Gęsta sieć energooszczędnych sieci 5G
Poważne wyzwanie, przed jakim stają systemy komunikacji bezprzewodowej nowej generacji (5G), polega na zapewnieniu szybkiego dostępu do danych licznym użytkownikom przy jednoczesnym zagwarantowaniu stabilnie wysokiej jakości usług. Choć sieci 5G mają umożliwić uzyskanie większych prędkości i powszechnej dostępności zasięgu, ich wdrożenie wiąże się w sposób nieunikniony z kilkoma problemami: zużycie energii i emisje dwutlenku węgla gwałtownie wzrastają, w miarę jak klienci coraz intensywniej korzystają z usług cyfrowych. Punkty dostępu oparte na małych komórkach i sieci wielu dużych anten (MIMO) to dwie obiecujące technologie, dzięki którym można będzie gęsto instalować łącza oraz znacząco poprawić przepustowość i efektywność energetyczną. W ramach projektu DENSE4GREEN (Dense deployments for green networks) naukowcy wykorzystali zaawansowane narzędzia matematyczne i opracowali nowe modele w celu dokonania symulacji działania takich gęstych sieci oraz oceny ich odporności na zakłócenia. W pierwszej kolejności naukowcy stworzyli nowy model całkowitego zużycia energii przez sieci małych komórek i MIMO, wraz ze wszystkimi komponentami analogowymi i cyfrowymi. Model ten wykorzystano następnie do zmaksymalizowania efektywności energetycznej sieci jako funkcji gęstości stacji bazowych, mocy przesyłowej, liczby anten w stacjach bazowych i liczby użytkowników na komórkę oraz współczynnika ponownego wykorzystania przy wykrywaniu kanału. Wyniki prac pokazały, że małe komórki mogą rzeczywiście zwiększyć efektywność energetyczną, ale moc układów elektronicznych nie powinna przekraczać mocy przesyłowej komórki. Dodanie anten do MIMO pozwoliło na dalsze zwiększenie efektywności energetycznej. Zespół DENSE4GREEN opracował nowe algorytmy liniowe umożliwiające zminimalizowanie ogólnego zużycia energii przez sieci, z uwzględnieniem różnych stopni współpracy między stacjami bazowymi: całkowity brak współpracy lub pełna współpraca oraz wymiana informacji o stanie kanałów. Współpracę między stacjami bazowymi sklasyfikowano też w oparciu o to, czy przetwarzanie pasma podstawowego odbywa się lokalnie w poszczególnych stacjach czy też w jednej jednostce centralnej (przetwarzanie zdecentralizowane i scentralizowane). Zbadano też wpływ mobilności użytkowników na zużycie energii przez sieć. Naukowcy przeanalizowali zużycie energii przez sieć heterogeniczną, w której gęsta warstwa małych punktów dostępu nałożona jest na dużą warstwę makro MIMO, z wykorzystaniem bezprzewodowego przesyłania ruchu wstecznego. Wyniki tych prac dowiodły, że gdy mobilność użytkowników osiągnie wartość krytyczną, moc wszystkich nadajników gwałtownie wzrasta. Zespół DENSE4GREEN opracował model umożliwiający badanie, w jaki sposób mogłaby wyglądać sieć zaprojektowana pod kątem maksymalnej efektywności energetycznej. Analizy pokazują, że zmniejszenie wielkości komórek jest niewątpliwie sposobem na zwiększenie efektywności energetycznej, ale pozytywny efekt zwiększenia gęstości stacji bazowych kończy się, gdy moc obwodu dominuje nad mocą przesyłania. Dalsze zwiększenie efektywności energetycznej można uzyskać poprzez dodanie anten stacji bazowych w celu multipleksowania kilku użytkowników na jednej komórce, a duże MIMO może znacząco zwiększyć przepustowość sieci, dzięki czemu zużycie energii nie wzrośnie proporcjonalnie do natężenia ruchu.
Słowa kluczowe
Gęste sieci, 5G, małe komórki, efektywność energetyczna, DENSE4GREEN, wielkie MIMO
