Das Aufkommen von Technologien wie 5G und Wi-Fi 6 ist eine Bestätigung dafür, dass die Zukunft der drahtlosen Infrastruktur gehören wird. Fast jedes Handheld-Gerät mit integriertem Computer verfügt über drahtlose Konnektivität wie Mobilfunk, WLAN, Bluetooth und/oder Funk. Die gesamte Netzwerkinfrastruktur wird als Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) bezeichnet und ist einer der wichtigsten Technologiesektoren der letzten Zeit. Eine der Hauptanwendungen von IKT sind Telekommunikationsnetze. Sie bilden das Fundament und die Voraussetzung für alle Smartphones auf der Welt.
Gegenwärtig entfällt ein erheblicher Teil des Energieverbrauchs von IKT auf die Netzwerkinfrastruktur. Schätzungsweise ist die IKT für zwei bis vier Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Auch die Zahl der Internetnutzer steigt mit mehr als 5 Milliarden aktiven Nutzern sehr schnell und wird sich im nächsten Jahr voraussichtlich um weitere 300 Millionen erhöhen. Infolgedessen wird es voraussichtlich zu einem Anstieg des Strombedarfs kommen. Energieeffizienz wird daher eine der obersten Prioritäten für kabelgebundene Netzwerke und Serviceinfrastrukturen sein, gefolgt von einer optimierten Bereitstellungsplanung für drahtlose Technologien wie 5G.
Im Rahmen konsequenter Forschungsanstrengungen wird der Stromverbrauch von Netzwerkgeräten analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse führen zu Lösungen, mit denen sich der Stromverbrauch minimieren lässt, ohne dass die Dienstgüte beeinträchtigt wird. Mit Energiesparstrategien in der IKT kann der globale CO2-Fußabdruck um etwa 15 Prozent reduziert werden. Einige dieser Strategien werden nachstehend näher ausgeführt.
Das Netz teilweise in den Ruhezustand versetzen oder abschalten
Die gegenwärtigen Telekommunikationsnetze sind auf Spitzenlasten ausgelegt. Szenarien mit mittlerem und geringem Bedarf wird nur sehr wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Ein Netz, das bei geringem Bedarf Komponenten abschalten kann, wird also anpassungsfähiger sein und insgesamt weniger Strom verbrauchen. Eine der Strategien zur Erreichung dieses Ziels ist dynamische Topologieoptimierung. Sie ist sehr effektiv, wenn der Bedarf außerhalb der Spitzenzeiten weniger als 50 Prozent der maximalen Nachfrage beträgt. Diese Strategie erfüllt die aktuellen Lastanforderungen, indem unter den verfügbaren Topologien diejenigen mit minimalem Energieverbrauch ausgewählt werden.
Eine ähnliche Strategie, die sogenannte dynamische Bandbreitenzuweisung, wird auch für Festnetz-Zugangsarten von Netzwerken verfolgt. Dies ermöglicht höhere Bitraten für Nutzer. Gleichzeitig können bei Bedarf auf demselben Medium auch niedrigere Bitraten für Nutzer bereitgestellt werden. Diese Strategien kommen bei LTE-Advanced zum Einsatz, dem LTE-Nachfolger mit fortschrittlichen Repeatern. Das Quectel EM06 von Quectel Wireless Solutions ist ein solches Produkt auf Basis von LTE-Advanced und wurde speziell für M2M (Machine-to-Machine)- und IoT-Anwendungen optimiert. Es besitzt einen M.2-Formfaktor und kann Datenraten von bis zu 300 Mbit/s im Downlink und von 50 Mbit/s im Uplink liefern.
Herkömmliche Repeater sind immer eingeschaltet. Dadurch wird das Signal von einer Basisstation verstärkt oder regeneriert, um die Netzwerkreichweite zu erhöhen. Bei fortschrittlichen Repeatern kann das Netzwerk den Repeater nur dann ansteuern und aktivieren, wenn sich ein Nutzer in seiner Reichweite befindet.
Optischer Bypass
Das oben beschriebene Abschalten der einzelnen Komponenten spart viel Energie. In Kombination mit verschiedenen anderen Verfahren können weitere Energieeinsparungen bei den aktiven Komponenten erzielt werden. Eines dieser Verfahren ist der optische Bypass. Er wird bereits eingesetzt, um die Belastung für die aktiven Komponenten zu verringern und die Kosten zu senken. Der Hauptrouter verarbeitet nur den für den Zwischenknoten bestimmten Datenverkehr; der Rest verbleibt in der optischen Verbindung. Zu diesem Zweck werden optische Add/Drop-Multiplexer (OADMs) verwendet, um den Lichtweg so zu schalten, dass die Eingangsfaser direkt mit der Ausgangsfaser verbunden ist. FWSF-M/D-1310/CWDM-LC von Finisar ist ein solcher OADM, der einen Einkanaleingang unterstützt und über einen LC-Anschluss mit 1310 nm verfügt.
Der optische Bypass beseitigt die optisch-elektrisch-optischen (OEO) Umwandlungen an jedem Knoten mithilfe des optischen Cross-Connect (OXC) oder von OADMs. Mit dem Algorithmus für energieeffizientes Grooming (Power-Efficient Grooming Algorithm, PEGA) wird die Aufteilung des Lichtpfads bestimmt, indem der Stromverbrauch von Netzwerkkomponenten wie Routern, optischen Verstärkern, Transceivern usw. analysiert wird. Auf diese Weise kann die Leistung des Routers reduziert werden, wodurch Gesamtkosten und Stromverbrauch sinken. Mithilfe des optischen Bypass lässt sich der Energieverbrauch um bis zu 45 Prozent verringern.
Adaptive Verbindungsraten
Eine weitere Möglichkeit zum Reduzieren der Belastung aktiver Komponenten sind adaptive Verbindungsraten für die Netzwerkleitungen. Damit werden mehrere Verbindungsraten mit niedrigeren und höheren Geschwindigkeiten in einer einzigen Verbindung unterstützt. Nutzer, deren Anforderungen schon mit niedrigeren Verbindungsraten erfüllt werden, sparen mehr Energie. Diese Strategie zeigt bereits ihr Potenzial bei Heim-Gateways. Ein Produkt, das diese Strategie nutzen kann, ist beispielsweise der PEF22622FV1.4 von Intel. Es handelt sich um einen ratenadaptiven SDSL-Transceiver mit einem Chip und integrierter Startfunktion. Er unterstützt in Schritten von 8 kBit/s alle Datenraten von 144 Kbit/s bis 2,3 Mbit/s.
Poweruser, die höhere Verbindungsraten von bis zu 10 Gbit/s benötigen, werden jedoch möglicherweise keinen großen Unterschied feststellen, da der Stromverbrauch immer bei den höheren Geschwindigkeiten liegt. Diese Strategie hat auch weniger Auswirkungen auf Kernnetzwerke, da der verarbeitete Datenverkehr immer konstant ist und weniger Schwankungen aufweist.
Hybrid Optical Switching
Einrichtungen wie Rechenzentren müssen ständig ein enormes Datenaufkommen bewältigen. Aufgrund ihrer beträchtlichen Bereitstellungsgröße und des Dauerbetriebs gehören sie zu den leistungshungrigsten Komponenten in der IKT. Das Energiesparpotenzial in Rechenzentren ist immens. Die Forschung zeigt, dass mit Hybrid Optical Switching (HOS) Energieeinsparungen von bis zu 32 Prozent möglich sind. HOS kombiniert optische Schaltkreise, Burst und Paketvermittlung im selben Netzwerk. Je nach Anwendung kann das HOS-basierte Netzwerk auf den optischen Transportmechanismus abgestimmt werden, der am besten zu den Anforderungen der Rechenzentren passt.
HOS besteht aus zwei parallelen optischen Schaltern, um den Stromverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Netzwerkleistung zu erhöhen. Der erste Schalter ist langsam und energieeffizient mit langen Bursts, während der zweite Schalter schnell mit kurzen Bursts für die Übertragung ist. Diese flexible Strategie lässt sich ohne größere Anpassungen rasch in die bestehende Infrastruktur integrieren.
Fazit
Die Telekommunikation ist einer der am schnellsten wachsenden Sektoren mit einem beträchtlichen Potenzial für Energieeinsparungen. Die Einführung von 5G ebnet vielen Strategien für Energieoptimierung und Erhöhung der Energieeffizienz den Weg. Auch Gateways in Heimnetzwerken greifen diese Strategien auf, da ihr Anteil am Stromverbrauch in Wohngebieten erheblich ist.
