AL VIA IL PROGETTO EARTH: RISPARMIO ENERGETICO NELLA RETE MOBILE - Giorgio Calochira, Roberto Fantini, Dario Sabella
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AL VIA IL PROGETTO EARTH:
INNOVAZIONE
RISPARMIO ENERGETICO NELLA RETE MOBILE
NETWORK
Giorgio Calochira, Roberto Fantini, Dario Sabella
SERVIZI
REGOLATORIO
57
INNOVAZIONE
NETWORK
I
l progetto di ricerca EARTH (Energy Aware Radio and NeTwork TecHnologies)1, finanziato dalla
Comunità Europea, sviluppa soluzioni innovative per il risparmio energetico nella rete mo-
bile. Raggruppa in un consorzio di 15 attori, (tra cui partner industriali, come Telecom Italia,
SERVIZI
Alcatel-Lucent, Ericsson, DOCOMO, NXP, TTI Norte e IMEC) e mira a ridurre di un fattore supe-
riore al 50% il consumo energetico dei sistemi broadband radiomobili, con conseguenti benefici
in termini di risparmio e di diminuzione delle emissioni nocive. Il progetto EARTH si concentra
in modo particolare sulla rete di accesso RAN (Radio Access Network), individuata come la princi-
pale fonte del consumo energetico nella rete dell’operatore radiomobile. Si parte inoltre dall’as-
REGOLATORIO
sunto che per buona parte dell’arco giornaliero le stazioni radio base si trovano una situazione
di basso carico e in tali condizioni spesso gli apparati attualmente dispiegati nelle reti hanno un
consumo molto elevato, con impatti anche notevoli sui costi di esercizio della rete. Le direzioni in
cui il progetto EARTH si propone di investigare vanno dallo sviluppo di una nuova generazione di
dispositivi e componenti, all’adozione di nuove strategie di dispiegamento e sistemi di gestione
della rete, all’utilizzo di algoritmi innovativi per l’utilizzo efficiente delle risorse radio. In questo
articolo vengono presentati i primi risultati ottenuti da Telecom Italia Lab (Centro di Innovazio-
ne di Telecom Italia), relativamente ad alcune delle tematiche affrontate dall’Azienda nell’ambito
del progetto EARTH: in particolare i contributi qui descritti sono relativi al Task 3.1 (Deployment
Strategies) e sono basati metodo E3F (Energy Efficiency Evaluation Framework) per la valutazio-
ne dell’efficienza energetica nella rete mobile.
Figura 1 - Il progetto di ricerca EARTH e la sua organizzazione [1]
1 Modello per la valutazione
dell’efficienza energetica
La metodologia comunemente uti-
lizzata per valutare le performance di
una rete wireless consiste nel simulare
aspetti rilevanti della rete di accesso
a livello di sistema. I risultati ottenu-
ti (come ad esempio il throughput di
sistema o d’utente misurato in bit/s)
sono spesso visualizzati tramite una
funzione di distribuzione cumulativa
CDF (Cumulative Distribution Fun-
ction) e vengono specificati sistemi
e scenari di riferimento, in modo da
assicurare che i risultati generati da
differenti strumenti simulativi siano
1 https://www.ict-earth.eu
58
comparabili. Questo approccio condi- esempio un miglioramento dell’ef- nario, dalla densità di popolazione
INNOVAZIONE
viso è frutto del lavoro di enti di stan- ficienza energetica negli amplifica- e dai livelli di traffico); l’obiettivo di
dardizzazione, come il 3GPP [3], e tori di potenza) nei corrispondenti EARTH è infatti quello di conside-
progetti di ricerca internazionali come risparmi energetici nell’intera rete; rare tutti gli scenari, pesandoli op-
il progetto europeo WINNER (Wireless • i modelli di traffico a lungo termi- portunamente in modo da fornire
World Initiative New Radio) [4], costi- ne, che consentano di descrivere le un’unica valutazione di efficienza
tuito da partner industriali e del mon- fluttuazioni di carico lungo l’intero energetica valida globalmente per la
do accademico. L’esempio più rappre- arco della giornata, complementari a rete dell’operatore mobile.
NETWORK
sentativo di tale iniziativa è il metodo modelli di traffico statistici di “bre- Il metodo E3F adottato dal progetto
portato in ITU per valutare le proposte ve termine” (come il download di EARTH per l’assessment dell’efficienza
di sistemi e la conformità ai requisiti file FTP o le chiamate VoIP); si parte energetica della rete mobile si compo-
per la famiglia IMT-Advanced [5]. In quindi da simulazioni di sistema che ne quindi dei seguenti passi [9]:
questa direzione si muove l’E3F defi- analizzano il comportamento del si- 1) si parte da valutazioni di breve ter-
nito da EARTH [9], basato appunto sul stema all’interno di singole sessioni mine e su piccola scala (Figura 2,
framework del 3GPP per la valutazione voce/dati, supponendo quindi un li- parte (a)), condotte per ogni sin-
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del sistema LTE [3]. La Figura 2 mostra vello di carico mediamente costante golo scenario (dense urban, urban,
le principali estensioni rispetto ai fra- in quest’arco temporale, per arrivare suburban e rural) e per un set rap-
mework esistenti, necessarie a quanti- a considerare differenti condizioni presentativo di livelli di carico (che
ficare l’efficienza energetica dell’intera di carico e pesare i differenti com- sia cioè capace di descrivere l’intero
rete radiomobile, dal punto di vista dei portamenti del nodo durante l’intero intervallo compreso tra il minimo e
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contributi a livello di componente, di periodo di operatività; il massimo carico osservati in rete);
singolo nodo e di rete: • i modelli di dispiegamento su lar- 2) tali valutazioni di sistema forni-
• il modello di potenza, che consen- ga scala, considerando ampie aree scono quindi i valori di consumo
te di effettuare una corrispondenza geografiche in modo da estendere gli energetico (mediante l’applicazione
tra la potenza RF irradiata agli ele- scenari di dispiegamento su piccola del modello di potenza, Figura 2,
menti di antenna e la potenza totale scala. Infatti, ad ogni particolare sce- parte (b)) e di altre metriche di per-
consumata necessaria alla stazione nario di deployment (dense-urban, formances della rete (per esempio:
radio base per operare in rete. Il mo- urban, suburban e rural) corrispon- throughput, QoS) per ogni scenario
dello di potenza mappa i guadagni de una determinata efficienza della di deployment e per ogni valore di
a livello di componente (come per rete (data da quel particolare sce- carico considerato;
Figura 2 - E3F per la valutazione dell’efficienza energetica dei sistemi radiomobili
Population density in different deployment areas
(EARTH reference values)
3000 3000 Global Metric
(long term, large scale)
Population density (citizen/km2)
2000
Large scale area &
(d) Long term traffic load
1000
1000 EARTH reference values
500 for dense urban traffic peaks:
100 25 High profile: 120 Mbps/km2
0 Metric
Dense Urban Suburban Rural Sparsely
Midprofile: 30 Mbps/km2 (c)
urban populated &
(short term, scenario specific) Low profile: 6 Mbps/km2
wilderness
Ratio of different deployment areas System EARTH power model
(EARTH reference values) (e) Small-scale,
short-term BS Pin performance
Dense Urban
system level Main Supply
urban 1% 2% Suburban
4%
evaluations power
Sparsely Rural (a) Pout model mobile Cooling
populated & 36% AI
wilderness DC-DC
57% (b)
channel BB RF PA
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3)dato il profilo di traffico giornalie- risparmio energetico, ottenuto in uno per ottenere una determinata potenza
INNOVAZIONE
ro (Figura 2, parte (c)) per ciascun specifico componente, possa migliorare Pout in aria è quindi determinata da:
scenario di deployment, il consu- l’efficienza energetica a livello di nodo e
mo di potenza su un intero giorno/ a livello di rete. Pin = P0 + Δp Pout ,
settimana è generato dalla somma Nel progetto è stato infatti definito
dove 0 ≤ Pout ≤ Pmax
pesata di tutti i contributi di breve un modello di potenza per vari tipi di
termine; stazioni base LTE (macro, micro, pico (1)
4)ed ancora, il mix di scenari di de- e femto), considerando come riferi-
NETWORK
ployment (Figura 2, parte (d), par- mento lo stato dell’arte in termini di dove Pmax denota la massima potenza
te (e)) che determina l’area coperta componenti elettronici, di hardware RF in uscita al massimo carico e P0 è
da città, paesi, zone rurali e villaggi, e firmware/software installato a bor- il consumo di potenza calcolato alla
consente di calcolare un unico va- do della stazione radio base. L’assun- minima possibile potenza di uscita, as-
lore globale di consumo: tale valo- zione base è quella di considerare in sunta essere attorno all’1% del massi-
re è quindi indicativo del risparmio prima istanza la relazione tra potenza mo. I parametri ottenuti per differenti
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energetico, che si ottiene imple- RF irradiata e potenza consumata dalla tipologie di BS basati su stime dello
mentando le soluzioni adottate in stazione base come una relazione line- stato dell’arte all’inizio del progetto
rete su larga scala. are2; la potenza d’ingresso Pin richiesta (anno 2010) sono elencati in Tabella 1.
Merita un’attenzione particolare il mo-
dello di potenza elaborato da EARTH LTE BS type Pmax (W) P0 (W) Δp
(Figura 2, parte (b) e Figura 3), che co-
REGOLATORIO
stituisce una delle principali innovazio- Macro 40 712 14,5
ni introdotte dal progetto per valutare i Micro 6,3 106 6,35
consumi della stazione radio base. In- Pico 0,25 14,9 8,4
fatti il modello di potenza rappresenta
Femto 0,1 10,1 15
l’interfaccia tra il livello dei componenti
e il livello di sistema e permette quindi Tabella 1 - Parametri del modello di potenza (EARTH) per differenti tipi di Stazione Radio Base
(2010 – State of the Art estimation)
di quantificare come un determinato
Macro Micro
2500 300
BS Power Consmption (W)
BS Power Consmption (W)
2000 250
200
1500
150
1000
100
500 50
0 0 PA
0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 RF
Relative RF Output Power (%) Relative RF Output Power (%) BB
Pico Femto DC
40 30 CO
BS Power Consmption (W)
BS Power Consmption (W)
PS
25
30
20
20 15
10
10
5
0 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Relative RF Output Power (%) Relative RF Output Power (%)
Figura 3 - Dipendenza lineare della potenza consumata dalla potenza di uscita per differenti tipologie di BS [9]; valori relativi a LTE eNB con 10MHz di bandwidth, e configurazione
base MIMO 2x2. Le BS di tipo macro utilizzano 3 settori per sito. Legenda: PA: Power Amplifier, RF: small signal RF transceiver, BB: Baseband processor, DC: DC-DC converters,
CO: Cooling, PS: AC/DC Power Supply
2 Questa approssimazione è giustificata in quanto effettuata nella prima fase del progetto; è possibile che nel corso del progetto tali modelli lineari
vengano abbandonati in favore di altri modelli di potenza più accurati.
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re un aumento dell’efficienza energe-
Progetto EARTH, work package 5:
INNOVAZIONE
tica dell’intera rete eterogenea. L’idea
è quella di studiare la distribuzione
di carico fra i vari RAT, prendendo in
“Proof of Concepts and Operator Test Plant” considerazione l’aumento di traffico
offerto, i diversi tipi di terminali dispo-
La prima parte delle attività è stata la de- stazioni radio base di tipo “piconode”, nibili (con diverse capabilities), aspetti
finizione dei potenziali scenari di test da quanto per stazioni di tipo “macronode”, di efficienza energetica e possibili riu-
NETWORK
allestire presso il Test Plant di Telecom saranno sottoposti a test, riproducendo tilizzi di siti in tecnologie legacy.
Italia, per la validazione di tutte le solu- carichi di traffico e potenze di trasmissio- Per determinare il consumo energetico
zioni innovative orientate all’efficienza ne variabili e basati su scenari di traffico della rete è necessario partire dai mo-
energetica con particolare attenzione a di riferimento predefiniti. In questo modo delli di potenza semplificati delle varie
due scenari. sarà possibile testare funzionalità del tipologie di celle presenti o che saran-
Il primo riguarda l’esecuzione di una tutto innovative e finalizzate all’efficienza no introdotte in rete sia a livello di RAT
(GSM, UMTS e LTE) che di cell-size
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campagna di prove finalizzata alla va- energetica tra le quali:
lidazione di un’innovativa funzionalità • “bandwidth/capacity adaptation”; (cella macro o micro).
di “Radio Resource Management” (de- • “on-off switching”; L’approccio tipico per questo tipo di
nominata “ON/OFF scheme”), basata • “performance scaling”. analisi consiste infatti nel definire dei
su un algoritmo di accensione e spe- modelli di potenza lineari di un nodo
di rete che constano di due compo-
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gnimento di una delle celle componen- Va sottolineato infine come ciascuna in-
ti l’architettura di rete mobile del Test novazione del progetto (comprese quel- nenti: un consumo di potenza costante
Plant. In particolare, mediante l’adozio- le che confluiranno nel WP5 per essere (offset) e un fattore di potenza variabile
ne di questa funzionalità sarà possibile testate nel Test Plant di Telecom Italia) legato alla potenza trasmessa in uscita
spegnere temporaneamente la cella al è sottoposta ad accurata procedura di (slope) (vedere equazione 1). Per cor-
raggiungimento di una soglia minima selezione dei “most promising tracks”, relare i consumi di rete alla capacità
di traffico a circuito ed a pacchetto e di procedura che consiste nell’individuazio- della stessa si è quindi introdotta una
assicurare la sua riaccensione alla com- ne delle soluzioni tecnologiche che, una semplificazione nel modello di potenza
parsa di nuove richieste di traffico. volta integrate, consentono di massimiz- del singolo nodo, rispetto a quello defi-
Il secondo scenario è finalizzato alla va- zare i guadagni del sistema in termini di nito nella cornice del E3F, dove il delta
lidazione del “EARTH Transceiver Sy- energy efficiency. (slope) di potenza consumata rimane
stem”, ossia di una board che includerà L’integrazione delle soluzioni individua- lo stesso, ma la linearità viene riferita
sotto forma prototipale tutti i componenti te come più promettenti costituirà quindi al throughput in downlink smaltito (o
a radiofrequenza che equipaggeranno l’ossatura di quello che a fine progetto soddisfatto) dal nodo. In questo caso,
le future stazioni radio base in tecnolo- verrà indicato come “EARTH system”. il consumo massimo di potenza si ha
gia LTE progettate e realizzate all’inse- quando il nodo trasmette alla massima
gna del risparmio energetico. capacità, mentre il consumo minimo
Questi componenti e le relative funzio- si avrà quando nessun terminale è ser-
nalità, progettati e realizzati tanto per william.tomaselli@telecomitalia.it vito dalla cella, ma vengono trasmessi
solo i canali pilota o i common control
channel. La variazione di consumo di
campo ancora per un periodo signifi- potenza diventa quindi proporzionale
2 Il deployment oltre la rete legacy
cativo, si è deciso di investigare il tema al throughput dati di una cella di uno
al fine di fornire linee guida per un specifico tipo di RAT (vedi Figura 4).
Il progetto EARTH, pur focalizzando corretto multi-RAT deployment che La definizione dei modelli di potenza
la sua attenzione sui sistemi LTE di sia anche efficiente dal punto di vista è stata coordinata con i partner, le ap-
nuova generazione, analizza anche gli energetico. prossimazioni dei modelli di potenza
aspetti di deployment che prendono in Lo scopo è quello di sfruttare a proprio usati per il GSM e UMTS le macro celle
considerazione i sistemi legacy, GSM vantaggio l’evoluzione nel tempo del- in ambiente urbano e rurale sono de-
ed UMTS. Dal momento che il sistema le reti radiomobili pre-esistenti che si rivate da [13], mentre per il RAT LTE
LTE sarà gradualmente introdotto in espandono per soddisfare l’aumento si sono considerate sia celle macro che
rete ed i sistemi precedenti saranno in di traffico offerto, in modo da ottene- micro ed i valori sono derivati dal mo-
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• Amplificatore di Potenza: l’ampli- pilota. In particolare, per il RAT GSM,
INNOVAZIONE
ficatore PA (Power Amplifier) viene la portante che trasmette il BCCH è
caratterizzato dalla sua efficienza sempre attiva, mentre per l’UMTS ad
Pcons max
ossia dal rapporto fra la potenza tra- ogni portante la potenza massima as-
Pcons (W)
Pcons min smessa e la potenza in ingresso (di- sociata ai canali comuni di controllo
rect current input power); è pari al 10% della massima potenza
• Signal Processing: l’overhead del trasmissibile a radiofrequenza [14]. Si
signal processing cambia da RAT a è deciso di approssimare tutti i valori
NETWORK
RAT. I segnali UMTS sono più com- con una granularità di 50 W. Tali valo-
0 THR max
plessi di quelli del GSM, quindi, i va- ri sono indicati nella Tabella 3.
Data THR (bps)
lori per l’UMTS sono più alti; Una volta definiti i modelli di poten-
Figura 4 - Esempio di un modello di potenza lineare • Convertitore A/D: un convertitore za, questi sono stati applicati ad un
correlato al throughput A/D consuma meno del 5% della primo studio per capire quali aspetti
potenza di ingresso di una base sta- possano essere analizzati con il meto-
SERVIZI
dello di potenza definito nella meto- tion macro. Non è stato considerato do proposto. Dal momento che lo sco-
dologia E3F e descritto nel documento a parte ma si assume incluso nel si- po è quello di determinare gli aspetti
[9]. Per quanto riguarda la definizione gnal processing; chiave da prendere in considerazione
dei modelli di potenza per le base sta- • Power Supply and Battery Backup: in un deployment che risponda alla ri-
tion legacy si è quindi utilizzata la se- la perdita dovuta e questi due com- chiesta di aumento di capacità senza
guente formula descritta in [13]: ponenti è tipicamente fra il 10% e il perdere di vista gli aspetti di efficien-
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15% ed è direttamente dipendente za energetica, si è ipotizzato, a partire
dalla tecnologia utilizzata. In genere, da una rete legacy, uno sviluppo della
PBS, Macro = NSector NPApSec
il 10% è considerato un valore ottimi- rete in un arco temporale di tre anni,
P
( μTX+PSP) (1+CC) (1+CPSBB) stico; con un aumento annuo (CAGR) del-
PA
• Cooling: il cooling dipende princi- la richiesta di capacità di traffico dati
(2) palmente dalle condizioni ambien- pari al 108% [15]; per semplicità la
tali. I valori spaziano fra lo zero (free distribuzione del traffico è stata ipo-
dove i parametri sono descritti nella cooling) e il 40%. tizzata essere uniforme. In questa pri-
Tabella 2. In [13] sono indicati i dettagli dei con- ma analisi, si è definito uno scenario
Tali parametri fanno riferimento ai sumi di potenza a livello di componen- multi-RAT in un contesto urbano [6],
componenti principali di una base sta- ti per le base station GSM e UMTS. Nel ipotizzando l’utilizzo di macro siti le-
tion qui di seguito descritti. raffronto, ogni base station è stata con- gacy ad alta capacità, macro e micro-
siderata tri-settoriale e si è ipotizzato
che ogni portante in ciascun settore
Parametro Descrizione Pi,MIN Pi,MAX
avesse un suo amplificatore di poten-
za dedicato. Sono stati analizzati siti
NSector Numero di settori GSM (2/2/2) 950 W 1450 W
ad alta capacità (sei portanti per set-
NPApSec Numero di PA per settore tore per il sito GSM e due portanti per
GSM (6/6/6) 1350 W 3700 W
settore per l’UMTS) e a media capacità
PTX Potenza in Tx (due portanti per settore per il GSM e
UMTS (1/1/1) 450 W 1450 W
una portante per settore per l’UMTS).
μPA Efficienza del PA Un consumo di potenza massimo
UMTS (2/2/2) 1150 W 1550 W
PBS,MAX e un consumo di potenza mi-
Overhead dovuto nimo PBS,MIN sono quindi stati defi-
PSP LTE
al signal processing niti per i vari RAT e le tipologie di siti (3 settori 700 W 1300 W
considerati. PBS,MAX si ha a pieno cari- 2x2 MIMO)
CC Perdita per cooling
co quando la potenza trasmessa PTX è
LTE micro
Perdita per battery backup e al massimo. PBS,MIN si ha quando il ca- 100 W 150 W
(singola cella)
CPSBB rico è zero e nessun terminale è servi-
power supply
to dalla base station. L’unica trasmis- Tabella 3 - Valori minimi e massimi per i modelli di
Tabella 2 - Parametri del modello di potenza lineare potenza delle BS e RAT considerati.
sione attiva è legata ai canali beacon e
62
celle LTE. In questa fase, le ipotesi e trend dei diversi tipi di terminali pre- di studio in 3GPP, pensando ai relay
INNOVAZIONE
di sviluppo si sono concentrate sulla senti in rete diventa molto importante come una tecnologia che offre la pos-
capacità senza prendere in conside- dal momento che le disponibilità di sibilità di estendere la copertura e la
razione gli impatti sulla copertura, le terminali comportano dei vincoli sulla capacità del sistema (Figura 5), au-
procedure di controllo e i vincoli re- distribuzione del carico. Infine, l’anali- mentando la flessibilità a disposizione
golatori. Nell’analisi si è anche tenuto si mostra che la co-location fra diversi dell’Operatore nel dispiegamento del-
conto della penetrazione dei termina- RAT può avere un impatto sul consu- la rete e riducendone i costi [3].
li multimode in accordo con [6]. mo energetico totale di una rete, dal Tipicamente i RN (Relay Nodes) offrono
NETWORK
Per il calcolo del consumo di poten- momento che il consumo energetico di una copertura inferiore di quella offerta
za globale della rete multi-RAT, sono alcuni componenti (ad esempio quelli da una macro cella e quindi hanno una
stati applicati i modelli di potenza dei legati al cooling e al power supply) può potenza trasmessa significativamente
diversi RAT e tipi di sito (macro, mi- essere suddiviso fra i diversi RAT pre- inferiore rispetto ai macro eNB. Per tale
cro), in accordo con il loro numero e senti in uno stesso sito. motivo è plausibile che i relay costruiti
livello di carico utilizzando la seguen- per coperture ridotte siano caratteriz-
te formula: zati da un consumo inferiore e possono
SERVIZI
essere considerati come una soluzione
PNET = ∑Ni (Pi,MIN + Li promettente per aumentare l’efficienza
i ∈RATs
(Pi,MAX - Pi,MIN))
3 Case Study:
il deployment dei Relay Nodes energetica di una rete mobile. In prati-
ca, nell’ottica di un deployment etero-
Il concetto di relaying è da tempo noto geneo del sistema LTE, i relay possono
REGOLATORIO
(3)
in letteratura nell’ambito di diverse essere visti come un particolare tipo di
dove Ni indica il numero di siti o celle tecnologie wireless: in generale si trat- low power nodes, con la principale dif-
di diverso RAT e tipo nella rete e può ta di dispositivi in grado di ricevere il ferenza che il backhauling viene realiz-
essere derivato dalla richiesta di capa- segnale trasmesso in aria da una base zato non tramite connessioni cablate,
cità (traffico offerto) e dai vincoli sulle station, per ritrasmetterlo verso i ter- bensì sull’interfaccia radio (e con evi-
capability dei terminali, mentre 0 ≤ Li minali. Vi sono differenti tipologie di denti vantaggi legati all’installazione
≤ 1 indica la percentuale di carico, in nodi relay, dai più semplici ripetitori, dei relay).
uno scenario dove il traffico è distribu- a dispositivi più sofisticati e con a bor- In 3GPP vengono considerati differenti
ito in modo uniforme. do un hardware in grado di effettuare approcci per valutare i vantaggi dei re-
In particolare, per determinare il nu- operazioni più complesse. Soltanto lay in termini di capacità e copertura.
mero di celle necessarie a soddisfare la recentemente i Relay Nodes sono stati Una possibile idea è dispiegare i nodi
domanda di carico di picco, ci si è ba- introdotti nello standard 3GPP per il relay a bordo cella per migliorare il li-
sati sulle capacità di picco di sito per le sistema LTE: le possibili architetture vello di SINR e la qualità percepita dagli
varie tecnologie e per le varie configu- di dispiegamento sono state oggetto utenti (vedere Figura 6). Questo studio
razioni prese in esame (vedi [16]).
Provando ad utilizzare questo modello Figura 5 - Possibili utilizzi dei relay in reti radiomobili
con degli esempi numerici descritti in
[16], alcune conclusioni preliminari
possono essere tratte. Dal momento
che l’ipotesi di distribuzione del ca-
rico totale della rete fra i diversi RAT
costituisce la componente principale
dell’analisi, i diversi mix di celle e RAT
hanno un impatto significativo nello
sviluppo di una rete efficiente dal pun-
to di vista energetico e nel determinare
possibili azioni che ne aumentino l’ef-
ficienza una volta che questa sia stata
messa in campo. Oltre ad una buona
definizione dei modelli di potenza, una
precisa conoscenza della distribuzione63
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NETWORK
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Figura 6 - Distribuzione dell’SNR con (destra) e senza Relay Nodes (sinistra)
[17] analizza non solo il vantaggio of- Lab [17], al fine di valutare le presta- tre nel primo schema (2-hop) si ha una
ferto dai relay in termini di capacità, ma zioni ottenibili nel caso di deployment trasmissione a multiplazione di tempo
anche la possibile riduzione nel consu- dei Relay Nodes in aggiunta ad un si- dei pacchetti dati (intervalli di durata
REGOLATORIO
mo energetico che deriva dal dispiega- stema contenente soltanto nodi ma- T1 e T2), nel secondo schema (multi-
mento di un certo numero di relay a cro; in particolare, vengono studiate cast cooperativo) si ha una prima fase
bassa potenza rispetto ad una rete che due possibili varianti di relay: una tra- (di durata T1), in cui la BS trasmette
non impiega tali nodi. smissione in 2 hop ed uno schema co- al terminale UE sul link diretto e al
Le prestazioni della rete sono analizza- operativo in cui anche la base station nodo relay sul link di backhauling, ed
te tramite un simulatore statico, pren- ritrasmette durante la trasmissione dei una seconda fase (di durata T2), dove
dendo in considerazione il comporta- relay Figura 7. il nodo relay trasmette al terminale in
mento medio del sistema e assumendo Tale analisi viene effettuata in due parallelo alla trasmissione diretta tra
che sia presente un singolo utente per passi: dapprima si analizza l’efficienza la BS e il terminale attraverso il link di
cella. Lo scenario simulato è rappre- energetica di tali schemi concentran- accesso (Figura 7). In tal senso la co-
sentato da una griglia esagonale con 19 dosi sulla potenza irradiata a radio fre- operazione sfrutta la diversità spaziale
siti tri-settoriali, con distanza intersito quenza (PRF) ed in condizioni di mas- al ricevitore del terminale.
(ISD) di 1732 metri, che corrisponde simo carico; successivamente vengono Come si può vedere dalla Figura 7,
al Case 3 definito per valutazioni di analizzate le performances energeti- l’aggiunta di due relay può migliorare
sistema in 3GPP [3]. Differenti dispie- che della rete, considerando la poten- il SINR nell’area vicino ai RN, aumen-
gamenti possono essere considerati, za consumata dal sistema eNB + RN e tando la capacità in questi punti, come
con un numero variabile di relay e dif- differenti livelli di carico da smaltire evidenziato in Figura 7a, dove è ripor-
ferenti posizioni dei relay nella cella. nella rete, al fine di allineare le valuta- tato il miglioramento di capacità per lo
Nella presente analisi si considerano 2 zioni al framework E3F elaborato dal schema con 2 hop e quello multi cast
relay posizionati vicino il bordo cella. progetto EARTH. cooperativo.
I parametri utilizzati per la simulazione Oltre al calcolo della capacità è pos-
seguono in generale quanto definito in sibile fare valutazioni di efficienza
[6], sebbene si assuma di considerare energetica del sistema (Figura 7b):
un canale statico. 3.1.1 Analisi dei relay dal punto di vista
della potenza RF irradiata effettuando il calcolo del rate effet-
tivo di sistema Reff nei due schemi di
In 3GPP sono stati presentati differenti relaying considerati e della potenza ir-
contributi contenenti valutazioni della radiata Peff (somma delle potenze a RF
3.1 Analisi dei risultati
capacità di Shannon [7][8][10][11]
dove si considera uno schema a 2 hop
emesse dalla base station e dal relay),
è possibile analizzare per ogni punto
Analizziamo i primi risultati delle si- half-duplex (Figura 7), oppure schemi P(x,y) dell’area di copertura le seguen-
mulazioni effettuate da Telecom Italia avanzati cooperativi multi cast. Men- ti metriche (vedere distribuzioni in64
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Figura 7 - Possibili schemi di utilizzo dei relay: a 2 hop (sinistra) e multicast cooperativo (destra)
Figura 8b), espresse come rapporto tra rianti di dispiegamento dei 2 RN: se ramento in capacità per entrambi gli
potenza trasmessa e capacità smaltita da un lato lo schema multicast coope- schemi analizzati. In ogni caso que-
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([W/Mbps]): rative è in grado di offrire un leggero sto miglioramento è ottenuto grazie
miglioramento in termini di capacità alla potenza trasmessa dal relay e il
Peff
η│2-hop = │ ; (Figura 8a), lo schema a 2 hop è invece valore di energia per bit dipende an-
Reff 2-hop
più efficiente dal punto di vista ener- che da come questa potenza sia uti-
getico, come mostrato in Figura 8b. lizzata nei 2 schemi. Nello schema a
REGOLATORIO
Peff
η│m-coop = │
Reff m-coop
In particolare, dalle distribuzioni ri- 2 hop la trasmissione è effettuata in
portate in Figura 8b si vede che nello 2 passi: durante la prima trasmissio-
(4)
scenario simulato lo schema a 2 hop ne dalla BS al relay, viene utilizzata
permette di ottenere un risparmio solo la potenza trasmessa dalla BS, il
definite in EARTH come indicatori energetico medio di circa 15.6% ri- link è in generale in buone condizio-
di consumo energetico ECI (Energy spetto al caso senza relay, mentre ni radio e quindi è possibile ottenere
Consumption Index)3. con lo schema multi cast cooperativo un elevato valore di capacità; duran-
In base ai risultati simulativi riporta- il risparmio energetico è circa 8.5%. te il secondo passo la trasmissione è
ti in Figura 8 si possono trarre alcune Il miglioramento in efficienza ener- effettuata dal relay al terminale e la
considerazioni in merito alle due va- getica è dovuto soprattutto al miglio- potenza emessa dal relay è utilizzata,
Figura 8 - Distribuzione della capacità (sinistra) e del consumo energetico (destra)
3 Si noti come tali indicatori sono in linea di principio assolutamente equivalenti a metriche di efficienza energetica espresse dualmente in termini di
throughput su potenza trasmessa, [Mbps/W].65
comportando una complessiva ridu- dove i particolari valori di P0,BS, ΔP,BS contribuiranno al consumo totale di
INNOVAZIONE
zione energetica. Nello schema mul- e P0,RN, ΔP,RN, dipendono dal mo- potenza.
ti cast cooperativo il miglioramento dello di potenza di base station e relay Introducendo in questo modo i mo-
nel consumo energetico è dovuto considerati, mentre Pout,BS e Pout,RN delli di potenza di EARTH, è possibile
unicamente all’elevata capacità che rappresentano le potenze emesse ad ricavare un’indicazione del consumo
può essere offerta da questo sche- RF. energetico più realistico, che tenga
ma, poiché la potenza complessiva È possibile calcolare nuovamente le conto di tutta la potenza consumata
trasmessa è più elevata rispetto allo metriche descritte nell’Equazione 4, dai nodi e non solo di quella irradiata a
NETWORK
scenario senza relay (infatti la BS tra- dove però questa volta Peff indica la Radio Frequenza.
smette per tutto il tempo e solo per potenza totale consumata dal sistema Per fare ciò, si è reso necessario esten-
una frazione di tempo una potenza (quindi non solo la componente RF, dere il simulatore statico, introducen-
aggiuntiva è consumata anche dal ma anche tutte le altre componenti dei do la modellizzazione energetica ela-
relay). Per questa ragione l’efficienza nodi durante l’esercizio). Essendo ora borata dal progetto EARTH, in modo
energetica complessiva è più bassa l’analisi non a pieno carico, si possono da ottenere la capacità e l’efficienza
se comparata allo schema con 2 hop,
SERVIZI
inoltre effettuare le seguenti osserva- energetica al variare del carico di cel-
anche se risulta migliore da un punto zioni: la, e considerando il caso di un siste-
di vista della capacità. • nel caso “2 hop” si ha una trasmis- ma MIMO 2x2 [12], adatto ad ipotesi
sione a divisione di tempo, ma an- di deployment dei Relay Nodes in un
che quando un nodo (BS o RN) non sistema LTE-Advanced (che utilizze-
trasmette, consuma comunque una rà il MIMO come tecnica per aumen-
REGOLATORIO
3.1.2 Efficienza energetica e potenza
totale consumata quantità di potenza pari a P0;
• nel caso “multi cast cooperativo” du-
tare l’efficienza spettrale della rete).
La Tabella 4 mostra i principali para-
I risultati presentati nel paragrafo pre- rante l’intervallo di tempo T1 solo la metri simulativi utilizzati.
cedente fornisconouna prima indica- base station trasmette e i relay (pur Nonostante i Relay Nodes non siano
zione incoraggiante sull’uso dei relay non trasmettendo dati) contribu- ad oggi ancora dispositivi commer-
come strumento per migliorare l’effi- iscono comunque con il loro livel- ciali (poiché relativi a Rel.10 e suc-
cienza energetica in una rete di tele- lo minimo di potenza consumata; cessive dello standard 3GPP LTE), nel
comunicazione. nell’intervallo T2 entrambi i nodi presente studio si è deciso di analiz-
Tuttavia questi risultati sono da con-
siderarsi esclusivamente indicativi,
Parametro Valore
poiché:
1) sono stati ricavati considerando so- System LTE FDD (10MHz + 10MHz), 2,1 GHz
lamente il consumo dovuto alla par-
te ad RF dei nodi trasmissivi; Deployment Hexagonal layout with 3 sectors per site
2) sono relativi alla particolare condi-
zione di cella a pieno carico.
ISD (inter-site distance) 500m (dense urban, urban) 1732 m (suburban, rural)
Per quanto riguarda la prima limitazio-
ne, bisogna sottolineare che un Node B
Antenna System 2x2 MIMO
consuma circa 1200 W per emettere a
livello RF solamente 40 W. Per una cor- TX Power
Macro site (eNB) = 46 dBm (40W);
retta valutazione energetica è quindi Relay Node: 30 dBm (dense urban, urban, suburban), 37 dBm (rurall)
fondamentale includere anche l’intera Path Loss, Shadowing; Fading taken into account
potenza consumata dai nodi. Propagation model
with MIMO ergodic capacity
Si applica quindi il seguente modello
MIMO channel Low spatial correlation
per entrambi i nodi (BS e RN):
Area type Outdoor
Pin,BS = P0,BS + ΔP,BS Pout,BS
User distribution Single user, random with uniform probability
Pin,RN = P0,RN + ΔP,RN Pout,RN
Traffic model Full buffer when scheduled
(5) Tabella 4 - Parametri simulativi per l’analisi EE dell’uso dei Relay Nodes66
zare le prestazioni del sistema, deri- sull’intero profilo giornaliero; in par- schema 2 hop e un potenziale gua-
INNOVAZIONE
vando differenti modelli di potenza ticolare la media temporale risente dagno del 6.3% (corrispondente al
plausibili per tali nodi (Tabella 5): pesantemente dei periodi della gior- 41.5% di guadagno nella sola area
in particolare, un modello di “Relay nata in cui la rete è scarica, e questo coperta dai Relay Nodes) per alti va-
SOTA”, ricavato partendo da quello maggiormente per ambienti di tipo lori di traffico e con modelli di po-
di un nodo di tipo micro (il cui livello rurale, che costituiscono anche una tenza performanti, sia per DeNB che
di emissione ad RF è di poco distante porzione considerevole dell’area di per RN. Tale guadagno sale al 13.2%,
da quello di un relay node in scenari deployment di rete. (corrispondente al 68.8% di guada-
NETWORK
rurali), e scalando l’intero modello in Ne consegue come il deployment dei gno nella sola area coperta dai Relay
modo proporzionale alla potenza RF Relay Nodes (o in generale dei low po- Nodes) se si considera anche per il
di picco; un modello di potenza “Re- wer nodes) debba essere preso in con- DeNB un modello di potenza perfor-
lay Advanced” e uno analogo (“Macro siderazione in funzione dell’effettiva mante (“Macro Advanced” in Tabel-
Advanced”) per il DeNB, ipotizzando richiesta di capacità del sistema, pro- la 5). Nel caso dei relay cooperativi
di adottare dispositivi più performan- prio in virtù dei costi operativi che tali considerati, nonostante apportino
ti. Conviene notare a questo proposito nodi comportano se dispiegati in rete. un guadagno in termini di capacità
SERVIZI
che i modelli di potenza adottati sono In virtù di queste considerazioni, un il loro funzionamento si è invece ri-
preliminari e servono per osservare il possibile sviluppo delle presenti va- velato energeticamente inefficiente;
comportamento al variare del model- lutazioni consiste nell’analisi di sce- è quindi plausibile che una loro im-
lo di potenza. nari, in cui la distribuzione di traffico plementazione a livello commerciale
Le prime analisi simulative effettua- nell’area di copertura della cella non avvenga successivamente.
REGOLATORIO
te in condizioni di high traffic profile sia uniforme, ma abbia un hot spot
EARTH definisce un high traffic pro- (in corrispondenza del quale si vanno
file con valori di picco 120 Mbps/ appunto a dispiegare i Relay Nodes):
km2 in ambiente urbano denso, cor-
rispondente a 68 GB/mese/utente e
in queste condizioni probabilmen-
te si potranno apprezzare i maggiori
Conclusioni
sufficiente a fornire un traffico di tipo benefici sia in termini di capacità e Il progetto EARTH analizza la rete
HDTV simultaneamente per tutti gli QoS, che di efficienza energetica del dell’operatore radio mobile sulla base
utenti attivi) consentono di visua- sistema (in quanto l’utilizzo dei Relay dell’efficienza energetica, aspetto fi-
lizzare l’andamento giornaliero del Nodes in questi casi è più intensivo). nora mai considerato dalla letteratura,
throughput di cella (Figura 9, parte I risultati di Figura 9, (parte (c)) mo- che invece si è sempre soffermata su
(a)): in corrispondenza delle prime strano inoltre come sia di particolare valutazioni di capacità e di soddisfa-
ore del mattino l’efficienza energeti- rilevanza l’impatto dei modelli di po- zione della QoS (Quality of Service)
ca del sistema è notevolmente bassa tenza sulle prestazioni energetiche per la clientela. L’analisi di prestazioni
(vedere l’indicatore di consumo ECI del sistema: infatti sono state analiz- energetiche non prescinde da tali va-
in Figura 9, parte (b), espresso in zate per ciascun schema di relaying lutazioni, ma le estende, aggiungendo
[W/Mbps]). Tali periodi della gior- (2 hop e multicast cooperativo) dif- un vincolo in più (quello di minimiz-
nata sono infatti relativi a condizioni ferenti ipotesi di deployment (corri- zazione dei consumi): tale obiettivo
di traffico in cui i Relay Nodes sono spondenti alle relative combinazioni si rende infatti necessario proprio
sotto-utilizzati, in quanto essenzial- di modelli di potenza considerati per nell’ottica di riduzione dei costi opera-
mente “scarichi”. Nella Figura 9, parte DeNB e RN). I risultati delle simu- tivi della rete mobile, che sono ad oggi
(c) viene infine indicato il guadagno lazioni effettuate evidenziano una significativi e rischiano di aumentare a
in termini di ECI ottenuto mediando maggiore efficienza energetica dello causa della crescente domanda di traf-
fico dei prossimi anni .
LTE BS type PMAX (W) P0 (W) ΔP Le analisi esposte nel presente articolo
sono state condotte da Telecom Italia
Relay SOTA 5 or 1 84,13 6,35 nella prima fase del progetto EARTH
nell’ambito del task 3.1 (Deployment
Macro Advanced 40 156,38 28,4
Strategies) e si sono concentrate su due
Relay Advanced 5 or 1 13,91 20,4 principali aspetti4: l’evoluzione della
rete LTE e dei sistemi legacy (2G/3G)
Tabella 5 - Parametri dei modelli di potenza considerati da TILab
e il dispiegamento dei Relay Nodes.
4 I risultati esposti nel presente articolo sono stati prodotti da Telecom Italia nell’ambito del progetto EARTH (Energy Aware Radio and neTworking
tecHnologies), parzialmente finanziato dalla Commissione Europea (project FP7-ICT-2009-4-247733-EARTH).67
INNOVAZIONE
Served Daily Data Traffic Profile (Europe) ECI Daily Data Traffic Profile (Europe)
2hop relaying - HIGH TRAFFIC - SOTA power models 2hop relaying - HIGH TRAFFIC - SOTA power models
130
50
120
Capacity (Mbps/cell)
40 Dense Urban (ISD = 500m)
ECIP/A (Mbps/cell)
110
Urban (ISD = 500m)
100 Suburban (ISD = 1732m)
NETWORK
30 Rural (ISD = 1732m)
90
20 80
Dense Urban (ISD = 500m)
Urban (ISD = 500m) 70
10 Suburban (ISD = 1732m)
Rural (ISD = 1732m) 60
0 50
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25
Time (Hours) Time (Hours)
SERVIZI
a) b)
ECI with defferent Power Models and Deployments - High Traffic Profile
80
REGOLATORIO
-9,3% 2 hop
70
-5,1% Multicast
+6,3% -0,5%
60
+13,2% +0.3%
50
40
30
20
10
0
BS only (SOTA) BS + RN (AII SOTA) BS SOTA + RN Adv BS only (Adv) BS + RN (All Adv)
c)
Figura 9 - (a) Andamento giornaliero della capacità smaltita ([Mbps/cell]) nell’area coperta dal sistema (DeNB + 2 RN) in diversi scenari di deployment (schema 2 hop relaying);
(b) Andamento giornaliero dell’indicatore ECI (Energy Consumption Index, energia spesa per bit) in diversi scenari di deployment ([W/Mbps]). (c) Guadagni relativi in termini di ECI
([W/Mbps]) rispetto al deployment macro senza relay (casi 2 hop e multicast, con differenti power models per DeNB e RN).
Per quest’ultima attività le simula- cità, il guadagno in termini di energy (condizione che costituisce il “worst
zioni effettuate da Telecom Italia Lab saving si può ottenere soltanto per alti case” in termini di prestazioni): tra gli
[17] hanno evidenziato una maggio- valori di traffico e con modelli di po- sviluppi futuri del progetto vi è infatti
re efficienza energetica dello schema tenza performanti. quello di considerare un hot-spot di
“2 hop” (relay di Type 1) rispetto ai re- Tuttavia bisogna considerare che le traffico, in corrispondenza del quale
lay cooperativi (Type 2). Negli scenari analisi sono state condotte suppo- vengano dispiegati i Relay Nodes, al
considerati, mentre tali nodi possono nendo una domanda di traffico omo- fine di servire tale addizionale do-
fornire dei benefici in termini di capa- geneo nell’intera area di copertura manda di traffico.68
Altro aspetto da considerare nel pro-
Acronimi
Bibliografia
INNOVAZIONE
getto sarà la definizione di opportuni
modelli di potenza realistici pei i relay
e il loro impatto sull’efficienza energe- AWGN: Additive White Gaussian [1] Sito internet del progetto EARTH:
tica del sistema. Noise https://www.ict-earth.eu.
L’obiettivo finale del progetto è in- BCCH: Broadcast Control Channel [2] Nota del progetto EARTH sul sito internet
fatti quello di definire il cosiddetto BF Beam Forming di Telecom Italia: http://www.telecomi-
“EARTH system” nel quale, tra tutte CAGR: Compound annual growth rate talia.com/tit/it/corporate/innovation/
NETWORK
le innovazioni prodotte, vengono sele- DeNB: Donor eNB hot_topics/international_projects/earth_
zionate ed integrate insieme quelle più eNB: evolved NodeB per_ottimizzarelefficienzaenergeticadeisi-
promettenti ed in grado di contribuire FDD: Frequency Division Duplex stemimobilidicomu.html .
alla massimizzazione dei guadagni in MIMO: Multiple Input Multiple [3] 3GPP TR 36.814 v9.0.0, “Further advance-
termini di efficienza energetica ■ Output ments for E-UTRA. Physical layer aspects
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SERVIZI
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Calochira Fantini Sabella
Informatico, dal 1996 Ingegnere delle Ingegnere Elettronico
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analysis of relaying techniques for LTE- Italia, dove si occupa entrato in Azienda nel in Telecom Italia nel
Advanced networks”. Telecom Italia inter- di pianificazione 2002 per occuparsi 2001 dove prende parte
nal report, TNTLAMWI1000102.
e ottimizzazione inizialmente dello alla progettazione di
di reti radiomobili. sviluppo di prototipi di SIM Card prototipali e
Inizialmente ha operato terminali mobili UMTS servizi innovativi (tra cui
SERVIZI
nell'ambito delle reti e della valutazione la prima realizzazione
2G, implementando delle prestazioni della di Smart Card Web
i tool corrispondenti tratta radio UMTS. Dal Server), per poi
e collaborando 2006 segue l’evoluzione occuparsi dell’analisi
alla realizzazione dello standard 3GPP, delle prestazioni delle
di funzionalità di occupandosi di tecnologie OFDMA
ottimizzazione rete. HSDPA, HSUPA e (WiMAX, LTE) e
REGOLATORIO
Successivamente ha HSPA+ sia sviluppando prendere parte a
lavorato nell'ambito piattaforme simulative sperimentazioni e trial
della pianificazione di per la valutazione tecnologici in Italia e
reti d'accesso indoor, delle prestazioni di all’estero (TIM Brasil).
seguendo lo sviluppo tali tecnologie, sia Attualmente è coinvolto
degli strumenti per i partecipando a trial in progetti europei,
sistemi 2G, 3G e WLAN. tecnologici. Dal 2010 tra cui ARTIST4G e
Dal 2010 collabora al partecipa a due progetti EARTH, del quale cura
progetto EARTH. del VII programma lo svolgimento delle
quadro della UE, attività tecniche, ed in
ARTIST4G ed EARTH, progetti di ricerca per lo
studiando le potenzialità studio delle prestazioni
dei Relay Nodes in delle tecnologie OFDMA
ambito LTE-Advanced, multi antenna (in
sia da un punto di vista particolare LTE e LTE-
prestazionale che Advanced). È autore di
energetico. È autore diverse pubblicazioni e
di brevetti di signal brevetti internazionali
processing e di articoli nel campo della gestione
pubblicati in conferenze. delle risorse radio, della
QoS, packet scheduling
e dell’efficienza
energetica.Puoi anche leggere
