De menselijke consumptie van fossiele brandstoffen en het effect hiervan op het klimaat zijn een bron van groeiende ongerustheid. Er is ondertussen onweerlegbaar bewijs voor de opwarming van de aarde, en klimaatwetenschappers zijn het erover eens dat deze opwarming het gevolg is van uitstoot van broeikasgassen door menselijke activiteiten. Een belangrijk deel van deze uitstoot ontstaat door het verbranden van fossiele brandstoffen om elektriciteit op te wekken. De wereldwijde elektriciteitsproductie groeide de voorbije decennia ongeveer 3% per jaar, wat overeenkomt met een verdubbeling elke 23 jaar. Als we onze uitstoot van broeikasgassen willen verminderen, kan deze groei uiteraard niet op deze manier doorgezet worden, en zullen we nog veel meer moeten inzetten op hernieuwbare energiebronnen of bronnen met een kleinere CO2-uitstoot, en op energieefficientieverbeteringen in de afnemende sectoren om de vraag te verminderen. Met energie-effici¨entieverbeteringen (of kortweg energiebesparing) wordt bedoeld dat we m´e´er trachten te realiseren met eenzelfde hoeveelheid of minder energie. Informatie- en communicatietechnologie (ICT) is wellicht niet de eerste sector waaraan we denken wanneer we stilstaan bij onze ecologische voetafdruk, maar deze sector speelt wel degelijk een belangrijke rol: het aandeel van ICT in de globale menselijke emissies van broeikasgassen is ongeveer even groot als dat van de luchtvaartindustrie, en groeit sneller. Aangezien ICT voor steeds meer toepassingen gebruikt wordt in elk aspect van ons leven, kunnen we verwachten dat deze groei van de ICT-voetafdruk zich zal doorzetten als we geen actie ondernemen om energie te besparen in deze sector.

De rode draad doorheen dit proefschrift is “roene ICT”(in het Engels: green ICT), en specifieker het verduurzamen van netwerken (Engels: green networking), waarmee verwezen wordt naar onderzoek dat de uitstoot van ICT en communicatienetwerken tracht te verminderen, een onderwerp dat veel aandacht kreeg in de onderzoekswereld de voorbije tien jaar. De algemene strategieen om de menselijke uitstoot van broeikasgassen door elektriciteitsconsumptie te verminderen zijn ook hier van toepassing: ICT en netwerken kunnen duurzaam gemaakt worden door (hernieuwbare) energiebronnen met een kleinere CO2-uitstoot te combineren met initiatieven die ICT en netwerken z´elf effici¨enter maken, zodat er minder energie verspild wordt. In dit werk wordt de nadruk gelegd op elektriciteitsverbruik in de gebruiksfase van ICT en netwerken. De productie en afvalverwerking worden buiten beschouwing gelaten omdat deze verhoudingsgewijs minder bijdragen tot de uitstoot van ICT.

Wereldwijd elektriciteitsverbruik van communicatienetwerken

De eerste bijdrage van dit proefschrift is een gedetailleerde schatting van het aandeel van communicatienetwerken in het wereldwijde elektriciteitsverbruik. Een actuele inschatting van dit verbruik is nodig om te zien wat het besparingspotentieel is wanneer nieuwe, energie-effici¨ente technologieen worden ingevoerd. De gepresenteerde methodologie werd ontwikkeld om de wereldwijde elektriciteitsconsumptie in de gebruiksfase van telecomnetwerken (uitgebaat door netwerkoperatoren), kantoornetwerken en bij klanten aanwezige apparatuur in te schatten. Het model wordt in detail beschreven, met bijzondere aandacht voor de modellering van telecomnetwerken, omdat deze het grootste aandeel van het verbruik voor hun rekening nemen. De inschatting is gebaseerd op het gerapporteerd totaal elektriciteitsverbruik van een aantal telecomoperatoren. Een groot voordeel van deze aanpak is dat de resultaten een allesomvattend beeld schetsen van het verbruik, waarin overheads en diversiteit in het netwerk in rekening genomen worden, die moeilijker te bevatten zijn wanneer een meer theoretische analyse gemaakt zou worden vertrekkend van netwerkmodellen. De methodologie wordt vervolgens toegepast op een dataset voor de periode 2007-2012. De analyse van de resultaten levert enkele interessante inzichten op: de impact van netwerken op het milieu groeit snel, met een gemiddelde jaarlijkse toename van 10% in het verbruik, een groei die voornamelijk het gevolg is van groeiende gebruikersaantallen en stijgende vraag naar hogere bandbreedtes (“nellere”verbindingen). Aangezien deze groei aanzienlijk sneller is dan die van het globale elektriciteitsverbruik, groeit het aandeel van netwerken in het globale verbruik. Tegen het einde van de bestudeerde periode, in 2012, werd al bijna 2% van de wereldwijde elektriciteit opgesoupeerd door netwerken. In totaal komt dit neer op een verbruik van 350 TWh (350 miljard kilowattuur), dat is meer dan vier keer het elektriciteitsverbruik van gans Belgie in datzelfde jaar. Uit deze resultaten blijkt duidelijk dat het verduurzamen van netwerken een belangrijke rol zal moeten spelen als het energieverbruik van communicatienetwerken gestabiliseerd of ingekrompen moet worden.

Vergelijking van de volgende generatie optische toegangsnetwerken

In dit werk is het onderzoek naar de verduurzaming van netwerken toegespitst op optische toegangsnetwerken. Een toegangsnetwerk is dat deel van het netwerk dat de fysieke verbinding legt waarmee de eindgebruiker verbinding kan maken met het Internet. Een optisch toegangsnetwerk maakt hiertoe gebruik van een optische glasvezel, waarover informatie wordt verstuurd in de vorm van optische signalen (licht). Meer specifiek gaat dit werk over Passieve Optische Netwerken (PONs), dit zijn netwerken die enkel passieve componenten (zonder energietoevoer) gebruiken op het terrein tussen de eindgebruiker en de centrale. De keuze voor PONs werd gemaakt op basis van hun populariteit voor commercialisering: sommige types PON werden reeds uitgerold door operatoren in verschillende landen, terwijl andere, nieuwere types op het moment van mijn onderzoek in aanmerking kwamen voor standaardisatie om in toekomstige netwerken gebruikt te worden. Bij elke nieuwe generatie van PONs is er een evolutie naar hogere bandbreedtes om aan hogere vraag van de gebruikers tegemoet te komen, en naar een groter bereik om uitgestrektere netwerken mogelijk te maken. Om te vermijden dat deze evolutie ten koste van een hoger energieverbruik zou gaan, ontwikkelden we een model dat de verschillende kandidaten voor de standaardisatie vergelijkt, met als doel een aanbeveling te kunnen maken over welke technologie de meest energie-effici¨ente is. Het model houdt rekening met de specifieke eigenschappen van elk PON-type, de gemodelleerde gebruikersvraag (met bandbreedtes per gebruiker tot 1 Gb/s), de optimalisatie van de split ratio (aangepaste fysieke verdeling van het signaal om de gewenste diensten met minimale energie aan te bieden), de dynamische toewijzing van bandbreedte (rekening houdend met de ogenblikkelijke vraag van gebruikers), en wordt toegepast op een realistisch geografisch scenario in een grootstad (zodat de implicaties van beperkt bereik op de vereiste hoeveelheid apparatuur ook worden meegenomen). Wanneer de bovenstaande parameters allemaal in beschouwing genomen worden, is een eerlijke vergelijking mogelijk tussen de PON-types op basis van het vermogen per eindgebruiker, berekend voor verschillende scenario’. Dit resulteert in een aanbeveling voor netwerkoperatoren die de meest energie-effici¨ente technologie—angepast aan hun noden—illen kiezen, niet alleen om hun uitstoot van broeikasgassen te verminderen, maar ook om de kosten te drukken gezien de stijgende energieprijzen. De aanbeveling kan ook gebruikt worden door bedrijven die netwerkapparatuur op de markt brengen, en door standaardisatie-organen in de telecomsector. Anderzijds tonen de resultaten ook aan dat de introductie van een nieuwe generatie van snellere PONs zal leiden tot een toename van het energieverbruik als er geen bijkomende maatregelen genomen worden om hun verbruik te verminderen.

De GreenTouch-architectuur voor optische toegangsnetwerken

Een tweede model dat in dit proefschrift aan bod komt, werd ontwikkeld in het kader van het onderzoeksproject GreenTouch. Het toepassingsgebied van dit model is uitgebreid in vergelijking met dat van het vorige model: hier wordt ook de metro/aggregatie in beschouwing genomen (een centraler deel van het netwerk) zodat technologie¨en met een groter bereik geevalueerd kunnen worden. Bovendien integreert het model verschillende energiebesparende maatregelen zoals het gebruik van slaapstanden, virtualisatie en hardware-innovaties. Aan de hand van dit model worden drie scenario’ geevalueerd: (1) een referentie-architectuur van een toegangsnetwerk en metro/aggregatie netwerk, gebruik makend van technologieen die in het jaar 2010 beschikbaar waren; (2) een “usiness-as-usual”architectuur voor 2020: als de huidige trends worden verdergezet zonder bijzondere aandacht voor energie-effici¨entie, verwachten we dat de energieefficientie al 29 keer zal verbeteren ten opzichte van de referentie; en (3) de GreenTouch architectuur voor 2020: als het voornaamste doel bij het ontwerp van een toekomstig netwerk energie-effici¨entie is, en alle oplossingen die hiertoe bijdragen en die commercieel beschikbaar kunnen zijn tegen 2020 effectief ingezet worden, kan de energie-effici¨entie met een factor 257 verbeterd worden ten opzichte van de referentie. De resultaten tonen aan dat er inderdaad nog heel wat potentieel is om de voetafdruk van netwerken te verkleinen, aangezien het vermogen per verbruiker kan gereduceerd worden van een aantal watt naar de orde van een paar honderd milliwatt.

Post-peak ICT

Daar waar het hierboven gepresenteerde onderzoek de nadruk legde op het reduceren van het energieverbruik van netwerken terwijl een optimale dienstverlening gegarandeerd blijft, bekijkt “ost-peak”ICT —een onderwerp dat ook uitvoerig aan bod komt in dit werk —het verbruik van netwerken uit een andere invalshoek. We beschouwen hier een scenario waarin fossiele brandstoffen de facto niet meer gebruikt worden (de term “ost-peak”verwijst naar het feit dat fossiele brandstoffen voorbij hun piek zullen zijn), en vervangen moeten worden door alternatieve energiebronnen. Een dergelijk post-peak scenario was tot nu toe een onderbelicht onderwerp in de studie van communicatienetwerken. E´en van de belangrijke bijdragen van dit werk is dan ook een uitgebreide motivatie die aantoont waarom we denken dat een post-peak scenario zich in de nabije toekomst kan afspelen, en waarom er dus meer onderzoek naar zou moeten gebeuren. De voornaamste redenen die we aanhalen om af te stappen van het gebruik van fossiele brandstoffen zijn de mogelijke uitputting van de voorraad fossiele brandstoffen, de instabiele internationale energiemarkt, en de opwarming van het klimaat. Naast de hierboven beschreven motivatie, bekijken we ook de impact van post-peak op de beschikbaarheid van energie, en hoe dit kan leiden tot een minder constante energiebeschikbaarheid dan we vandaag kennen, met tijdelijke energietekorten als gevolg. Zoals reeds vermeld, is dit nog een relatief nieuw onderzoeksdomein. De effecten van dergelijke energietekorten op communicatienetwerken zijn dan ook nog niet bestudeerd, en worden in dit werk aangeraakt door het formuleren van een aantal nieuwe onderzoeksvragen, waaronder: “ls we slechts een fractie van het gebruikelijke vermogen ter beschikking hebben in een netwerk, welke dienstverlening kunnen we dan nog aanbieden?”We passen dit ook toe op het concreet voorbeeld van een bestaand draadloos toegangsnetwerk in een stad, waarin we een strategie simuleren die optimaal gebruik maakt van een sterk gereduceerde hoeveelheid energie door onderdelen van het netwerk in een energiespaarstand te plaatsen. Tot slot geven we ook nog een kader mee voor toekomstig onderzoek in dit domein, enerzijds door een eerste evaluatie te maken van het potentieel voor post-peak aanpassingen in toegangsnetwerken, kernnetwerken en data centers; anderzijds door de nieuwe onderzoeksrichtingen aan te wijzen die verder bewandeld moeten worden als we ICT-infrastructuren willen die voldoende voorbereid zijn op de toekomst “a de piek”