Explosiv tillväxt i mobil Internettrafik ökar nätverksförbrukningen och fokuserar uppmärksamhet på nya tekniker för att förbättra energieffektiviteten i hela nätverket, särskilt i basstation RF och basbandskretsar

Nedsidan av explosiv mobil data tillväxt

Den enorma populariteten hos mobila enheter som smarta telefoner och surfplattor och molnbaserade tjänster för företag och personligt bruk driver allt fler abonnenter för att komma åt Internet via trådlösa anslutningar.

Lasten på mobilnät ökar snabbt. Globalt genereras cirka 1,6 exabytes mobildata per månad enligt Cisco Visual Networking Index (VNI) -rapport, vilket har en dramatisk effekt på nätverksförbrukningen i mobilnätet..

I dag använder operatörerna cirka 2 miljarder dollar per år för att driva sina nätverk, och basstationerna förbrukar en hög andel av den budgeten. Enligt siffror från Vodafone står basstationerna för nästan 60% av den totala mobilnätets energiförbrukning, medan 20% konsumeras av mobilväxlingsutrustning och cirka 15% av kärninfrastrukturen.

Låg effektivitet i RF- och basbandets processer är den främsta orsaken till basstationens relativt höga strömförbrukning. IET har rapporterat att en vanlig 3G-basstation använder ca 500W av ingångseffekt för att producera endast ca 40W av utgångs-RF-effekten.

Värmen som genereras av ineffektiv drift måste också avlägsnas, typiskt med luftkonditionering, vilket lägger vidare till basstationens totala effektförbrukning. Den typiska genomsnittliga årliga energiförbrukningen för en 3G-basstation är cirka 4,5 MWh.

Därför för ett 3G-mobilnät som täcker ett område som Storbritannien, som har cirka 12 000 basstationer, kommer den totala energiförbrukningen att vara över 50 GWh per år. Detta medför en stor mängd koldioxidutsläpp samt bidrar till nätets driftskostnader.

I utvecklingsländerna är å andra sidan direkta elanslutningar inte alltid lättillgängliga. Enligt tidningen Scientific American (Tweed, 2013) finns det cirka 5 miljoner basstationer globalt, varav 640 000 inte är anslutna till ett elnät och drivs till stor del av dieseldrivna generatorer.

Kostnaderna för bränsle och transport, och de logistiska utmaningarna för att hålla basstationerna i drift kontinuerligt, är höga.

Eftersom mobilanvändning över hela världen ökar, och 4G / LTE-utbyggnaden samlar takt i utvecklade länder, kommer den trådlösa dataförfrågan att fortsätta att visa explosiv tillväxt. Därför är kostnaden för drivning och kylning av trådlösa basstationer inställd på att öka.

Även om basstationseffektiviteten är känd att ha förbättrats från 3% 2003 till 12% under 2009, behövs ytterligare betydande förbättringar för att begränsa den totala nätförbrukningen och därigenom göra det möjligt för operatörerna att hävda kontroll över sina driftskostnader.

Förbättra nätverks- och basstationsarkitekturer

Flera förbättringar drivs för att minska kraften som förbrukas av mobila basstationer. Nätverksarkitekturen utvecklas mot en heterogen arkitektur (HetNet) som omfattar basstationer av olika storlekar, såsom visas i figur 1.

I ett HetNet-system används mindre celler som innefattar mikro- eller pico-basstationer med kortare intervall och lägre kapacitet, och därmed lägre strömförbrukning, utöver nätverket förutom makrocells.

Detta gör det möjligt för nätverket att anpassa sig kontinuerligt till användarens användning och möta abonnemangens krav med hjälp av minskade strömresurser.

Förutom att tillåta effektivare trådlös åtkomst över korta sträckor, reducerar mindre celler av trafik från makrocells, vilket möjliggör större användning av strömhantering för att ytterligare minska varje makrocells strömförbrukning.

Inom basstationen kan förbättringar av huvudprocessorn i basbandsenheten öka datahanteringseffektiviteten. För att maximera fördelarna med sådana förbättringar möjliggör möjligheten att skala processorarkitekturen för användning i mindre basstationer eller makrocells samma energisparande tekniker som tillämpas snabbt och kostnadseffektivt i hela nätverket.

Effektförstärkare Effektivitet

RF-basen i basstationen förbrukar mer än hälften av den totala effekten, främst på grund av ineffektivitet i PA, eftersom efterfrågan på ökande datahastigheter och bredare bandbredd tvingar förstärkaren att fungera i sin icke-linjära region. Peak to Average Power Ratio (PAPR) kan vara runt 6-10dB.