Unieke onderzoekstool werpt een licht op één van de best bewaarde geheimen van telecomoperatoren

(29-10-2021) Tool ontwikkeld door onderzoekers van imec en de UGent helpt mobiele operatoren om de uitrol van hun 4G- en 5G-netwerken te optimaliseren.

Het uitrollen van een draadloos netwerk is een complexe onderneming die nauwgezet moet worden voorbereid. Mobiele gebruikers verwachten immers niets minder dan een optimale verbinding en de hoogste snelheden – in alle omstandigheden.

Aan de basis van een succesvol en (economisch) levensvatbaar cellulair netwerk ligt een architectuur van antennes en basisstations die voorziet in een optimaal evenwicht tussen dekking en kost. Het uitrollen – en operationeel houden – van een dergelijk netwerk is echter allesbehalve makkelijk; niet in het minst omdat nieuwe generaties mobiele technologieën steeds complexer worden.

In dit artikel legt Margot Deruyck van WAVES (een imec onderzoeksgroep aan de UGent) uit hoe jaren van onderzoek hebben geresulteerd in een unieke tool voor het optimaliseren van 4G en 5G mobiele radionetwerken (‘radio access networks’, of ‘RAN’).

Optimale dekking tegen een beperkte kost en met respect voor stralingsnormen

Op het eerste gezicht lijkt het ontwerpen en uitrollen van een 5G radionetwerk niet al te veel te verschillen van de uitrol van de vorige generaties cellulaire netwerken.

“Aan de basis spelen inderdaad nog steeds dezelfde elementen: operatoren willen zoveel mogelijk mensen voorzien van de hoogst mogelijke bandbreedtes, terwijl de installatiekosten en operationele uitgaven tot een minimum beperkt moeten worden”, zegt Margot Deruyck. “En tegelijkertijd moet er natuurlijk ook voldaan worden aan de lokale en internationale elektromagnetische stralingsnormen.”

“Eigenlijk zijn al die variabelen – dekking, kost en elektromagnetische straling – nauw met elkaar verweven. Het is bijvoorbeeld perfect mogelijk om de geografische dekking van een mobiel netwerk, en de ondersteunde snelheden, te maximaliseren door meer antennes en basisstations te voorzien. Die aanpak brengt echter aanzienlijke kosten met zich mee. Alternatief kan er natuurlijk ook gespeeld worden met de zendvermogens, maar dat zou dan weer hogere elektromagnetische stralingswaarden opleveren”, voegt ze daaraan toe. 

Nieuwe technologieën en toepassingen maken de zaken nog complexer

En daar blijft het niet bij. Ook de onderliggende mobiele technologieën worden immers steeds complexer. Dat is zeker het geval sinds de introductie van 5G. In tegenstelling tot de vorige generaties cellulaire netwerken kunnen operatoren voor het uitrollen van hun 5G-netwerken namelijk kiezen uit een aantal technologie-opties – waaronder 5G New Radio (NR) en Massive MIMO.

Margot Deruyck: “Dat zorgt onvermijdelijk voor meer complexiteit. Bovendien zijn de toepassingen zelf ook heel wat veeleisender geworden. Denk maar aan videostreamingdiensten die een hoge netwerksnelheid en een beperkte signaalvertraging vereisen, of Internet of Things (IoT)-oplossingen die soms tientallen verschillende apps en toestellen moeten ondersteunen. Er is nauwelijks ruimte voor compromissen.”

Energieverbruik: de vreemde eend in de bijt

Vreemd genoeg was het energieverbruik van een netwerk voor operatoren tot nog toe van minder belang. 

“Dat komt omdat consumenten in de eerste plaats op zoek zijn naar een netwerk dat een goede dekking en hoge bandbreedtes garandeert tegen een betaalbare prijs. Ook voor hen is het energieverbruik van dat netwerk tot nog toe van secundair belang geweest. Maar dat staat op het punt te veranderen, gezien de huidige aandacht voor – en de strijd tegen – de klimaatverandering. Producenten van basisstations (en hun componenten) besteden al langer aandacht aan de energie-efficiëntie van hun technologieën; en ook voor operatoren zal energie heel spoedig een belangrijk criterium worden”, aldus Deruyck.

Het ontwerpen van het perfecte radionetwerk: een goed bewaard geheim

Om aan al die uitdagingen en vereisten te kunnen voldoen, moeten operatoren heel wat expertise opbouwen in het optimaal ontwerpen van een RAN. Het is echter een onderwerp waar ze niet zo graag over praten – waardoor het één van hun best bewaarde geheimen is.

“Tijdens projecten met operatoren hebben we gemerkt dat ze vooral vertrouwen op designtools die ze zelf hebben ontwikkeld. Er bestaan zeker ook commerciële opties, maar we hebben geen idee hoe populair die eigenlijk zijn”, zegt Deruyck. “Feit is sowieso dat operatoren die gegevens erg goed beschermen.”

Eén van de nadelen van zo'n strategie is uiteraard dat operatoren niet kunnen voortbouwen op de ervaringen en inzichten van anderen: ze moeten letterlijk allemaal dezelfde leercyclus doorlopen. En wanneer belangrijke technologie-updates – zoals 5G – worden geïntroduceerd, begint die hele oefening terug van vooraf aan.

Jaren van onderzoek resulteren in een baanbrekende RAN-designtool

Anderzijds kunnen operatoren (en regulatoren) die nood hebben aan extra hulp en inzichten voortaan ook een beroep doen op de expertise van de WAVES-onderzoekers van imec en de UGent. Zij hebben – na jaren onderzoek – een baanbrekende RAN-designtool gebouwd die technologie- en bedrijfsonafhankelijk is.

De tool berekent bijvoorbeeld waar – en hoeveel – mobiele basisstations in een bepaalde regio moeten worden uitgerold om een optimale dienstverlening te kunnen aanbieden. Daarbij wordt rekening gehouden met factoren zoals het zendvermogen, maar ook met (lokale) stralingsnormen en energieverbruik. Margot Deruyck legt uit hoe de tool werkt en wat hem uniek maakt.

“Om een RAN optimaal te kunnen vormgeven, maken we eerst een 3D-model van de omgeving – inclusief alle gebouwen en de locatie van de bestaande basisstations. Daar voegen we enkele vooraf gedefinieerde installatiecriteria aan toe, zoals bijvoorbeeld de minimumhoogte waarop antennes kunnen worden opgetrokken. Die input resulteert op zijn beurt in een lijst van potentiële basisstation-locaties.”

“In een volgende stap worden virtuele gebruikers losgelaten op het netwerk, elk met hun specifieke consumptiepatronen en bandbreedtebehoeften. Al die gegevens worden dan door onze tool gebruikt om op een intelligente manier de locatie én instellingen (bijvoorbeeld het zendvermogen) van elk basisstation te berekenen. Zo ontwerpen we netwerken die een maximaal aantal gebruikers binnen een zo groot mogelijk gebied afdekken.”

“Wat echt uniek is aan onze tool, is het feit dat hij ongelooflijk veelzijdig is. We kunnen niet alleen spelen met de locatie van basisstations, maar we kunnen ook dynamisch het zendvermogen en energieverbruik van een RAN beperken zonder in te boeten aan geografische dekking. Bovendien kunnen we inspelen op lokale en internationale stralingsnormen, en kan de tool op zo’n manier geprogrammeerd worden dat de totale elektromagnetische uitstoot van het netwerk tot een minimum wordt beperkt.”

“Daarnaast ondersteunen we verschillende technologieën – waaronder 4G, 5G NR en 5G Massive MIMO. En we onderzoeken momenteel hoe we ook mmWave aan die mix kunnen toevoegen, en hoe we een versie kunnen maken die al die technologieën in één RAN-ontwerp integreert”, zegt ze.

Een onderzoeksinstrument dat zijn waarde al ruimschoots heeft bewezen

Rest de vraag hoe de telco-gemeenschap kan experimenteren met de tool van de WAVES-onderzoekers.

Margot Deruyck: “Dankzij onze tool hebben verschillende operatoren alvast op een objectieve manier kunnen evalueren hoe de nieuwste RAN-technologieën hun aanbod zouden kunnen versterken. Maar ook regulatoren kunnen hun voordeel doen met de extra inzichten die de designtool genereert. Ook zij zijn immers vaak op zoek naar objectieve feiten en cijfers over het verhogen of verlagen van zendvermogens, het verminderen van het aantal antennes, of de impact van nieuwe stralingsnormen. Dat is precies de informatie die wij hen kunnen verschaffen”, aldus Deruyck.

“Gezien de onderliggende complexiteit kunnen partners echter niet zomaar zelf met een licentie aan de slag gaan. Ondanks zijn geavanceerde functionaliteiten blijft dit immers een onderzoeksinstrument dat niet altijd beantwoordt aan de verwachtingen van commerciële gebruikers – wat betreft het uploaden van inputs, het instellen van parameters, het verwerken van gegevens en het visualiseren van de resultaten. Daarom worden simulaties altijd door ons team uitgevoerd”, besluit ze. “Als er een vraag binnenkomt, organiseren we meestal een initieel gesprek om de verwachtingen van de partner in kaart te brengen en na te gaan of onze tool daaraan kan voldoen. Eén van de tekortkomingen van onze designtool is bijvoorbeeld het geografische bereik ervan. Hij is niet gebouwd om een landelijke RAN te ontwerpen. Dat zou gewoon te veel tijd kosten, omdat we een hoge mate van ‘randomness’ in onze prognoses willen opnemen waardoor we nu eenmaal een groter aantal simulaties moeten uitvoeren. Maar verder zijn partners die hun RAN-strategie bevestigd – of verfijnd – willen zien door een van 's werelds meest toonaangevende onderzoeksinstellingen op dit vlak, meer dan welkom om contact met ons op te nemen!”

Voorbeeld-case

Wanneer ze terugblikken op de projecten waar ze tot nu toe bij betrokken waren, dan stellen de WAVES-onderzoekers vast dat er nog heel wat ruimte is voor RAN-optimalisaties. Voor een 4G MIMO-gebaseerd referentienetwerk in een stedelijk centrum (vergelijkbaar met Gent), kwamen ze bijvoorbeeld uit op volgende cijfers:

- Wanneer de focus lag het optimaliseren van de elektromagnetische straling (-50%), steeg het energieverbruik met 20%;
- Optimalisaties die rekening hielden met zowel het energieverbruik als de elektromagnetische straling resulteerden in een energieverbruik dat 0,1% hoger lag dan het referentiescenario, terwijl de stralingsblootstelling ongeveer 40% lager lag.

Opmerking: het referentienetwerk bestond uit een minimum aantal basisstations (voor een minimaal energieverbruik), en was niet geoptimaliseerd voor stralingsblootstelling.

Meer weten

Matalatala, M. Deruyck, S. Shikhantsov, E. Tanghe, D. Plets, S. Goudos, K.E. Psannis, L. Martens, W. Joseph, “Multi-Objective Optimization of Massive MIMO 5G Wireless Networks towards Power Consumption, Uplink and Downlink Exposure,” Applied Sciences, Vol. 9, 2019, doi: 10.3390/app9224974.

Deruyck, E. Tanghe, D. Plets, L. Martens, W. Joseph, “Optimizing LTE wireless access networks towards power consumption and electromagnetic exposure of human beings, “Computer Networks, Vol. 95, 2016, pp. 29-40.


Over Margot Deruyck

Margot Deruyck is docent en FWO-Postdoctoral Fellow bij WAVES, een imec-onderzoeksgroep aan de UGent. Haar onderzoek richt zich op het ontwerpen van draadloze netwerken met een minimaal stroomverbruik en minimale blootstelling – wat resulteerde in haar doctoraatsdiploma in januari 2015.

Sindsdien heeft ze haar onderzoek voortgezet bij de WAVES onderzoeksgroep, en verder uitgebreid met onderwerpen als UAV-gebaseerd netwerkontwerp, hernieuwbare energiebronnen, en het Internet of Animals. 

Contact

Margot Deruyck

Margot.deruyck@imec.be

+32 9 264 33 19 // +32 9 264 33 41