5G.NRW Eco-Score: Nachhaltige Dimensionierung und Einsatz von 5G Anwendungen mit dem 5G Energieplaner

Die Technologien der fünften Mobilfunkgeneration stellen eine Vielzahl von Lösungen für eine hohe Bandbreite flexibler Anwendungen bereit, wobei die drängende Herausforderung der Entwicklung besonders nachhaltiger 5G Anwendungen konsequent in den Vordergrund rückt.  Dabei ist die Wahl einer geeigneten 5G-Kommunikationslösung, sowie die Dimensionierung von batteriebetriebenen Anwendungen mit Hinblick einer sinnvollen Batterielaufzeit für viele Anwender eine große Hürde, da der Energiebedarf stark vom Anwendungs- und Umgebungskontext, wie dem Standort und der Use Case Konfiguration, sowie der verwendeten 5G-Technologieausprägung und dem gewählten Netzbetreiber abhängt.

Mit dem 5G-Energieplaner führt die TU Dortmund nun ein neues interaktives Webangebot des Competence Center 5G.NRW ein, welches dabei unterstützt 5G Anwendungen mit Hinblick eines nachhaltigen Einsatzes zu dimensionieren und zu optimieren.

Dabei adressiert der 5G-Energieplaner ganz bewusst keine Netzbetreiber, Infrastruktur- oder Endgerätehersteller, sondern möchte Anwender aus industriellem, öffentlichem oder kommunalem Umfeld dafür sensibilisieren, welche Möglichkeiten beim Design und der Umsetzung eigener mobilfunkbasierter Anwendungen mit Ziel einer nachhaltigen Digitalisierung bestehen. Getreu dem Motto „5G und Digitainability – Digitalisierung ja, aber nachhaltig?“ assistiert der 5G Energieplaner in einfachen Schritten bei der Dimensionierung der Applikation und Batterie sowie der Wahl eines besonders nachhaltigen Netzbetreibers, Anwendungsstandortes und der eingesetzten Mobilfunktechnologie.

 

Abbildung 1: In wenigen Schritten zum 5G.NRW Eco-Score Ihrer 5G-Anwendung

Mithilfe der Vorgaben durch den Anwender werden für die verschiedenen Technologien übersichtliche und vergleichbare Eco-Scores abgeleitet, die einen einfachen Vergleich zwischen diesen Lösungen mit Berücksichtigung einer möglichst langen Batterielaufzeit, geringen Batteriegröße sowie der technologieabhängigen Übertragungszeit ermöglichen.

Abbildung 2: 5G.NRW Eco-Score Label als einfacher Nachweis für vergleichbare Bewertung der Nachhaltigkeit batteriebetriebener 5G Anwendungen

Im finalen Schritt lässt sich durch Anpassen von Applikations- und Batterieparameter sowie der Berücksichtigung von Photovoltaikzellen der Eco-Score optimieren, um mittels hoher Laufzeit bei geringem Ressouceneinsatz eine maximale Nachhaltigkeit der eigenen 5G-Applikation zu erreichen. Die Ergebnisse werden schließlich in einem übersichtlichen pdf-Ergebnisreport bereitgestellt.

Während der 5G Energieplaner kontinuierlich weiterentwickelt wird, wurde eine Vorabversion bei der 5G.NRWeek im November 2023 als Hands-On-Demonstrator vorgestellt und konnte von allen Besuchern ausführlich getestet werden.

Abbildung 3: Impression der Vorstellung des 5G Energieplaners und des Eco-Score Konzepts auf vierter 5G.NRWeek. Hier Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld (TU Dortmund) im Gespräch mit Renate Nikolay (stellvertretende Generaldirektorin Kommunikationsnetze, Inhalte und Technologien der Europäischen Kommission) und StS Silke Krebs (Staatssekretärin im Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen). Foto durch Ludger Staudinger

Der Modellierung des kontext- und systemabhängigen Energiebedarfs der 5G-Technologieausprägungen liegen dabei detaillierte Analysen und Messreihen zugrunde, die die TU Dortmund in verschiedenen Forschungsaktivitäten entwickelt und in den 5G Energieplaner eingebracht hat.

Für die 5G New Radio Technologie wurden im Pilotraum Dortmund umfassende Messstudien zur Parametrisierung und Leistungsfähigkeit der 5G-Netze verschiedener Mobilfunknetzbetreiber durchgeführt, die in einen Digitalen Zwilling der Dortmunder Umgebung zur Prädiktion der 5G-Datenrate und Latenz überführt wurden [1]. Gemeinsam mit empirischen Modellen zur Prädiktion der Sendeleistung kann so für den Dortmunder Raum flexibel der Energieverbrauch verschiedener Applikationen abgeschätzt werden [2].

Für die Cellular-IoT Ableger NB-IoT und eMTC wurde ein umfassendes Modell zur Abschätzung der Batterielaufzeit bzw. -kapazität im Zusammenspiel mit durch die OpenData-Initiative der Stadt Dortmund verfügbaren Informationen zum Mobilfunkkataster Dortmund sowie der Modellierung verschiedener Sende- und Empfangszustände der zellulären IoT-Lösungen entwickelt [3], welches durch das Team der TU Dortmund aktuell für die neue Gerätekategorie RedCap (Reduced Capability, 3GPP Release 17) erweitert wird.

Weitere Informationen über die empirischen 5G-Datenraten- und Energiemodelle sind in den folgenden Veröffentlichungen abrufbar:

[1] H. Schippers, S. Böcker, and C. Wietfeld, “Data-Driven Digital Mobile Network Twin Enabling Mission-Critical Vehicular Applications,” in 2023 IEEE 97th Vehicular Technology Conference (VTC2023-Spring). Florence, Italy: IEEE, Jun. 2023.

[2] H. Schippers and C. Wietfeld, “Data-driven energy profiling for resource-efficient 5G vertical services,” in 2024 IEEE Consumer Communications & Networking Conference (CCNC), Las Vegas, USA, Jan. 2024.

[3] P. Jörke, C. Wietfeld, „How Green Networking May Harm Your IoT Network: Impact of Transmit Power Reduction at Night on NB-IoT Performance“, In 2021 IEEE 7th World Forum on Internet of Things (WF-IoT), New Orleans, USA, June 2021. (Best Paper Award).

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