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Comgreen IT2Green Project REPORT

A Summary

Last Update 2013-01-30

Steffen Bretzke

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text in the footer area Comgreen 2013 | Public | © Ericsson AB 2013 | 2013-01-28 |

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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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

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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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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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EVALUATION

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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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COMPARISON

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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

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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

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NEXT STEPS

› Successful extension secured until April 2014

› Same partners and work packages

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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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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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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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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

http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/kunden/klima-und-umweltfreundliche-produkte-dienste











http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/klima-und-umwelt/klimaschutz/energiemanagement







http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/netze/umweltfreundliche-netzinfrastruktur/netzmodernisierung/?sr=1





























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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.

http://www.cr-bericht.telekom.com/site12/netze/umweltfreundliche-netzinfrastruktur/klimatechnik-energieeinsatz

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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

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