Jak budować energooszczędne transmisje?
Rozwój transmisji to nie tylko wzrost ilości danych. Liczy się zarówno prędkość transmisji, jak i koszty jej utrzymania. Gwałtowna inflacja, zmniejszające się zasoby surowców i kryzys klimatyczny powodują, że branża telekomunikacyjna musi oszczędzać energię. To, co jeszcze do niedawna było głównie działaniami wizerunkowymi, dziś stało się koniecznością.
Szacuje się, że firmy telekomunikacyjne już zużywają niemal 3 proc. światowej energii, głównie ze względu na gwałtowny wzrost ruchu, który towarzyszy rozwijającym się usługom 5G. Nieustannie rozbudowywane sieci i centra danych powodują ogromne zapotrzebowanie na energię. I większe obciążenie środowiska naturalnego.
W 2021 roku według firmy badawczej GSMA Intelligence, zużycie energii stanowiło od 15 do 40 proc. wydatków operacyjnych (opex) operatorów. Z ich analiz wynika też, że blisko połowa operatorów oczekuje, że technologie efektywności energetycznej przyniosą oszczędności kosztów operacyjnych.
Sposoby na redukcję poboru energii elektrycznej
Wzrost zapotrzebowania na przepływność, skutkuje koniecznością rozbudowy infrastruktury, wykorzystaniem kolejnych pasm w zakresie usług mobilnych i użycia bardziej złożonych systemów antenowych. Operatorzy systemów mobilnych są zmuszeni do oszczędnego gospodarowania przepływnością np. poprzez wyłączanie okresowo tych częstotliwości, które nie są potrzebne. To zmiany organizacyjne, podobne do tych, które wdrażamy w domach wyłączając zbędne światło, czy wyciągając ładowarki z gniazdek. Ale jak od strony technologicznej zmniejszać zużycie energii w sieci? Jest na to kilka sposobów:
- transmisja bez wzmacniaczy
- miniaturyzacja technologii w stosowanych chipach
- mniej energochłonne zintegrowane wzmacniacze sygnału
- bardziej czułe układy odbiorcze pozwalające w konsekwencji pracować z niższą mocą nadawczą
- zastosowanie innych, mniej energochłonnych układów CDR (Clock Data Recovery)
Omówimy w praktyce zastosowanie kilku sposobów na energooszczędne budowanie sieci.
DWDM czy IPo-DWDM?
W przypadku transmisji brzegowych na odległość 25-30km, dostawcy Internetu stale zwiększają przepływność. Gdy istnieje potrzeba przesłania 800Gbit/s stosując jedną parę światłowodów, można zrealizować to w technologii zwielokrotnienia falowego (DWDM). DWDM wymaga jednak stosowania wzmacniaczy, co generuje potrzebę zużycia większych zasobów energii, oraz oczywiście dodatkowej przestrzeni w szafach Rack.
Popularność zyskują więc rozwiązania typu IP-over-DWDM. Koncepcja zakłada, że optyczne moduły transportowe są montowane bezpośrednio w urządzeniach IP. Pominięcie w strukturze muxponderów, transponderów i szarej optyki umożliwia znaczne oszczędności energii. W zależności od obszaru sieci może osiągać poziomy od 70 proc. na brzegu sieci do 90 proc. w jej szkielecie.
O-Band – transmisja bez wzmacniaczy
W poszukiwaniu rozwiązań energooszczędnych dla transmisji do 25 km, warto sięgnąć po technologię O-Band. Rozwiązanie to pozwala zaoszczędzić rocznie dla jednego linku 8x100Gbit niemal 900kWh. Na czym polega przewaga O-Band?
Technologię O-Band tworzą pasywne multipleksery oraz moduły optyczne w postaci interfejsu QSFP28 GBC Photonics. Ogromną zaletą technologii O-Band jest fakt, że nie wymaga ona stosowania wzmacniaczy optycznych, ponieważ transmisja na odległości do 25km odbywa się dzięki budżetowi mocy pochodzącego z samego transceivera. Dodatkowo nie stosuje się korektorów dyspersji chromatycznej, ponieważ pasmo „O" nie jest wrażliwe na dyspersję chromatyczną, co oznacza, że sygnał nie podlega zniekształceniom.
Ponadto, dzięki zastosowaniu opatentowanej technologii procesora nCP4™ na platformie PH18 Silicon Photonics Tower Semiconductor, udało się zmniejszyć pobór energii potrzebnej do wymagającej modulacji PAM4.
Modulacja koherentna 100G
Transmisja 100G, jeszcze do niedawna obecna głównie w corze infrastruktury, przenoszona jest do brzegów sieci. Jest to oczywiście związane z wzrostem zapotrzebowania na ruch. Dotychczas modulacja koherentna realizowana była przez procesory DSP wymagające dużego poboru mocy (około 16W dla jednego modułu) i była wykorzystywana do przepływności 400G.
Postępująca miniaturyzacja technologii, pozwoliła wytworzyć procesor DSP o poborze 2W. Montując go w interfejsie QSFP28 100G GBC Photonics uzyskaliśmy moduł koherentny o poborze 5W. Dzięki tego typu zmianom jeden z operatorów uzyskał redukcje poboru energii o 65 procent!
Duże zmiany zaczynają się od drobnych oszczędności. Moduły QSFP28 ZR4 100Gbit/s trzeciej generacji wyposażone są w nowy, wewnętrzny wzmacniacz SOA, w którym zredukowano pobór mocy o 1W. Moduły tego typu używane są w technologii szarej w transmisji na 80km. Operator potrzebuje ich ogromną liczbę, zatem zaoszczędzenie 1W na każdym module ma znaczenie (rocznie daje oszczędność ~18kWh na jednym tylko połączeniu punkt -punkt).
Laser EML: dalej i taniej
Prace nad oszczędnościami energii są także widoczne w aplikacjach opartych o różne typy laserów: EML i DML. Jak dotąd rozwiązania oparte na laserach EML były bardziej energochłonne, ale umożliwiały transmisję na większe odległości (powyżej 10 km) i przy wyższych prędkościach danych w porównaniu do rozwiązań DML.
Lasery EML charakteryzują się:
- znacznie większym współczynnikiem ekstynkcji, czyli osłabieniem wiązki światła (typowo dla EML > 8 , DML > 3,5).
- większym o 10-15% współczynnikiem optical eye pattern margin.
- mniejszym jitter-em (wskaźnikiem zakłóceń).
- mniejszą dyspersją chromatyczną
Najnowsze rozwiązania z laserem EML są wykorzystywane w modułach z prędkością 100G na 10km mają jedynie pobór mocy 3,5W (moduły QSFP28 100G LR4 10km). W tym przypadku oszczędność poboru energii wynika z zastosowania mniej energochłonnego układu CDR. Pod względem energochłonności zrównuje to rozwiązanie z modułem opartym na laserze DML.
Najwyższa półka transmisji
Dla najnowszych modułów 400G możliwości redukcji zużycia energii są znaczne. Wynika to z dość prozaicznej kwestii: pierwsze konstrukcje zwykle nie są optymalizowane pod kątem energetycznym, więc baza wyjściowa jest dość wysoka.
W najnowszych rozwiązaniach stosuje się procesory DSP bezpośredniego sterowania laserem. W tym przypadku jest możliwa redukcja poboru mocy o więcej niż 3W.
Powyżej opisane zmiany dają oszczędności w zakresie poboru mocy od pół do kilkunastu Watów na link. Po zsumowaniu poboru mocy wszystkich urządzeń okazuje się, że można uzyskać spore oszczędności OPEX w zakresie całego przedsiębiorstwa telekomunikacyjnego. Powstają tutaj oszczędności zarówno po stronie poboru energii (moc x czas), jak i możliwości redukcji mocy umownej deklarowanej i opłacanej przez firmę.
Czytaj więcej o naszych energooszczędnych rozwiązaniach: