Dichte Netzwerke für energieeffiziente 5G-Netz
Die große Herausforderung für die nächste Generation von drahtlosen Kommunikationssystemen (5G) besteht darin, eine hohe Datenrate für mehrere mobile Benutzer bereitzustellen und gleichzeitig die End-to-End-Servicequalität zu gewährleisten. Auch wenn 5G höhere Geschwindigkeiten und allgegenwärtige Konnektivität verspricht, bringt es zwangsläufig auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich: der Energieverbrauch und Kohlendioxidemissionen werden stark ansteigen, wenn die Kunden ihren digitalen Konsum erhöhen. Die MIMO-Technologie mit kleinzelligen Access Points und massiven Mehrantennen bietet zwei vielversprechende Arten zur Erreichung einer dichten Bereitstellung von Verbindungen und verspricht enorme Verbesserungen bei Durchsatz und Energieeffizienz. Die Wissenschaftler des Projektes DENSE4GREEN (Dense deployments for green networks) verwendeten fortschrittliche mathematische Werkzeuge und entwickelten neue Modelle für die Simulation der Leistung solcher dichten Netzwerke und die Bewertung der Robustheit gegenüber Störungen. Zunächst leiteten die Wissenschaftler ein neues Modell für den Gesamtenergieverbrauch von kleinzelligen und MIMO-Netzwerken ab, einschließlich aller analogen und digitalen Komponenten. Dieses Modell diente dann dazu, die Netzwerkenergieeffizienz in Abhängigkeit von der Dichte der Basisstationen, der Sendeleistung, der Anzahl von Basisstationsantennen und Benutzern pro Zelle und des Pilotwiederverwendungsfaktors für die Kanalerfassung zu maximieren. Die Ergebnisse zeigten, dass kleine Zellen die Energieeffizienz zweifellos steigern können – der Stromverbrauch der elektronischen Schaltungen sollte jedoch nicht die Sendeleistung der Zellen überschreiten. Das Hinzufügen von zusätzlichen Antennen bei MIMO führte zu einer weiteren Verbesserung der Energieeffizienz. Das DENSE4GREEN-Team entwickelte neue lineare Algorithmen, mit dem sich der Gesamtstromverbrauch von Netzwerken unter Berücksichtigung verschiedener Grade der Zusammenarbeit der Basisstationen minimieren lässt: überhaupt keine Zusammenarbeit oder volle Zusammenarbeit und Austausch von Kanalzustandsinformationen. Die Basisstation-Kooperation wurde hinsichtlich der Frage, ob die Basisbandverarbeitung lokal an einzelnen Basisstationen durchgeführt wird oder an einer einzigen Zentraleinheit (zentrale und dezentrale Verarbeitung), weiter klassifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Auswirkungen der Mobilität des Benutzers auf den Energieverbrauch des Netzwerks. Wissenschaftler untersuchten den Stromverbrauch eines heterogenen Netzwerks, in dem eine dichte Reihe von kleinzelligen Zugangspunkten mithilfe eines drahtlosen Backhaul für den Verkehr eine massive MIMO-Makroebene überlagert. Die Ergebnisse zeigten, dass, wenn die Mobilität der Benutzer einen kritischen Wert erreicht, der Stromverbrauch aller Sender schnell ansteigt. Das DENSE4GREEN-Team entwickelte auch einen Rahmen, um zu verstehen, wie ein Mobilfunknetz für eine maximale Energieeffizienz aufgebaut sein sollte. Die Analyse zeigt, dass die Reduzierung der Größe der Zellen unzweifelhaft einen Weg zu hoher Energieeffizienz darstellt, aber der positive Effekt einer höheren Basisstationsdichte ist dann gesättigt, wenn die der Schaltungsstrom den Sendestrom übersteigt. Ein weiterer Sprung bei der Energieeffizienz kann in der Regel durch das Hinzufügen zusätzlicher Basisstationsantennen erreicht werden, um mehrere Benutzer pro Zelle zu multiplexen. Das zeigt, dass der dichte Einsatz von kleinen Zellen und massiven MIMO die Netzkapazität deutlich erhöhen kann, und würde sicherstellen, dass der Netzenergieverbrauch nicht proportional mit dem Volumen des Datenverkehrs steigt.
Schlüsselbegriffe
Dichtes Netzwerke, 5G, kleine Zellen, Energieeffizienz, DENSE4GREEN, massive MIMO
