بهینه‌سازی مصرف انرژی در نسل جدید شبکه‌های مخابراتی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما،  طاهره رحمتی در قالب رساله دکتری و با راهنمایی بهروز شاهقلی قهفرخی در دانشگاه اصفهان، پژوهشی را با عنوان «مدیریت انرژی-کارای تداخل در شبکه‌های سلولی ناهمگن و فوق متراکم با ارتباطات دوطرفه» به انجام رسانده است.

به گفته رحمتی ، توسعه چشمگیر تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه‌های سیار و ظهور سرویس‌های متعدد همراه با تقاضای کاربران برای کیفیت بیشتر از یک‌سو و رشد نمایی بار ترافیک از سوی دیگر، شبکه‌های ارتباطی سلولی را با چالش مواجه کرده است.

در پاسخ‌گویی به این نیازمندی‌ها، شبکه نسل پنجم با هدف رشد بسیار زیاد در میزان ترافیک (حدود ۱۰۰۰ برابر)، افزایش قابل‌توجه تعداد دستگاه‌های مرتبط، ارتقای نرخ داده کاربران، کاهش تأخیر، افزایش قابلیت اطمینان و در نهایت کاهش مصرف انرژی تعریف شده است.

وی افزود: برای دستیابی به این شاخص‌های کلیدی عملکرد، فناوری‌های متعددی در حال توسعه هستند که از جمله آنها می‌توان به ارتباطات دستگاه به دستگاه، سیستم‌های چندآنتنی انبوه، ارتباطات میلی‌متری، شبکه دسترسی مبتنی بر ابر، مجازی‌سازی منابع بی‌سیم و شبکه‌های ناهمگن اشاره کرد. در این میان، شبکه‌های فوق متراکم، ارتباطات میلی‌متری و سیستم‌های چندآنتنی انبوه به‌عنوان سه تکنولوژی پیشران در شبکه ۵G مورد توجه قرار گرفته‌اند.

این پژوهشگر ادامه داد: شبکه‌های فوق متراکم با ارتباطات دوطرفه گزینه‌ای نویدبخش در تحقق تأمین ظرفیت بالا و سرویس‌دهی انبوه، در شبکه‌های سلولی است. در این شبکه‌ها، علاوه‌بر دکل‌های بزرگ مخابراتی معمول (ایستگاه‌های پایه ماکرو)، تعداد بسیار زیادی ایستگاه پایه کوچک در فضای شهر و داخل ساختمان‌ها نصب می‌شوند.

 این تراکم بالا، باعث می‌شود فاصله کاربر تا آنتن کمتر شده و سرعت و پوشش شبکه به‌طور چشمگیری افزایش یابد. در حالت عادی، تجهیزات کاربران مانند گوشی‌های همراه برای ارسال و دریافت داده از دو کانال فرکانسی جداگانه استفاده می‌کند.

 فناوری ارتباطات دوطرفه این امکان را فراهم می‌آورد که ارسال و دریافت داده به‌طور همزمان و روی یک فرکانس واحد انجام شود. این کار در حالت ایدئال می‌تواند ظرفیت شبکه را تا دوبرابر افزایش دهد. بااین‌حال، این شبکه‌ها با محدودیت‌های مصرف انرژی و تداخل بالا مواجه هستند که عدم مدیریت صحیح آن می‌تواند بر کارایی کلی شبکه تاثیر منفی بگذارد.

رحمتی درباره اهداف این رساله توضیح داد: هدف این طرح، ارائه راهکاری برای مدیریت همزمانِ منابع شبکه (مانند فرکانس و توان ارسال) و مصرف انرژی است. ایده اصلی این است که به‌جای فعال نگه داشتن تمام ایستگاه‌های پایه کوچک، به‌صورت هوشمند و پویا برخی از آنها را در زمان‌هایی که ترافیک کم است، در حالت خواب یا غیر فعال قرار دهیم و کاربران آن منطقه را به ایستگاه‌های مجاور فعال منتقل کنیم. هم‌زمان، توان ارسال ایستگاه‌های فعال و کانال‌های رادیویی آنها نیز باید به بهترین شکل بین کاربران توزیع شود تا هم تداخل کاهش یابد، هم کیفیت سرویس مورد نیاز کاربران تأمین شود و در کل بهره‌وری انرژی شبکه حداکثر شود.

وی خاطرنشان کرد: برای حل این مسئله پیچیده، دو رهیافت در این رساله دنبال شده است که رهیافت نخست، راهکاری متمرکز است که در آن مرکز کنترل (مانند ایستگاه پایه ماکرو) با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی ریاضی، تصمیم می‌گیرد که کدام ایستگاه‌های کوچک خاموش شوند و منابع چگونه تخصیص یابند.

سپس، با توجه به پویایی بالا و تغییرات سریع در شبکه‌های موبایل، در رهیافت دوم استفاده از الگوریتم‌های یادگیری تقویتی مورد بررسی قرار گرفت. در این رهیافت، دو راهکار ارائه گردید: راهکار نخست از مدیریت متمرکز خاموشی ایستگاه‌های پایه و تخصیص توزیع شده منابع بهره می‌برد و راهکار دوم از رویکردی کاملا توزیع شده در مدیریت خاموشی ایستگاه‌های پایه و تخصیص منابع استفاده می‌کند. نتایج شبیه‌سازی‌ها، کارایی الگوریتم‌های پیشنهادی را در بهبود بهره‌وری انرژی با غیر فعال کردن سلول‌های کوچک بیشتر، به‌ویژه در شبکه‌هایی با بار زیاد، نشان می‌دهد.