- Консумацията на енергия на мрежите (RAN, центрове за данни, свързани сгради) е висока и често невидима, като отоплението и охлаждането са основните виновници.
- Комбинацията от ефикасен хардуер, интелигентно изключване, адаптивни алгоритми и мониторинг на енергията позволява значително намаляване на електрическите отпадъци.
- Интернет на нещата (IoT), интелигентните мрежи и цифровите близнаци, приложени към 5G мрежи и електрическа инфраструктура, позволяват регулирането на търсенето и предлагането почти в реално време.
- Системите за управление на енергията и промените в навиците на потребителите и операторите са от съществено значение за консолидирането на наистина устойчиви комуникационни мрежи.
Ерата на хиперсвързаността ни донесе мобилни телефони, сензори, оптични влакна, 5G мрежи и безброй цифрови услуги, които използваме почти без да се замисляме. Но зад целия този онлайн свят се крие цена, която често се пренебрегва: консумацията на енергия от комуникационните мрежи. Всяка антена, рутер, сървър и охладителен агрегат добавя ватове към сметката за ток и въглеродния отпечатък на сгради, квартали и цели градове.
В същото време нараства натискът за намаляване на емисиите , съкращаване на оперативните разходи и постигане на целите за устойчивост. Добрата новина е, че съществуват технологии, стратегии за проектиране и инструменти за управление, които позволяват значителни подобрения в енергоспестяването в мрежите, от 5G мобилни RAN до домашен IoT, включително центрове за данни и интелигентни мрежи. В следващите параграфи ще разгледаме, спокойно, но задълбочено, какво се случва, защо мрежите консумират толкова много енергия и как да въведем ред в този електрически хаос.
Защо комуникационните мрежи консумират толкова много енергия?
Когато се анализира сграда или инфраструктура, консумацията на енергия от мрежата често е скрита зад по-видими елементи като климатизация или осветление, но истината е, че комутаторите, рутерите, точките за достъп до WiFi, преносните системи и сървърите представляват значителна част от общия разход на енергия.
В центровете за данни и сървърните помещения климатизацията (ОВК) може да се превърне в основен източник на енергия, представлявайки около една трета от общото потребление. Мрежовото оборудване преобразува част от електрическата енергия в топлина и тази топлина трябва да се разсее; следователно, ефективността на захранванията ( сертифицирани по 80 Plus ) играе ключова роля в този процес. Колкото по-мощно и плътно е оборудването, толкова по-горещо става, толкова повече охлаждане е необходимо и толкова по-висока е сметката за енергия, създавайки един вид порочен кръг.
Освен това, в мобилните мрежи, особено с 5G, мрежата за радиодостъп (RAN) е основният двигател на потреблението на енергия . По-голямата част от енергията е концентрирана в устройствата за радиодостъп (O-RU), базовите станции и цялата свързана инфраструктура (захранвания, инвертори, токоизправители, охлаждане, ретранслатори и backhaul и x-haul транспорт). Подобрението в ефективността от ват на бит е реално, но броят на станциите и сложността на архитектурата водят до много висока обща консумация на енергия.
Ако разгледаме корпоративни или сградни мрежи, проблемът е разпространен в активното мрежово оборудване, системите за сигурност, комуникационната електроника и сървърите , като често те работят денонощно, въпреки че сградата е полупразна през по-голямата част от деня или е затворена през почивните дни.
Успоредно с това, масивният приток на свързани устройства (мобилни телефони, таблети, сензори, камери, интелигентни уреди...) води до непрестанен растеж на трафика и броя на мрежовите възли , което оказва натиск върху инфраструктурата и увеличава енергийните нужди, ако всичко не се управлява разумно.
Ключови фактори, които увеличават потреблението на енергия в мрежите
Сметката за електричество за една мрежа зависи не само от това колко устройства са включени, но и от това как се използват, как са конфигурирани и в каква среда работят . Няколко фактора са особено важни.
Топлина и охлаждане: порочен кръг
В комуникационно помещение или център за данни, топлината, генерирана от мрежовия хардуер, налага използването на мощни охладителни системи . Ако температурата се повиши твърде високо, производителността се влошава и животът на оборудването се намалява, което води до склонност към преохлаждане като предпазна мярка. Резултатът е система, която консумира много енергия за захранване на оборудването, което от своя страна изисква още повече енергия за охлаждането му.
Все по-често изследван подход е оползотворяването на отпадната топлина от мрежово оборудване и сървъри . Тази топлина може да се използва повторно за отопление на други части на сградата или близки съоръжения: офиси, домове, басейни или общи части. Този подход за рекуперация на топлина, вече доста широко разпространен в индустриалния сектор и в някои модерни центрове за данни, помага за декарбонизация, като компенсира част от потреблението на енергия с безплатно отопление.
Оборудване в режим на готовност или неактивно, но все още консумира енергия
В много корпоративни мрежи устройствата остават включени, дори когато няма съответен трафик . Комутатори, рутери, точки за достъп, системи за сигурност и спомагателна електроника се оставят в режим на готовност или работят почти бездействащо извън работно време, през нощта или през почивните дни.
Тази ситуация създава така нареченото фантомно натоварване : устройства, които почти не се използват, но продължават да консумират енергия. Някои устройства включват разширени режими на заспиване, които намаляват консумацията на енергия чрез деактивиране на вътрешни модули или намаляване на производителността, когато трафикът е нисък, но тези опции често са деактивирани по подразбиране или са неправилно конфигурирани.
За да се възползвате от тези възможности, е важно да изберете хардуер с добри функции за управление на захранването и да активирате наличните профили за пестене на енергия. Освен това, изборът на протоколи, стандарти и режими на работа може значително да повлияе на консумацията на енергия, така че е най-добре да изберете конфигурации, които отговарят на действителните нужди, а не типичния подход „за всеки случай“, който оставя всичко прекалено проектирано.
Алгоритми за контрол на скоростта на адаптация и производителността
Така наречената скорост на адаптация (или адаптивна скорост) определя скоростта, с която мрежово устройство може да предава пакети, и се превръща в ключов индикатор за неговата производителност. В безжичните мрежи, например, тази скорост варира в зависимост от качеството на сигнала, смущенията или натоварването на клетката.
Мрежовите дизайнери могат да внедрят алгоритми за динамична адаптация на скоростта , които коригират производителността в реално време според нуждите на мрежата. По този начин, когато трафикът намалее или условията се променят, системата се саморегулира и може да работи с по-ниска мощност или капацитет, без потребителят да забележи значителен спад в качеството.
Съществува голямо разнообразие от възможни алгоритми и стратегии, а в среди с напреднали технически възможности е възможно дори да се проектират персонализирани алгоритми , фино настроени към модела на трафика и целите за енергийна ефективност на проекта или оператора.
Практически стратегии за намаляване на потреблението на енергия в мрежите
След като основните причини за разхищение на енергия бъдат идентифицирани, е време да се обърне внимание на тях. Ключът се крие в комбинирането на добър дизайн, интелигентна работа и постоянно наблюдение , без да се губи от поглед качеството на услугата за крайния потребител.
Изключете това, което не ви е необходимо (и знайте какво не може да бъде изключено)
В повечето търговски сгради, офиси или образователни институции реалното използване не е 24/7 . Много мрежови системи обаче остават включени непрекъснато. Установяването на ясни правила за изключване или хибернация на определено оборудване извън нормалното работно време е една от най-простите и ефективни мерки.
Например, точките за Wi-Fi достъп могат да бъдат изключени в райони без нощна активност или през уикендите, както и някои некритични електронни устройства за потребители или достъп. В среди, където покритието позволява, подобряването на сигнала с усилвател на Wi-Fi сигнала може да намали броя на активните точки за достъп. И обратно, някои елементи, като сървъри, предоставящи облачни услуги, системи за наблюдение на сигурността или ключови гръбначни връзки, трябва да останат активни.
Идеята не е да се „изключват нещата само заради самото им изключване“, а по-скоро да се класифицира инфраструктурата по нива на критичност и да се приложат различни работни профили: постоянно включено оборудване, оборудване с планирано изключване, устройства с агресивен режим на ниска мощност и др. Когато е правилно приложен, този подход може значително да намали фантомното натоварване, без да се компрометира непрекъснатостта на услугата.
Мониторинг на енергията: без данни няма спестявания
Дори с добър дизайн и ефективно оборудване, откриването на дисбаланси е почти невъзможно без непрекъснато наблюдение на енергията . Вътрешна повреда, неправилна конфигурация или дори просто отклонение в работата на устройството може да доведе до скок в консумацията му на енергия без видими проблеми с производителността.
Следователно е от съществено значение да има инструменти и софтуер за управление на енергията, способни да отчитат данни в реално време за потреблението на оборудване, стелажи, линии или услуги. Тези системи позволяват бързо идентифициране на аномалии чрез сравняване на текущата производителност с исторически модели или с референтни данни от подобни инсталации.
След като се открие отклонение, следващата стъпка е да се проучи източникът на проблема : Дали е остаряло оборудване? Запушен вентилатор? Настройка на мощността, която е останала в режим „максимален“ след тест? Мониторингът не само повдига алармата, но и предоставя обективна основа за приоритизиране на инвестициите и действията за подобрение.
Дигитализация, интернет на нещата и интелигентни мрежи в услуга на енергоспестяването
Парадоксално е, че същите технологии, които са увеличили потреблението в много области, са и ключови съюзници в контролирането и намаляването му . Интернет на нещата (IoT), 5G, интелигентните мрежи и усъвършенстваните системи за управление на енергията ни позволяват да преминем от „сляпа“ мрежа към инфраструктура, която е наясно със собственото си потребление.
Интернет на нещата и енергийна ефективност: от интелигентна фабрика до интелигентни градове
Интернетът на нещата свързва машини, сензори и устройства помежду си , или чрез интернет, или чрез специални частни мрежи. Този слой от сензори и изпълнителни механизми прави възможно контролирането и автоматизирането на потреблението в реално време, без непрекъсната намеса на потребителя.
В индустриалния сектор, Индустрия 4.0 използва сензори за измерване на консумацията на енергия от машини и производствени линии, като изпраща тези данни до платформи за управление, които анализират потреблението в реално време. Тази информация позволява корекции на графици, натоварвания и режими на работа, адаптирайки потреблението на енергия към реалните производствени нужди и предотвратявайки ненужни пикове.
В градовете, проектите за интелигентни градове прилагат Интернет на нещата (IoT) към обществената инфраструктура : осветление, което се регулира според наличието на хора или превозни средства, общински сгради с интелигентен климатичен контрол, автоматично напояване въз основа на данни за влажност и др. Примери като инсталирането на сензори в уличните лампи, които се активират само когато засекат движение, вече са реалност в няколко испански града.
Вкъщи, свързаните уреди и системите за домашна автоматизация ви позволяват да регулирате температурата, осветлението и работата на оборудването въз основа на графици, външни условия или тарифи за електроенергия. Сензорите събират данни за потреблението в реално време, които след това се използват за прогнозен анализ, помагайки за предвиждане на пиковото потребление и по-добро планиране на това какво и кога да се включва.
Интелигентни мрежи: по-интелигентни и по-ефективни електрически мрежи
Интелигентните мрежи интегрират ИКТ, сензори и комуникационни системи, за да координират производството, разпределението и потреблението. Вместо твърда, еднопосочна мрежа, те създават интерактивна система, в която потребителите могат да станат и производители (потребители).
Благодарение на тези мрежи е възможно оборудването да се включва или изключва според нуждите на мрежата , като се регулира търсенето и предлагането почти в реално време. Европейски проучвания и проекти показват, че могат да се постигнат икономии на енергия до 30%, когато тази координация се управлява добре, комбинирайки централизирано и децентрализирано производство (като фотоволтаични панели и покривни микро вятърни турбини).
Инициативи като европейската платформа Enersip демонстрираха, че с интелигентни контакти, сензори за потребление и надеждна платформа за данни е възможно да се следи подробно потреблението на електроенергия в домове, бизнеси и цели квартали. Тези данни позволяват откриване на модели, прогнозиране на пиковото търсене и прилагане на автоматични или препоръчителни мерки за контрол за потребителите.
Едно особено интересно откритие е, че промяната в поведението на потребителите е също толкова важна, колкото и технологиите . В пилотни проучвания около половината от потенциалните спестявания идват просто от повишена осведоменост и използване на уеб-базирани инструменти, които предоставят данни за потреблението в реално време и конкретни препоръки (например, планиране на пералнята да работи в ранните часове на сутринта, вместо да се използва в пиковите часове).
Интернет на нещата и транспорт: по-ефективни маршрути и по-малко гориво
Транспортът е един от най-енергоемките сектори , като представлява близо 40% от общото потребление в страни като Испания. Тук Интернет на нещата (IoT) е намерил идеално приложение за пестене на гориво и подобряване на ефективността.
Със свързани превозни средства могат да се планират оптимални маршрути по отношение на време и разход на гориво , да се избягват задръствания и да се управляват централизирано автопарковете. Бордовите сензори следят работата на двигателя, стила на шофиране и цялостното състояние на превозното средство, като откриват проблеми с енергийната ефективност или поддръжката, преди те да се превърнат в по-високи разходи.
Ако това се комбинира с интелигентна инфраструктура за зареждане на електрически превозни средства, координирана с интелигентни мрежи и с информация в реално време за мрежата, се постига много по-ефективна екосистема при използването на енергия , както на електричество, така и на изкопаеми горива.
Енергийното предизвикателство на 5G мрежите и възможността за ефективност
Последните проучвания показват, че хардуерът на 5G мрежата може да консумира от два до четири пъти повече енергия от 4G мрежите , когато се сравнява с еквивалентна инфраструктура. Това представлява двойно предизвикателство: поддържане на обещаната 5G производителност, латентност и капацитет, без неустойчиво увеличаване на оперативните разходи (OPEX) или въглеродния отпечатък.
Въпреки това, няколко технологични постижения помагат за противодействие на това увеличение: виртуализация на мрежовите функции (NFV) , усъвършенствано мултиплексиране във влакнестите оптични влакна, антени с течни кристали (LC) и високоефективни радиоустройства с пасивно охлаждане, наред с други. Всичко това сочи към по-гъвкава мрежа, способна да включва и изключва капацитет според реалното търсене.
RAN и O-RAN: основният фронт за спестявания в мобилните мрежи
В рамките на мобилната мрежа, RAN представлява над 70% от общото потребление на енергия . Въвеждането на отворени и дезагрегирани архитектури като O-RAN представлява значителна възможност за оптимизиране на тези разходи, благодарение на по-голямата програмируемост и възможността за използване на решения от множество доставчици.
В лабораторията операторите могат да тестват различни енергоспестяващи конфигурации на своето RAN оборудване: режими на заспиване на клетките, регулиране на мощността, частично изключване на носещата честота и др. Предварителното валидиране на тези стратегии, комбинирано с интегрирани инструменти за тестване (оптични, радиочестотни, синхронизация, анализ на смущения), гарантира, че целите за ефективност не компрометират потребителското изживяване.
В полеви условия оптимизирането на оптичните връзки за пренос на данни (backhaul) и х-хаул е от решаващо значение. Добре сертифицираните, високопроизводителни връзки намаляват загубите, предотвратяват повторно предаване и удължават живота на оборудването, което води до по-малко консумация на енергия от мрежата за пренос на същия обем данни.
Локационна интелигентност и дигитални близнаци
Комбинацията от усъвършенствани анализи, данни за мобилност и машинно обучение позволява създаването на цифрови близнаци на мрежата, които симулират нейното поведение при различни условия. Тези виртуални модели, захранвани с реални данни, могат да предскажат въздействието от изключването или намаляването на сигнала в определени часове и места.
По този начин операторът може частично или напълно да изключва клетките, да регулира наклона на антената и да преразпределя трафика, като същевременно поддържа приемливо качество на услугата. Цифровият близнак изчислява баланса между икономиите на енергия и абонатното изживяване, което позволява непрекъсната фина настройка на мрежовите параметри като част от текущ цикъл на оптимизация.
Системи за управление на енергията и интелигентни платформи
За да завършат цикъла, много организации внедряват системи за управление на енергията (EMS) , способни да интегрират данни за потреблението от множество източници: комуникационни мрежи, климатизация, осветление, производство и др. Тези платформи помагат за приоритизиране на действията и количествено определяне на реалното въздействие на мерките за пестене на енергия.
Съвременна система за управление на енергията (СУЕ), поддържана от изкуствен интелект, може да сравни енергийните характеристики на сградата с тези на подобни сгради , да открие отклонения и да предложи препоръки за подобрения там, където има най-голям потенциал за спестявания. Освен това, колкото повече данни се натрупват, толкова по-точна става системата, като изучава моделите на потребление въз основа на делнични дни, празници, време на ползване и външни условия.
В контекста на мрежите и телекомуникациите, тези платформи позволяват да се придават ясни числа на решения, като например подмяна на определено оборудване, преконфигуриране на графици, промяна на мрежови алгоритми или инвестиране в нови IoT сензори . Вече не става въпрос само за интуиция за това „това би трябвало да спести пари“, а за виждане в табла и отчети точно какво се случва с всяко действие.
Цялата тази екосистема от ефикасни устройства, интелигентни алгоритми, интелигентни мрежи, интернет на нещата (IoT) и системи за управление на енергията показва, че е напълно възможно да има мощни комуникационни мрежи, които са и много по-екологични . Предизвикателството не се крие толкова в самата технология – която вече съществува – колкото в ефективното ѝ интегриране, осигуряване на безпроблемни ежедневни операции и най-вече насърчаване на промяна в начина на мислене сред потребителите, бизнеса и мрежовите оператори.
