تتزايد حركة البيانات الضخمة والحاجة إلى اتصالات لاسلكية عالية السرعة يوماً بعد يوم مع زيادة هائلة في استهلاك الطاقة من قبل قطاع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، ويعد تقليل استهلاك الطاقة في الشبكة اللاسلكية موضوعاً صعباً وقد جذب انتباه الباحثين في جميع أنحاء العالم.

 

أساسيات تقنيات تحسين الطاقة للجيل القادم من اتصالات الشبكة اللاسلكية

 

تتوفر العديد من التقنيات مثل المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (MIMO) والراديو المعرفي والاتصالات غير المتجانسة التعاونية واستراتيجيات الشبكة الجديدة، مثل الشبكات غير المتجانسة  والهوائيات المتناثرة والاتصال متعدد القفزات وما إلى ذلك، بالإضافة إلى تقنيات إدارة الموارد والراديو مثل النوم المتنوع تم اقتراح خوارزميات الوضع، وتحسين الطبقات المتقاطعة وما إلى ذلك كحلول لهذه المشكلة.

 

كما أصبحت كفاءة الطاقة مسألة ذات أهمية قصوى للشبكات اللاسلكية، ولتلبية متطلبات السعة المتزايدة ومعدل البيانات المحسن وتحسين جودة خدمة شبكات الجيل التالي، هناك حاجة إلى اعتماد معماريات موفرة للطاقة، وإلى جانب هذه المتطلبات تقع على العاتق أيضاً المسؤولية الاجتماعية لتقليل البصمة الكربونية عن طريق تقليل استهلاك الطاقة في شبكة لاسلكية.

 

ومن ثم، فإن التواصل الأخضر هو حاجة ملحة، حيث يتم استطلاع تقنيات مختلفة لتحسين الطاقة لشبكات (5G) القادمة، وينصب التركيز الأساسي على استخدام المرحلات والخلايا الصغيرة لتحسين كفاءة الطاقة في الشبكة، كما يتم الانتباه للترحيل لشبكات الجيل التالي وإلى جانب ذلك يتم تحليل أهمية الطاقة اللاسلكية المتزامنة ونقل المعلومات، ومخرجات متعددة المدخلات الضخمة وموجات المليمتر لشبكات 5G.

 

مع النمو والتطور السريع لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات ينمو استهلاك الطاقة أيضاً بمعدل سريع جداً وكما تم الإبلاغ عن أن مشغلي الهواتف المحمولة هم من بين أكبر مستهلكي الطاقة، ويتزايد استهلاك الطاقة بشكل أكبر مع نشر أنظمة (4G) في جميع أنحاء العالم، وبالتالي هناك حاجة ملحة للتحول من السعي وراء قدرة عالية وكفاءة طيفية إلى تصميم موفر للطاقة.

 

من خلال تقليل استهلاك الطاقة للشبكات اللاسلكية يمكن تحسين كفاءة الطاقة الخاصة بهم، حيث من المتوقع أن تزداد كفاءة الطاقة لشبكات (5G) حوالي (100 مرة) من (1000 ميجاوات / ميجابت / ثانية) في (IMT-2000) إلى (10 ميجاوات / ميجابت / ثانية) في (IMT-Advance) والمستقبل (IMT)، وأصبحت كفاءة الطاقة مصدر قلق كبير في مجتمع الاتصالات السلكية واللاسلكية بسبب عدد من الأسباب، مثل متطلبات معدل البيانات الضخمة وزيادة أسعار الطاقة والتأثير البيئي للكربون، والضغط والمسؤولية الاجتماعية لمكافحة تغير المناخ.

 

من وجهة نظر المستخدمين أيضاً، فإنّ كفاءة الطاقة هي حاجة الساعة، حيث تزداد سعة البطارية (1.5 مرة) فقط لكل عقد وكانت دائماً مصدر قلق للمستخدم، وفي الشبكات المستقبلية سيكون هناك وصول غير محدود إلى المعلومات ومشاركة البيانات في كل مكان، وفي كل مرة مع العدد المتزايد من التطبيقات المتعطشة للطاقة، لذلك لتلبية طلب المستخدمين من عمر البطارية فإنّ كفاءة الطاقة في الاتصالات اللاسلكية أمر حتمي.

 

وعامل آخر قيد النظر هو القلق الصحي للمستخدم، حيث تميل الطاقة العالية التي تشعها الهواتف المحمولة أثناء الاستخدام إلى إلحاق الضرر بالمستخدم على مقربة منه، ومن ثم يصبح التحول نحو تقنيات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة أكثر أهمية.

 

  • “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input Multiple Output”.

 

  • “IMT” هي اختصار لـ “International Mobile Telecommunications”.

 

مبدأ تحسين الطاقة للجيل القادم من اتصالات الشبكة اللاسلكية

 

تم إدراك الحاجة إلى تبني الاتصالات الخضراء في جميع أنحاء العالم، حيث هناك تركيز على اتباع نهج شامل لتحسين الطاقة، بحيث تركز هياكل الجيل التالي على تطوير تقنية جديدة واستراتيجيات نشر الخلايا وسياسات تخصيص الموارد لتحسين كفاءة الطاقة لشبكة الاتصالات اللاسلكية، كما تتكون البنية الأساسية التي تم استخدامها في الماضي لتقليل استهلاك الطاقة للشبكة من المرحلات كعامل أساسي؛ لتقليل فقد المسار وبالتالي تحسين كفاءتها في استخدام الطاقة.

 

بدأ التركيز على دراسة الاتصالات الموفرة للطاقة منذ حوالي عقد من الزمان، حيث في الوقت الحاضر أدت الزيادة السريعة في تكنولوجيا الاتصالات إلى الطلب على تطبيقات ذات معدل بيانات مرتفع، ممّا يجعل كفاءة الطاقة أكثر أهمية، كما تم إطلاق العديد من المشاريع البحثية مثل (EARTH) و(eWIN) و(OPERA-Net) و(Green Radio) في العقد الماضي بهدف جعل شبكات الاتصالات اللاسلكية موفرة للطاقة.

 

أثبت مشروع (EARTH) نجاحه وقد التزمت بتطوير جيل جديد من المعدات الموفرة للطاقة واستراتيجيات النشر وحلول إدارة الشبكة، بحيث تم استخدام تقنيات وصول لاسلكية متعددة للتغلب على تباين الحمل واقترحت (OPERA-Net) توفير الطاقة عن طريق تقليل حجم الخلية وتنفيذ أوضاع السكون، ومن وقت لآخر ساعد وقت النوم للمحطة الأساسية وحجم الخلية وخوارزميات تغيير الحمل التكيفي، والتتابع والتواصل التعاوني وتقنيات تخصيص الموارد وتقنيات الوصول إلى الراديو المختلفة في جعل الاتصال اللاسلكي فعالاً في استخدام الطاقة.

 

تطور تحسين الطاقة للجيل القادم من اتصالات الشبكة اللاسلكية

 

يتم اعتماد إستراتيجية لإيقاف تشغيل الخلايا غير النشطة في بيئة حركة المرور المنخفضة باستخدام نموذج تحليلي، بحيث يتم التحول في الاتجاه لمتابعة الاتصالات الخضراء في الجيل التالي من الشبكات اللاسلكية، وفي العقد الماضي اكتسبت استراتيجيات نشر الشبكة الكثير من الاهتمام بما في ذلك التركيز على حجم الخلية الأمثل لتحسين كفاءة الطاقة.

 

يؤدي استخدام الخلايا البيكوسية وخلايا الفيمتوسيل إلى تقليل فقدان المسار وتحسين كفاءة الطاقة في الشبكة، حيث يتم اعتماد بنية خلوية جديدة (Green Cellular) لتقليل الإشعاع الصادر من أطراف المستخدم، واكتسبت المرحلات والاتصالات التعاونية أيضاً اهتماماً كبيراً في العقد الماضي لتقليل استهلاك الطاقة، كما يتم تصميم خوارزميات التوجيه للاستفادة المثلى من الطاقة المتاحة في بيئة غير متجانسة.

 

استقطب توفير الطاقة (BS) الكثير من الاهتمام في الماضي القريب، حيث يتم إهدار الكثير من الطاقة بسبب الاختلاف في أحمال المرور في المحطات الأساسية، وللتغلب على هذا تم توفير طريقة توفير ديناميكياً الطاقة لتقليل استهلاك الطاقة بنسبة (27%)، وتعتمد الإدارة الواعية للطاقة لشبكة نفاذ (UMTS) على أساس كثافة الحركة اللحظية، وإستراتيجية تبديل (BS) قابلة للتوسع جنباً إلى جنب مع استخدام الاتصالات التعاونية والتحكم في الطاقة لتوسيع تغطية الشبكة إلى مناطق الخدمة للمحطات القاعدية المغلقة.

 

كما يتم استخدام تبديل أسلوب (MIMO) التكيفي القائم على مسافة الإرسال والمعدل وبالإضافة إلى معلومات حالة القناة لتحسين كفاءة الطاقة، حيث يُعد التحسين عبر الطبقات أسلوباً بارزاً آخر لتقليل استهلاك الطاقة، كما كان تخصيص الموارد بكفاءة في استخدام الطاقة في نظام (OFDMA) مع المرحلات موضوع بحث وفي العقد الماضي حظي تخصيص الموارد ونشر الشبكة غير المتجانسة وتحسين مخطط النقل وتطوير خوارزميات موفرة للطاقة باهتمام كبير.

 

  • “UMTS” هي اختصار لـ “Universal Mobile Telecommunications System”.

 

  • “BS” هي اختصار لـ “Base station”.

 

  • “OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiple access”.