5Gのエネルギー消費と性能の技術的な考察

こちらは9月17日に投稿されたブログ記事の翻訳です。

歴史的に、ネットワークの高密度化は、より高いエネルギー消費を意味し、それによって、オペレーター経費が大幅に上昇する可能性があります。ただし、これにより、ネットワーク内の基地局の数を制限できます。

5G New Radio（NR）は、より密度の高いネットワーク展開を可能にすると同時に、エネルギー効率を改善し、運用コストと環境への影響の両方を低減するように設計されています。新しい技術的特徴を探る前に、既存の4G LTE無線ネットワークがどのように機能しているかをもっと詳しく見てみましょう。

データトラフィックの継続的な指数関数的増加（図1）によって、モバイルネットワークが拡大しました。この拡大により、無線ネットワークのエネルギー消費が、電気事業者の電力使用量と運用費に占める割合が大きくなりました。最近、当社は、ネットワーク事業者のTeliaと共同で、ICTネットワーク事業者の運用時炭素排出量を調査した報告書を発表しました。2015年には、ICTネットワークが世界の電力グリッド供給総量の1.15%を消費し、エネルギー関連の世界の二酸化炭素排出量の0.53%に寄与していることが分かりました。新しいデバイスとユースケースによってネットワークの容量が増加する中、5Gエネルギー消費の削減に対する需要はオペレーター経費を削減し、エネルギー削減目標を確実に満たす上で極めて重要です。NRはどのようにして答えをもたらすことができるのか？

 

図1: グローバルモバイルデータトラフィック概況［エリクソンモビリティレポート、2019年6月］

基地局消費電力

今日、モバイルネットワークにおけるエネルギー消費の大部分は無線基地局サイトからのものであり、消費は安定していることが分かります。また、都心のようにネットワークが密に配置されている場合でも、基地局のトラフィックがほとんどない時間が多くあり、日中のネットワークトラフィックの負荷は非常に大きく変動することが分かります（詳細については、ITU-Rレポートを参照のこと）。さらにトラフィックパターンを見ると、負荷の高い時間帯でも、データ伝送には短いギャップが多いことが分かります（図2）。ここで、 明白な疑問が生じます。基地局がユーザーデータを送信しない時間がそれほど長いなら、なぜ基地局はずっとエネルギーを消費しているのでしょうか？

 

図2: 日中のネットワークトラフィック負荷の変化

ハイライトされている部分は、トラフィックの多い状況におけるデータパケット伝送のギャップを示しています。

このことを理解するためには、基地局の消費電力特性（図3）をさらに詳しく見る必要があります。このモデルは、出力電力がないとき、すなわち、基地局がアイドル状態にあるときでさえ、基地局に著しいエネルギー消費があることを示しています。その原因は、同期信号、参照信号、システム情報などの4G標準で定義された必須アイドルモード信号を送信することができるように、ほとんどのハードウェアコンポーネントがアクティブなままになっていることです。では、この知見を5G NRの省エネルギー機能にどのように活用していけばよいのでしょうか。

 

図3: 基地局電力モデル　このセルラー基地局電力モデルによる評価に使用されたパラメーター

5G New Radioの省エネ性能

5G NR規格は、無線ネットワークにおける典型的なトラフィック活動の知識に加え、無線ネットワーク装置におけるスリープ状態をサポートする必要性に基づいて設計されました。トラフィックがないときに基地局をスリープ状態にすることによって、すなわち、ハードウェアコンポーネントの電源をオフにすることによって、基地局の消費エネルギーがより少なくなります。電源をオフにするコンポーネント数が多いほど、よりエネルギーの節約につながります（図3のy軸に示されています）。

LTEのような従来のネットワーク技術では、セル特有の参照信号（CRS）のように、常時オンの信号の伝送が頻繁に行われます。これらは、セルカバレッジを確保し、ユーザーとの良好な接続を確保するために必要です。その結果、次の必要な信号送信が行われるまで基地局がスリープする時間が非常に短く（1ms未満）、基地局がアイドルモードにあるときに、非常に素早く再起動できる少数のコンポーネントしか電源をオフにできず、LTEのエネルギー節約が制限されているのです。

一方、NRでは、常時オンの信号伝送がはるかに少なく済みます。これにより、進行中のデータ伝送がほとんどない、または全くない場合、より深く、より長いスリープ時間を確保できます。これは、ネットワーク全体のエネルギー消費量に大きな影響を与えます（図4）。

 

図4: LTE（上）およびNR（下）におけるアイドルモード信号中の基地局消費電力の例

NRは、20ms毎に信号ブロック（SSB）を送信するように設定されています。

NRスリープモードではどれだけのエネルギーを節約できますか？

NRの最初の展開は、主にノンスタンドアローン（NSA）展開です。これは、既存のLTE基地局が引き続き使用され、データトラフィックの増大する需要を満たすためにより多くの容量のNRが追加されることを意味します。多くの場合、この追加のNRレイヤーは、既存のマクロセル内により小さなミクロセルを配置して使用する、不均一なネットワーク（HetNet）タイプの展開の一部となります。

既存のLTEインフラストラクチャーを用いた無線ネットワークのシミュレーションを行い、その上にマイクロノードとしてNRまたはLTEレイヤーを加えることにより、ネットワークのエネルギー消費とユーザ性能に対するNRの影響を評価しました（図5）。

 

図5: マルチセルおよびマルチユーザーシミュレーションシナリオの例

シミュレーションは、超高密度都市部シナリオ（都心）において、サイト間距離（マクロ基地局間距離）380mの六角セルを用いて実施しました。NR（または追加LTE）レイヤーは、マクロセル当たり1～4個の追加のマイクロセルで構成されました。使用された周波数帯域は、マクロレイヤーでは0.9GHz、マイクロレイヤーでは3.5GHzです（下記の表1を参照のこと）。

シミュレーションパラメータ	マクロ	マイクロ
サイトの種類	六角形3セクター	単一セクター
無線アクセスネットワーク	LTE	NR/LTE
アンテナ素子数	2	64
周波数［GHz］	0.9	3.5
帯域幅［MHz］	10	40
BS送信電力［W］	40	20
BSアンテナ高さ［m］	25	10
シナリオ	超高密度都市（SU）
伝搬	3GPP空間チャネル伝搬
ISD［m］	380
DL FTPトラフィック［MB］	2
屋内率［%］	80
UEアンテナ高さ［m］	10
トラフィック負荷目標［Mb/s/km2］	750

表1: シミュレーションパラメーター設定

超高密度都市シナリオにおけるエネルギー効率と性能への影響

まず、NR導入時のユーザー性能への影響を見ていきました（図6）。2015年にエリクソンのモビリティレポートで予測された、2020年のピーク時トラフィック750 Mbps/km2に対応するには、LTEのみのネットワークでは不十分であることが分かります。NRマイクロセルを加えると、容量とユーザ性能の両方が大きく向上します。

 

図6: 超高密度都市（SU）HetNet、トラフィック負荷曲線

ここでは、1日を通した様々なネットワーク展開ケースのエネルギー消費量の変化を見ていきます。下記の図7は、LTEマクロとNRマイクロのHetNet展開の日別電力曲線を示しています。

 

図7: 21時にピーク時トラフィック750Mbps/km2に達した超高密度都市（SU）HetNet日次電力使用量曲線

日中のエネルギー消費は、トラフィック負荷の変動により変化することが分かります。低トラフィックの時間（06:00付近）では、1 NRマイクロ展開ケースのエネルギー消費が最小になりますが、高トラフィックの時間（21:00付近）では、2 NRマイクロ展開のエネルギー消費の方が少なくなります。この高負荷ケースでは、容量が増えた結果、伝送速度が速くなり、スリープ時間が長くなり、消費電力が削減されるのです。これは、エネルギー効率の観点から見て最適な展開がトラフィックシナリオによって異なることを示しています。

図8は、同じ試験エリアにおける1日の総5Gエネルギー消費量を示しています。ここでは、左の軸のLTEのみの展開と、中央のLTEおよびNRの展開、右のNRのみの展開を比較しています。明らかな傾向としてわかるのは、NR展開によりエネルギー消費量が大幅に削減されることです。また、LTEマイクロノードを追加するたびに消費電力が大幅に増加することが分かります。しかしNRを用いる場合は、NRマイクロノードを加えるたびにエネルギー消費がごくわずかに増加するだけで、これは当てはまりません。その理由は、より多くのマイクロを追加して容量が増加すると、ノード間のトラフィックをオフロードできるようになるため、各ノードが長期間アイドル状態になれるためです。前述した通り、NR技術は、このアイドル時間を深いスリープとエネルギー消費節約に利用することができます。

最後に、右端の一連のバーでは、マイクロを追加するとマクロレイヤーの消費電力がわずかに減少していることが分かります。これは、マイクロを追加時にマクロレイヤーが追加的にオフロードされるためであり、そのため、マクロをNRに切り替える場合、深いスリープを利用する場合と同じ利点があります。

このことから、NRを用いた高密度ネットワークの展開によって、低エネルギー消費を確保しつつ（図8）、高性能と大容量の両方を提供できると結論付けられます（図6）。

 

図8: 超高密度都市（SU）HetNet、1日の総消費電力

参考文献

エリクソンはNew Radioの省エネ機能の標準化に大きく貢献しました。このプロセスの一部は、無線ネットワークエネルギー性能および5G NXのエネルギー性能についての過去の記事で文書化されています。

新しい無線の開発によって、エリクソン自身の製品エネルギー性能目標の達成がどのように実現されるかについては、5Gエネルギー効率に関する過去のブログ投稿を参照してください。

エリクソンと持続可能性について詳しく知りたい場合はこちら。

このブログの投稿は、2019年夏に発表された同じ著者による学会論文に基づいています。論文全文「容量の拡張と電力の節約: 5G NRはネットワークのエネルギー消費をどのように削減できるか」はこちら。