Network Energy Saving (NES)

Network Energy Saving (NES)

Optimierung des RAN-Stromverbrauchs

Energieeffizienz für Mobilfunknetze

Zunehmender Kostendruck und Verpflichtungserklärungen für Net Zero haben die Energieeffizienz zur strategischen Priorität für Mobilfunknetzbetreiber werden lassen. Laut einer Umfrage unter Netzbetreibern, die 2023 von GSMA Intelligence durchgeführt wurde, ist die Nachhaltigkeit derzeit der wichtigste Aspekt der Netzweiterentwicklung.

Auf den Energieverbrauch entfallen weiterhin durchschnittlich 20 – 40 % der Betriebskosten (OpEx) der Mobilfunknetzbetreiber, trotz aller laufenden Bemühungen um höhere Effizienz. Die Kostenoptimierung ist vor dem Hintergrund der meist schmalen Umsatzzuwächse im Telekommunikationsbereich ein dringliches Thema – insbesondere angesichts der laufenden 5G-Ausbaumaßnahmen, die sich in Form hoher Kapitalaufwendungen (CapEx) in den Bilanzen der Mobilfunkbetreiber niederschlagen. Eine Reduzierung der Energiekosten um 5 – 10 % würde den Cashflow um 2 bis 3 Prozentpunkte verbessern – auch wenn sich beim Umsatz nichts bewegt. Nachhaltigkeit hat aber auch für die Verbraucher einen hohen Stellenwert. 30 bis 60 Prozent der Telekommunikationskunden geben an, dass sie für Mobilfunktarife, die CO2-neutral sind, einen Aufpreis bezahlen würden.

Das Funkzugangsnetz (Radio Access Network, RAN) macht den Großteil des Energieverbrauchs eines typischen Mobilfunksystems aus, und die Radio Units (O-RU) sind dabei der bedeutendste Faktor. In den RAN-Energieverbrauch fließen die Basisstationen – BTS, Node B, eNodeB, gNodeB – sowie die zugehörige Infrastruktur ein, wie etwa Klimatisierung, Wechselrichter und Gleichrichter. Weitere Komponenten sind die Energie für Repeater sowie der gesamte Energieverbrauch im Zusammenhang mit dem Backhaul-Transport.

Komponenten des Stromverbrauchs eines O-RAN-Netzes
Komponenten des Stromverbrauchs eines O-RAN-Netzes

Energieeffizienz für O-RAN Radio Units

Open RAN (O-RAN) stellt ein neues Konzept für Telekommunikationsnetze dar, das die folgenden Aspekte in den Fokus rückt:

  • Disaggregation von Hard- und Softwarekomponenten
  • Verwendung von offenen Schnittstellen
  • Einsatz von Virtualisierung und Cloud-nativen Architekturen.

O-RAN bricht traditionelle proprietäre Silos auf und setzt stattdessen auf Interoperabilität von Komponenten verschiedener Hersteller. Dieses Konzept soll Innovationen unterstützen und ermöglicht größere Flexibilität und Effizienz bei der Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkdiensten.

Die technologischen Lücken zwischen traditionellem RAN und O-RAN schließen sich allmählich. Einige O-RAN-Elemente wie nicht-komplexe Macro Radio Units (RU) und Cloud-Plattformen sind inzwischen technisch ausgereift und bereit für den großflächigen Einsatz.

Die Datenübertragung von 5G ist zwar wesentlich effizienter als bei 4G. Dennoch ist mit einem erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs zu rechnen, da die Mobilfunknetze künftig auch viel höhere Datenraten bereitstellen werden. Die O-RAN Radio Units (O-RU) allein machen 60 – 80 % des gesamten Energieverbrauchs eines 5G-Mobilfunknetzes aus. Für die Netzbetreiber kommt der Energieeffizienz dieser O-RU eine entsprechend hohe Priorität zu. Das allgemeine Ziel ist die Optimierung der Energieeffizienz des O-RAN-Netzes, ohne bei O-RAN-Konzepten wie Cloudification und Disaggregation Abstriche machen zu müssen.

Ihre Herausforderungen bei der Reduzierung des Netzenergieverbrauchs

Ohne Ausnahme war bisher jede neue Mobilfunkgeneration effizienter als ihre Vorgängertechnologie. Seit 2G hat sich die Energieeffizienz dementsprechend stark verbessert – dank optimierter Modulationsverfahren, die einerseits die Qualität des übertragenen Signals verbessern und andererseits mit weniger Energie pro Bit auskommen. 4G und 5G sind mindestens fünfmal energieeffizienter als 3G, und 5G Massive Multiple Input Multiple Output (M-MIMO) ist mindestens dreimal energieeffizienter als 4G M-MIMO. Ohne weitere Maßnahmen würde der Energieverbrauch wohl dennoch in die Höhe schnellen, da die Mobilfunknetze immer dichter werden, um die höheren Datenraten unterstützen zu können, die die Endverbraucher verlangen.

Netzverdichtung bezeichnet die Installation vieler kleiner Basisstationen (oder gNB in 5G-Netzen) zur Erhöhung der Netzkapazität durch effiziente Wiederverwendung von Frequenzen. Bei M MIMO werden große Antennenarrays eingesetzt, um schmale räumliche Strahlen zu erzeugen und mehrere Benutzer gleichzeitig mit denselben Zeit-Frequenz-Ressourcen zu bedienen. Ein höherer Benutzerdurchsatz geht mit einem erhöhten Stromverbrauch einher:

  • Neue Basisstationen und gNBs tragen zum Stromverbrauch bei.
  • Basisstationen können mit großen Antennenarrays ausgestattet sein, und jedes dieser Antennenelemente benötigt Hardware, die mit Strom betrieben wird.

Aus messtechnischer Perspektive sind die folgenden Herausforderungen anzuführen:

  • Gleichzeitige Überwachung von Spannung, Strom und Leistung mit HF-Qualität (-Performance) unter unterschiedlichen Datenlastbedingungen
  • Dynamische Echtzeitüberwachung
  • Isolierung von Netzwerk-Subelementen bis auf Chipsatzebene
  • Charakterisierung eines virtualisierten RAN (vRAN)

Leistungsstarke Lösungen zur Reduzierung des Netzenergieverbrauchs

Ein Netzgerät stellt die wirtschaftlichste Lösung zur Messung des RU- und O RU-Stromverbrauchs dar. Es bietet auch eine hohe Messauflösung und -genauigkeit über längere Zeiträume.

Die R&S®NGP Netzgeräteserie von Rohde & Schwarz sorgt für eine stabile Stromversorgung des Prüflings (DUT). Das R&S®NGP Netzgerät misst den Gesamtstromverbrauch präzise mit einer Zeitauflösung von 8 ms.

Ein Oszilloskop mit Stromzangen und Spannungstastköpfen stellt eine weitere Option dar. Für diese Lösung bieten wir:

  • R&S®RTO6 Oszilloskop: das beste Werkzeug für die Korrelation der Stromverbrauchsdynamik mit Änderungen im übertragenen HF-Signal
  • MXO4 Oszilloskop: ideal für die Überwachung dynamischer Leistungsmessungen selbst bei schnellen Lastwechseln

Beide Geräte harmonieren perfekt mit der R&S®RT ZC31 Stromzange und dem differenziellen R&S®RT ZHD07 Hochspannungstastkopf. Je nach Anwendung können Sie auch den hochdynamischen R&S®RT ZVC Leistungsmesskopf in Erwägung ziehen, der sich ideal zum Debuggen des Stromverbrauchs einzelner O-RU-Komponenten eignet.

Wir haben außerdem in Zusammenarbeit mit VIAVI Solutions eine vollautomatische Testlösung zur Überprüfung der Energieeffizienz von O-RUs entwickelt. Dieser Aufbau umfasst das R&S®RTO6 Oszilloskopund ein R&S®NGP Netzgerätmit allen erforderlichen Tastköpfen. Der gesamte Aufbau wird durch die O-RU Test Manager Application (O-RU TMA) von VIAVI gesteuert und schlüsselfertig automatisiert, die die in der O-RAN ALLIANCE Fronthaul Working Group Conformance Test Specification (O-RAN.WG4.CONF.) definierten Testskripte zur Energieeffizienz, die von ETSI (ES 202 706-1) definierten Testfälle oder benutzerspezifische Testskripte ausführt.

R&S®RTO6 Oszilloskop

Schnelles Debugging mit Bandbreiten bis zu 6 GHz und Leistungsmessungen mit Ereignis-Trigger

Produktinformationen

MXO4 Oszilloskop

Weltweit höchste Echtzeit-Aktualisierungsrate mit hoher Auflösung für präzise Leistungsmessungen

Produktinformationen

R&S®NGP800 Netzgeräteserie

Stabile Ausgangsspannung zur Stromversorgung von (O-)RU mit Serien-/Parallelschaltung für hohe Spannung/Stromstärke

Produktinformationen

R&S®VSE Vector Signal Explorer Software

Software für das R&S®RTO6 Oszilloskop zur Analyse der HF-Qualität der übertragenen Daten

Produktinformationen

R&S®SMM100A Vektorsignalgenerator

Hervorragende HF-Eigenschaften über den gesamten Frequenzbereich mit Unterstützung für O-RAN-Testfälle

Produktinformationen

R&S®FSVA3000 Signal- und Spektrumanalysator

Größte Bandbreite seiner Klasse und hervorragende HF-Leistung und Benutzerfreundlichkeit

Produktinformationen

Vorteile unserer Lösungen zur Reduzierung des Netzenergieverbrauchs

Die Lösungen von Rohde & Schwarz bieten umfassende Möglichkeiten zur Messung des RU- und O-RU-Stromverbrauchs. Unser vollautomatisierter Aufbau, entwickelt in Zusammenarbeit mit VIAVI Solutions, unterstützt vordefinierte Testfälle gemäß der O-RAN ALLIANCE Fronthaul Working Group Conformance Test Specification (O-RAN.WG4.CONF.) sowie ETSI ES 202 706-1 V1.6.1 (2021-01).

Weitere Vorteile sind:

  • Benutzerfreundlich: echte SPOC-Lösung (Single Point of Control), die F&E- und Konformitätstests von O-RUs unterstützt
  • Vollständig automatisiert: reduzierte Betriebskosten
  • Skalierbar von F&E bis zu Konformitätstests: Einhaltung von Industrie- und Regulierungsstandards
  • Kundenbetreuung: exzellenter weltweiter technischer Support und Ressourcen

Möchten Sie Ihre konkreten Testfälle mit unseren Experten besprechen?

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Video: Prüfung der Energieeffizienz von O-RUs

Sehen Sie sich dieses Video an und erfahren Sie, wie die R&S NGP Netzgeräte die Radio Unit mit Strom versorgen und Spannungs- und Stromstatistiken über der Zeit liefern.

Video sehen

Application Card: Überprüfen der Energieeffizienz von O-RAN Radio Units

O-RAN Radio Units (O-RU) tragen maßgeblich zum hohen Stromverbrauch von 5G-Netzen bei. Die Steigerung der Energieeffizienz von O-RUs, ohne auf wichtige Innovationen der O-RAN-Technologie verzichten zu müssen, stellt daher ein wichtiges Ziel dar.

Mehr Informationen

Poster: Open RAN network topology

Laden Sie dieses Poster herunter, um einen Überblick über die disaggregierte RAN-Architektur von O-RAN, die verschiedenen Low-Layer-Split-Optionen (LLS) und die O-RAN-Fronthaul-Schnittstelle zu erhalten.

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