Come ridurre il consumo di corrente nelle infrastrutture di rete wireless

L'avvento di tecnologie come il 5G e il Wi-Fi 6 sta progressivamente portando il futuro verso le infrastrutture wireless. Quasi tutti i dispositivi palmari dotati di computer dispongono di un qualche tipo di connettività wireless: cellulare, Wi-Fi, Bluetooth e radio sono tra le più comuni. L'infrastruttura di rete nella sua totalità è detta "tecnologie dell'informazione e della comunicazione" (TIC), uno dei settori tecnologici più importanti degli ultimi tempi. Tra le applicazioni principali delle TIC troviamo le reti di telecomunicazione, alla base dell'esistenza stessa di tutti gli smartphone del mondo.

Attualmente, l'infrastruttura di rete è responsabile di una notevole parte dell'impronta energetica delle TIC. Si stima che queste siano responsabili del 2-4% delle emissioni globali di anidride carbonica. Inoltre, il numero di utenti di Internet aumenta a ritmi sostenuti, con oltre 5 miliardi di utenti attivi e una previsione di aumento di altri 300 milioni nel prossimo anno. Di conseguenza, è previsto anche un aumento della domanda di elettricità. L'efficienza energetica sarà quindi tra le massime priorità delle reti cablate e delle infrastrutture di servizio, seguita da una pianificazione ottimizzata dell'implementazione di tecnologie wireless come il 5G.

Ricerche consistenti hanno analizzato il consumo di corrente delle apparecchiature di rete e hanno proposto soluzioni per ridurre al minimo il consumo di corrente senza compromettere la qualità del servizio. È possibile ridurre la carbon footprint delle TIC per circa il 15% adottando strategie di risparmio energetico, alcune delle quali sono illustrate di seguito.

Ibernazione o spegnimento di una parte della rete

Attualmente le reti di telecomunicazione sono costruite per sopportare i picchi di domanda e si presta poca attenzione agli scenari di carico medio e leggero. Una rete in grado di spegnere i componenti quando la domanda è bassa sarà più adattabile e consumerà complessivamente meno elettricità. Una delle possibili strategie per raggiungere questo obiettivo è l'ottimizzazione dinamica delle topologie, molto efficace quando la domanda di carico fuori picco è inferiore al 50% della domanda di picco. Questa strategia soddisfa l'attuale domanda di carico selezionando le topologie con consumi energetici minimi tra le varie topologie disponibili.

Una strategia simile, denominata allocazione dinamica dell'ampiezza di banda, viene utilizzata anche per le reti con collegamento di rete fissa. Questo permette agli utenti di usufruire di velocità di trasmissione dati più elevate, mentre sullo stesso supporto è possibile fornire velocità di trasmissione inferiori agli utenti che lo richiedono. Queste strategie vengono impiegate in LTE-Advanced, il successore di LTE con ripetitori avanzati. Quectel EM06 di Quectel Wireless Solutions è un prodotto basato su LTE-Advanced di questo tipo ed è ottimizzato in particolare per applicazioni M2M (machine-to-machine) e IoT. Presenta un fattore di forma M.2 e può fornire rate dati fino a 300 Mbps in downlink e 50 Mbps in uplink.

I ripetitori tradizionali sono sempre accesi e amplificano o rigenerano il segnale di una stazione base per aumentare la portata della rete. Con i ripetitori avanzati, la rete può controllare e accendere il ripetitore solo quando un utente si trova nel suo raggio d'azione.

Bypass ottico

Come detto in precedenza, lo spegnimento dei singoli componenti permette di risparmiare una notevole quantità di corrente e, insieme ad altre tecniche, consente un maggiore risparmio energetico per quelli in funzione. Una di queste tecniche è il bypass ottico, già utilizzato per ridurre il carico sui componenti in funzione e i costi. Il router principale elabora solo il traffico destinato al nodo intermedio, mentre il resto rimane nel collegamento ottico. A questo scopo si utilizzano multiplexer ottici add/drop (OADM) per commutare il percorso della luce, in modo che la fibra in ingresso si colleghi direttamente a quella in uscita. FWSF-M/D-1310/CWDM-LC di Finisar è un OADM di questo tipo che supporta un ingresso a canale singolo ed è dotato di un connettore LC da 1.310 nm.

Il bypass ottico elimina le conversioni ottico-elettrico-ottico (OEO) su ciascun nodo utilizzando la connessione incrociata ottica (OXC) oppure gli OADM. L'algoritmo PEGA (power-efficient grooming) viene utilizzato per decidere la suddivisione del percorso della luce analizzando il consumo di energia dei componenti della rete come router, amplificatori ottici, ricetrasmettitori e così via. In questo modo, è possibile ridurre la capacità del router, riducendo così il costo complessivo e il consumo di corrente. Utilizzando la tecnica del bypass ottico, è possibile ridurre fino al 45% il consumo di energia.

Velocità di collegamento adattive

Un altro modo per ridurre il carico sui componenti in esecuzione consiste nell'utilizzare velocità di collegamento adattive sulle linee di rete. In questo modo, su un singolo collegamento sono supportate più velocità di collegamento con velocità inferiori e superiori. Gli utenti che hanno bisogno di velocità di collegamento inferiori risparmiano di più sul consumo di corrente e questa strategia sta già dimostrando il suo potenziale nei gateway domestici. Un prodotto che può utilizzare questa strategia è PEF22622FV1.4 di Intel. Si tratta di un ricetrasmettitore SDSL a chip singolo e velocità adattiva con avviamento incorporato. Supporta tutti rate dati compresi tra 144 kBit/s a 2,3 MBit/s in incrementi di 8 kBit/s.

Tuttavia, gli utenti più esigenti che necessitano di velocità di collegamento più elevate fino a 10 Gb/s, potrebbero non notare grandi differenze poiché il consumo di corrente sarà sempre superiore. Questa strategia avrà anche un minore effetto sulle reti centrali, poiché la quantità di traffico gestita è sempre costante e presenta meno variazioni.

Commutazione ottica ibrida

Luoghi come i data center, che gestiscono costantemente un'enorme quantità di traffico, sono tra i componenti delle TIC più affamati di energia a causa della vastissima distribuzione e del funzionamento continuo. Il potenziale di risparmio di corrente nei data center è enorme e le ricerche dimostrano che utilizzando la commutazione ottica ibrida (HOS) è possibile ottenere fino al 32% di risparmio energetico. L'HOS combina circuiti ottici, burst e commutazione di pacchetti sulla stessa rete. A seconda dell'applicazione, la rete basata su HOS può essere adattata al meccanismo di trasporto ottico che meglio si adatta ai requisiti dei data center.

L'HOS è costituita da due switch ottici paralleli per ridurre il consumo di corrente e migliorare al contempo le prestazioni della rete. Il primo è uno switch lento a risparmio energetico con burst lunghi, mentre il secondo è uno switch veloce con burst brevi per la trasmissione. Si tratta di una strategia flessibile, che può essere integrata rapidamente nell'infrastruttura attuale senza bisogno di grandi modifiche.

Conclusione

Quello delle telecomunicazioni è uno dei settori dalla crescita più rapida e presenta enormi possibilità di risparmio energetico. Con l'introduzione del 5G, è possibile utilizzare molte strategie di ottimizzazione energetica e aumentare l'efficienza dei consumi. Queste strategie vengono progressivamente adottate anche nei gateway delle reti domestiche, poiché rappresentano una quota considerevole del consumo energetico nelle aree residenziali.


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