La croissance explosive du trafic Internet mobile entraîne une augmentation de la consommation d'énergie du réseau et attire l'attention sur de nouvelles techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique sur l'ensemble du réseau, en particulier dans les circuits RF et les bandes de base de stations de base.

Les inconvénients de la croissance explosive des données mobiles

L'énorme popularité des appareils mobiles tels que les téléphones intelligents et les tablettes, ainsi que des services basés sur le cloud pour un usage professionnel et personnel, pousse de plus en plus d'abonnés à accéder à Internet via des connexions sans fil..

La charge sur les réseaux mobiles augmente rapidement. Selon le rapport VNI (Visual Networking Index) de Cisco, environ 1,6 exaoctets de données mobiles sont générés chaque mois dans le monde, ce qui a un effet considérable sur la consommation d'énergie du réseau mobile..

Aujourd'hui, les opérateurs dépensent environ 2 milliards de dollars par an pour alimenter leurs réseaux, et les stations de base consomment une grande partie de ce budget. Selon les chiffres de Vodafone, les stations de base représentent près de 60% de la consommation totale d'énergie du réseau mobile, tandis que 20% sont consommés par les équipements de commutation mobile et environ 15% par l'infrastructure principale..

La faible efficacité des étapes de traitement RF et en bande de base est la principale raison de la consommation d'énergie relativement élevée de la station de base. L'IET a signalé qu'une station de base 3G typique utilise environ 500 W de puissance d'entrée pour produire environ 40 W de puissance RF de sortie..

La chaleur générée par un fonctionnement inefficace doit également être évacuée, généralement par la climatisation, ce qui ajoute à la consommation électrique globale de la station de base. La consommation d'énergie annuelle moyenne d'une station de base 3G est d'environ 4,5 MWh..

Ainsi, pour un réseau mobile 3G couvrant une zone comme le Royaume-Uni, qui compte environ 12 000 stations de base, l’énergie totale consommée sera supérieure à 50 GWh par an. Cela provoque une grande quantité de CO2 et contribue aux coûts de fonctionnement du réseau..

Dans les pays en développement, en revanche, les connexions électriques directes ne sont pas toujours facilement disponibles. Selon le magazine Scientific American (Tweed, 2013), il existe environ 5 millions de stations de base dans le monde, dont 640 000 ne sont pas raccordées à un réseau électrique et sont en grande partie gérées par des générateurs à moteur diesel..

Les coûts de carburant et de transport, ainsi que les défis logistiques liés au maintien continu des stations-service, sont élevés.

À mesure que l'utilisation du mobile augmente dans le monde entier et que le déploiement de la 4G / LTE s'accélère dans les pays développés, la demande de données sans fil continuera d'afficher une croissance explosive. Par conséquent, le coût de l’alimentation et du refroidissement des stations de base sans fil devrait continuer à augmenter..

L’efficacité de la station de base est certes passée de 3% en 2003 à 12% en 2009, mais elle doit encore être considérablement améliorée pour limiter la consommation globale d’énergie du réseau et permettre ainsi aux opérateurs de contrôler leurs coûts d’exploitation..

Améliorer les architectures de réseaux et de stations de base

Plusieurs améliorations sont en cours pour réduire la consommation d'énergie des stations de base mobiles. L'architecture du réseau évolue vers une architecture hétérogène (HetNet) comprenant des stations de base de différentes tailles, comme illustré à la figure 1..

Dans un réseau HetNet, des cellules plus petites comprenant des micro ou pico-stations ayant une portée plus courte et une capacité plus faible, et donc une consommation d'énergie plus faible, sont déployées sur l'ensemble du réseau, en plus des macrocellules..

Cela permet au réseau de s'adapter en permanence à l'utilisation des abonnés et de répondre aux demandes des abonnés en utilisant des ressources énergétiques réduites..

En plus de permettre un accès sans fil plus efficace sur de courtes distances, les cellules plus petites déchargent le trafic des macrocellules, permettant ainsi une utilisation accrue de la gestion de l'alimentation pour réduire davantage la consommation d'énergie de chaque macrocellule..

Dans la station de base, les améliorations apportées au processeur principal de l'unité de bande de base peuvent accroître l'efficacité du traitement des données. Pour optimiser les avantages de telles améliorations, la possibilité d'adapter l'architecture du processeur à une utilisation dans des stations de base ou des macrocellules plus petites permet d'appliquer les mêmes techniques d'économie d'énergie rapidement et à moindre coût sur l'ensemble du réseau..

Efficacité de l'amplificateur de puissance

La partie RF de la station de base consomme plus de la moitié de l'énergie totale, principalement en raison de l'inefficacité de l'AP car la demande de débits de données croissants et l'élargissement de la bande passante contraignent l'amplificateur à fonctionner dans sa région non linéaire. Le rapport de puissance crête à moyenne (PAPR) peut être environ 6-10dB.