Bell Labs Forschung zeigt: unterschiedlich große Funkzellen ermöglichen bis zu 50 % Energieersparnis in Mobilfunknetzen

Das Forschungsprojekt IntelliSpektrum ist ein Gemeinschaftsprojekt von Bell Labs, dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut und der Intel Mobile Communications GmbH

January 27, 2015

Stuttgart, 27. Januar 2015 Bell Labs, der Forschungszweig von Alcatel-Lucent (Euronext Paris und NYSE: ALU), hat Forschungsergebnisse aktueller Forschungen zur Energieeinsparung in Mobilfunknetzen vorgestellt. Sie  belegen, dass die kombinierte Nutzung von großen (Makrozellen) und kleinen  Funkzellen (Small Cells) den Energieverbrauch heutiger mobiler Ultra-Breitband-Netze beträchtlich senken und sie gleichzeitig leistungsfähiger machen kann.

Diese Erkenntnisse sind das Ergebnis des Forschungsprojekts IntelliSpektrum, das gemeinsam von Bell Labs, dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut und der Intel Mobile Communications GmbH realisiert wurde.

Ziel des Projekts war es zu zeigen, wie Basisstationen dynamisch an die Netzlast angepasst werden können und dabei Energie einsparen ‒ vor dem Hintergrund der Zunahme mobilen Datenverkehrs und steigender Zahlen vernetzter Geräte. Dabei soll die Servicequalität für Endnutzer nicht beeinträchtigt werden. Die wichtigsten Ergebnisse des Forschungsprojektes: 

  • Beträchtliche Energieeinsparungen lassen sich in heterogenen Mobilfunknetzen (HetNets) erzielen, die aus Makro-, Metro-, Pico- und Femtozellen bestehen.
  • Mehr als 50 % Energieeinsparung wurden bei Mobilfunknetzen mit einer hohen Anzahl von Small Cells, verglichen mit reinen Makrozellen, erreicht. IntelliSpektrum hat diese Ergebnisse kontinuierlich in die GreenMeter-Studie der GreenTouch-Initiative einfließen lassen. Dieser verbesserte Simulationsansatz wird künftig benutzt und über die GreenTouch-Publikationen verbreitet. 
  • HetNets können die vorhandene Infrastruktur effizienter nutzen, da sie sich flexibler an hohe und niedrige Netzauslastungen anpassen können.
  • Die Zahl der Funkzellen, die sich in unmittelbarer Nähe heutiger Ultra-Breitband-Netze befinden, stellt ein mögliches Risiko für Interzellen-Interferenz (ICI) dar und verringert dadurch die Servicequalität. Interferenz-Koordination hingegen reduziert das Risiko von ICI und zieht eine Verbesserung der Energieeffizienz und eine Leistungssteigerung nach sich. Ein Zuwachs von 10 % im Downlink (wenn sich die Funkzelle mit dem mobilen Gerät verbindet) und mehr als 50 % Zuwachs im Uplink (wenn sich das mobile Gerät mit der Funkzelle verbindet) wurden beobachtet.

 

Zitate:

„Das IntelliSpektrum-Forschungsprojekt ist ein überzeugendes Beispiel für die Zusammenarbeit von Alcatel-Lucent und Bell Labs mit anderen Branchengrößen, die darauf zielt, Innovationen hervorzubringen. Wir engagieren uns für die Erforschung und Entwicklung von energieeffizienten Produkten und Technologien, die zu einer verbesserten Netzleistung führen. Die Ergebnisse des Projekts unterstreichen die strategische Wichtigkeit von Small Cells und belegen, dass Netzbetreiber durch den Einsatz unterschiedlicher Funkzellen eine höhere Energieeffizienz und verbesserte Netzleistungen erzielen – und so die Zufriedenheit ihrer Kunden verbessern und ihre eigene Effizienz steigern können“, sagt Marcus Weldon, Präsident von Bell Labs und CTO von Alcatel-Lucent.

„Mit unserer Forschungsarbeit wollen wir einen wichtigen Beitrag bei Themen wie Energie, Kommunikation und Mobilität leisten. Wir beabsichtigen, die Forschungsergebnisse als Basis für angestrebte Verbesserungen in der Kommunikationsbranche zu nutzen, um dadurch das Leben vieler Menschen zu erleichtern“, kommentiert Dr. Vincenzo Carrubba, Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik.

„Unsere wissenschaftlichen Entdeckungen helfen uns dabei, bahnbrechende Kommunikationslösungen zu schaffen. Dieses Forschungsprojekt hat uns die Gelegenheit gegeben, aufzuzeigen, wie  HetNets die Signalverarbeitung im Speziellen und Mobilfunknetze im Allgemeinen verbessern können“, sagt  Dr. Thomas Haustein, Head Wireless Networks am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut.

„Intels XMM™ Produktfamilie umfasst leistungsfähige Plattformen für Mobilfunkmodems, Smartphones, Tablets und Ultrabooks™, benötigt nur wenig Platz auf einer Leiterplatte und hat einen geringen Energieverbrauch. Zukünftige Mobilfunknetze benötigen intelligentere Geräte für ein außergewöhnlich gutes Anwendererlebnis. Das Intellispektrum-Projekt hat einige neue Merkmale definiert, die das ermöglichen.  Das Projekt setzt unsere Bemühungen zur Energieeinsparung und für ein verbessertes Nutzererlebnis bei unseren Mobilfunkkomponenten fort“, ergänzt Stefan Wolff, Vice President der Platform Engineering Group von Intel.

Das Forschungsprojekt IntelliSpektrum wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert. Im Rahmen des IT2Green-Programms des Ministeriums sollen Technologien entwickelt werden, die ein intelligentes Spektrummanagement ermöglichen und einen energieeffizienten, serviceoptimierten Zugang zu flexiblen, hierarchischen Mobilfunknetzen gewährleisten. Das Projekt wurde offiziell im September 2014 mit der Präsentation der Ergebnisse im Rahmen eines öffentlichen Workshops beendet.

 

Technischer Hintergrund

Als Teil des Forschungsprojekts wurden seitens der Unternehmen mehrere Hard- und Software-Prototypen entwickelt:
 

  • Bell Labs:
    • Im Basisstationssender verwendeten die Bell Labs ein flexibles Dualband-Verstärkermodul, das die Frequenzbänder I (2,1 GHz) und  7 (2,6 GHz) abdeckt. Als Endverstärker entwickelten die Forscher verschiedene dualbandfähige GaN-basierte Verstärker wie Class-ABJ (FhG-IAF Freiburg).
    • Das Basisstationsempfängermodul beinhaltete einen GaN-basierten rauscharmen Breitbandverstärker (FhG-IAF Freiburg), kombiniert mit Tribandfiltern, die die Frequenzbänder I (1900 MHz), 5 (800MHz) und 7 (2500 MHz) unterstützen.
    • Bell Labs entwickelten einen auf neuralen Netzen basierenden Ansatz zur Verstärkung und Linearisierung von  verschiedenen Verstärkertypen. Die Linearisierung erfolgte für den Class-ABJ (IAF) Verstärker, um das Potenzial zur Verbesserung der Linearisierung und Energieeffizienz zu untersuchen.
    • Schließlich schrieben Bell Labs Management- und Kontrollsoftware, um die Basisstation der jeweiligen Netzsituation dynamisch anpassen zu können. Die Funktionsweise demonstrierten die Entwickler, indem sie den flexiblen Empfänger kontrollierten und an simulierte Szenarien anpassten.
  • Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik:
    • Als Basisstationssender wurde ein hochleistungsfähiges und flexibles Endverstärkermodul entworfen, das auf einem neuartigen Dualband-Class-ABJ-Konzept basiert. Das Dualband-Class-ABJ-Modul bietet einen hohen Leistungsgrad von bis zu 60 % und eine Ausgangsleistung bis zu 30 Watt bei Aufrechterhaltung der Linearität und Verstärkung > 10 dB in den avisierten Frequenzbändern I (UMTS – 2100 MHz) und 7 (LTE – 2600 MHz). Mehrere Verstärker-Designs und Module, die auf der GaN-Technologie (Galliumnitrid) basieren, wurden entwickelt.
    • Als Basisstationsempfänger wurde ein linearer, breitbandig-gebündelter MMIC-LNA (rauscharmer Verstärker mit monolithischer Mikrowellenschaltung) mit sehr hoher Verstärkung  G > 30 dB und niedriger Rauschzahl NF < 1 dB für das breite Frequenzband 0,4 – 3 GHz entworfen. Verschiedene MMIC-LNA-Konzepte, wiederum in AlGaN/GaN-Technologie, wurden implementiert, gebündelt und beschrieben.
  • Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut:
    • Eine Referenzimplementation des Kanalmodells QuaDRiGa wurde unter der Lesser GNU Public License (Lizenz für freie Software der Free Software Foundation) veröffentlicht.
  • Intel  Mobile Communications
    • Intel Mobile Communications entwickelten eine neue Technologie, um den Energieverbrauch von Modems in mobilen Endgeräten zu überwachen und in den Zusammenhang mit der Netzumgebung, dem Gerätezustand und der genutzten Anwendung zu setzen.
    • Das Unternehmen entwickelte Prototypen von integrierten Strommessschaltungen. Diese Schaltungen erlauben eine Beobachtung des Stromverbrauchs wichtiger Bauteile von Mobilfunkmodems.
    • Die Genauigkeit der neuen Monitoring-Technologie ermöglicht es Endgeräten, schneller auf Veränderungen im Netz zu reagieren. Die Monitoring-Funktion kann bedarfsgerecht an- oder abgeschaltet werden und ihre Granularität verändert werden, um leichte und skalierbare Lösungen zu ermöglichen.

Fraunhofer Institute for applied solid state physics (f-iaf)

Fraunhofer IAF is one of the leading research institutions worldwide in the area of III-V semiconductors and diamond. We develop electric and optical devices based on modern semiconductor materials. IAF’s research and development work covers the entire value chain – from materials research through design, technology and circuits to modules and systems. The research results are used in fields such as security, energy, communication, health and mobility.

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JULIA ROEDER                       Julia.Roeder@iaf.fraunhofer.de                    T : +49 (0) 5159 257 450

 Fraunhofer Heinrich Hertz Institut

Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut ist weltweit führend in der Entwicklung von mobilen und festen Breitband-Kommunikationsnetzen und Multimedia-Systemen. Zusammen mit internationalen Partnern aus Forschung und Industrie arbeitet das Fraunhofer HHI an photonischen Komponenten und Systemen, faseroptischen Sensorsystemen oder High-Speed Hardware Architekturen. Das HHI ist kompetenter Partner für Themen wie 3D-Broadcasting, Mensch-Maschine-Interaktion durch Gestensteuerung, Bildsignalverarbeitung und -übertragung und interaktive Mediennutzung.

Über Intel
Intel (NASDAQ: INTC) das weltweit führende Unternehmen in der Halbleiterinnovation, entwickelt und produziert die grundlegende Technik für die Computerprodukte unserer Welt. Als einer der Vorreiter in den Bereichen unternehmerischer Verantwortung und Nachhaltigkeit produziert Intel die weltweit ersten auf dem Markt verfügbaren „konfliktfreien“ Mikroprozessoren. Weitere Informationen über Intel finden Sie unterhttp://www.intel.de/newsroom und http://blogs.intel.com. Details zu Intels Engagement rund um das Thema „konfliktfreie Materialien“ sind unter unter conflictfree.intel.com verfügbar.

Intel, das Intel Logo, Intel Core, Intel Curie, Intel RealSense und Intel Quark sind Marken der Intel Corporation in den USA oder anderen Ländern. 

Über Alcatel-Lucent (Euronext Paris und NYSE: ALU)

Alcatel-Lucent ist ein führender Spezialist für IP-Networking, Ultra-Breitband-Zugang und Cloud-Technologie. Wir engagieren uns dafür, die Kommunikation innovativer, nachhaltiger und zugänglich für Menschen, Unternehmen und Regierungen weltweit zu machen. Unser Ziel ist es, zuverlässige Netzwerke zu entwickeln und bereitzustellen, die unseren Kunden einen echten Mehrwert bieten. Jeder Erfolg hat sein Netzwerk.

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