derfor er kostnadene for strømforsyning og kjøling trådløse basestasjoner satt til å øke.

Selv om basestasjonseffektiviteten er kjent for å ha blitt bedre fra 3% i 2003 til 12% i 2009, er det behov for ytterligere betydelige forbedringer for å begrense det totale nettforbrukets strømforbruk og dermed tillate operatørene å påta seg kontroll over driftskostnadene.

Forbedre nettverks- og basestasjonarkitekturer

Flere forbedringer blir fulgt for å redusere strømforbruket av mobile basestasjoner. Arkitekturen i nettverket utvikler seg mot en heterogen arkitektur (HetNet) som omfatter basestasjoner av forskjellige størrelser, som vist i figur 1.

I et HetNet-system blir mindre celler som omfatter mikro- eller pico-basestasjoner med kortere rekkevidde og lavere kapasitet, og dermed lavere strømforbruk, distribuert gjennom hele nettverket i tillegg til makrocellene.

Dette gjør at nettverket kan tilpasses kontinuerlig til abonnentbruk, og møte abonnentkrav ved å bruke reduserte strømressurser.

I tillegg til å tillate mer effektiv trådløs tilgang over korte områder, reduserer mindre celler fra trafikk fra makrocellene dermed tillater større bruk av strømstyring for ytterligere å redusere hver makrocelles strømforbruk.

Innenfor basestasjonen kan forbedringer av hovedprosessoren i basebandsenheten øke databehandlingseffektiviteten. For å maksimere fordelene ved slike forbedringer, gjør muligheten til å skalere prosessorarkitekturen til bruk i mindre basestasjoner eller makrocellene det samme strømbesparende teknikker som skal påføres raskt og kostnadseffektivt gjennom hele nettverket.

Effektforsterker Effektivitet

RF-delen av basestasjonen bruker mer enn halvparten av den totale effekten, hovedsakelig på grunn av ineffektivitet i PA da etterspørselen etter økende datahastigheter og bredere båndbredde tvinger forsterkeren til å operere i sin ikke-lineære region. Peak to Average Power Ratio (PAPR) kan være rundt 6-10dB.