De zendmast kleurt groen

30 augustus 2010

Als het van de initiatiefnemers van het Greentouch-consortium afhangt (www.greentouch.org), zullen we binnen tien jaar duizend keer energie-efficiënter kunnen ‘surfen’. Een mooie maar noodzakelijke zet voor het behoud van onze planeet. Op dit moment neemt het ICT-communicatienetwerk wereldwijd ongeveer 2 procent van het energieverbruik voor zijn rekening. Dat valt op het eerste gezicht wel mee.

Maar het dataverkeer groeit exponentieel. Het internetverkeer verdubbelt zowat elke twee jaar, en terwijl de eerste mobieltjes goed waren voor 9600 bits aan data per seconde, kunnen de laatste 3G-handsets al minstens 7 Mbit/s aan. Die trend kunnen we niet meer ombuigen. We kunnen wel proberen om de energie naar beneden te halen die nodig is om 1 bit door te sturen. Daar gebruiken we procestechnologie voor. Met de huidige technologieën zullen we de energietoename die gepaard gaat met een stijging van het dataverkeer echter nooit kunnen compenseren. Willen we de ecologische voetafdruk van ICT verkleinen, dan moeten we het communicatienetwerk drastisch herdenken.

Laten we eens kijken naar de grootste vermogenverslinder binnen het communicatienetwerk. We bekijken hierbij het netwerk zoals het afgelijnd werd binnen het Greentouch-initiatief: tot en met de toegangsknooppunten (access nodes) naar de gebruiker toe. Berekeningen tonen aan dat de toegang naar de draadloze eindgebruiker het meeste vermogen opslokt. En daar zijn drie goede redenen voor.

Ten eerste is dit deel van het netwerk de laatste jaren organisch gegroeid met maar één doel voor ogen: de capaciteit vergroten. Meer mobiele telefoons ondersteunen, meer internetverbindingen genereren, meer dataverkeer mogelijk maken. Van het vermogenverbruik lag niemand wakker. Een basisstation bestaat vandaag uit snelle en krachtige processors en FPGA’s. Die zijn niet bepaald gekend om hun energiezuinigheid; elke FPGA, elke processor is goed voor 5 watt. Bovendien gaat deze energie verloren als warmtedissipatie, waardoor er extra energie nodig is om de componenten te koelen.

Waarom dan geen zuinige processoren gebruiken zoals we ze vandaag vinden in batterijgevoede draadloze terminals? Deze processors zijn special-purpose, op maat gemaakt voor een specifieke applicatie. Ideaal om te implementeren in bijvoorbeeld mobiele telefoons, die een heel grote markt bestrijken, maar te duur voor de kleinere markt van basisstations.

Een tweede reden voor het grote vermogenverbruik aan de draadloze link is de grote afstand waarover draadloze communicatie vandaag verloopt – mobiel bellen kan tot enkele kilometers van een basisstation. Bedenk dat het vermogenverbruik evenredig is met de afstand tot – gemiddeld genomen – de derde macht. Dat loopt dus al snel op. En ten derde: het basisstation zendt vandaag zijn signaal in alle richtingen uit, over 360 graden. Er gaat veel energie verloren omdat er niet gericht naar de gebruiker kan worden uitgezonden.

Gelukkig kunnen we daar iets aan doen. Een van de oplossingen heet Mimo (multiple input multiple output), een techniek om met meerdere ontvangst- en zendantennes data draadloos over te dragen. Hiermee bereiken we een verhoogde spectrale efficiëntie en kunnen we zuiniger uitzenden en ontvangen. Bovendien laat Mimo ook toe om een gerichte, stuurbare antenne te maken die de gebruiker volgt.

Daarnaast kunnen we ook de afstand waarover draadloze communicatie nu verloopt, sterk reduceren door te werken met kleinere toegangspunten, zogenaamde femtocellen. In een ideaal scenario zouden we onze home gateway kunnen gebruiken als toegangspunt voor mobiele bellers in de buurt. Communicatie over tien kilometer terugbrengen naar tien meter, dat zou gigantisch veel aan vermogen besparen.

Natuurlijk, de gebruiker om de tien meter van basisstation laten veranderen, vraagt een aanpassing van het achterliggende communicatienetwerk. En we hebben ook multi-modeterminals nodig, softwaregedefinieerde radio’s die flexibel van korte- naar langeafstandscommunicatie kunnen overschakelen. In enkele streken zullen we op langeafstandscommunicatie aangewezen blijven en gebruikmaken van de cellulaire communicatiestandaard. Communiceren we via indoor femtocellen, dan zullen we een soort WLan-standaard hanteren. Een soort, want hij zal de beweeglijkheid moeten hebben van cellulaire communicatie. Ook willen we liefst dat onze terminal zichzelf aanpast aan de omgevingsparameters om de communicatie zo voordelig mogelijk te laten verlopen. Liefst willen we een cognitieve radio.

Binnen het scenario van de femtocellen kunnen we nog een stap verder gaan: we kunnen nu de energiehongerige general-purpose FPGA’s en processoren in de basisstations vervangen door hun zuinige, op maat gemaakte evenknieën. Door de veelheid aan kleine basisstations zal de markt voor deze special-purpose processoren vergroten en is er geen economisch struikelblok meer. Ook de bezitter van het kleine basisstation thuis zal blij zijn met zijn energiezuinige toestel.

Daarmee zullen de technologieën die we al jaren aan het ontwikkelen zijn voor energiezuinige terminals hun intrede doen in de basisstations van het ICT-communicatienetwerk, en mogelijk in nog andere componenten van het achterliggende netwerk. Een radicale verandering: Mimo, energiezuinige processoren, multi-modeterminals, SDR en cognitieve radio.

Rudy Lauwereins

Terug naar overzicht