По мере увеличения количества вышек 5G на квадратный километр, общее энергопотребление базовых станций снижается, а время автономной работы мобильных телефонов увеличивается. К такому заключению пришли американские исследователи. С помощью моделирования ученые определили, насколько энергоэффективными окажутся эти вышки и какую выгоду получат пользователи смартфонов.
Базовая станция – ключевой элемент мобильной связи, представляющий собой совокупность антенн, осуществляющих прием и передачу радиосигналов между мобильными устройствами. Эти антенны обычно размещаются на вышках, высота которых варьируется от 70 до 100 метров, хотя встречаются и более низкие конструкции. На одной вышке может быть установлено несколько базовых станций, поддерживающих различные стандарты связи, такие как 2G, 3G, 4G или 5G.
При поступлении вызова или наборе номера мобильный телефон определяет находящуюся поблизости базовую станцию и отправляет на нее сигнал идентификации. Полученная станция принимает этот сигнал, обрабатывает его и передает в центр коммуникации для определения оператора сети. Затем разговор перенаправляется на ближайшую базовую станцию, обеспечивающую наиболее устойчивый сигнал оператора.
Беспроводные технологии, используемые для подключения смартфонов, характеризуются высоким энергопотреблением. Недавние исследования выявили, что это потребление энергии особенно возрастает на заключительном этапе передачи данных – на участке сети, соединяющем провайдера и конечного пользователя.
Радиоволны, генерируемые вышками, распространяются во всех направлениях, достигая всех находящихся поблизости телефонов. Однако, реагирует только устройство пользователя, которое распознает в этом сигнале код, ранее переданный смартфоном на базовую станцию. Таким образом, на заключительном этапе передачи большая часть энергии расходуется без необходимости: распространяясь, сигнал встречает различные преграды, что приводит к его поглощению, отражению и рассеянию, и, как следствие, к потере существенной части информации.
При беспроводной передаче данных между базовой станцией и смартфоном, поиск устройством конкретного сигнала приводит к более быстрой разрядке аккумулятора. Также увеличивается потребление электроэнергии как самим смартфоном, так и базовой станцией, что приводит к увеличению времени её работы).
Для оптимизации энергопотребления базовых станций и продления времени автономной работы мобильных устройств важно минимизировать потери беспроводного сигнала. Этого можно достичь, сократив дальность передачи данных по беспроводной среде. В результате сотовые вышки смогут быть уменьшены в габаритах, что приведет к значительному снижению их энергопотребления. Об этом в своей статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv, рассказали исследователи из Калифорнийского университета (США).
Для моделирования передачи данных от базовых станций к мобильным телефонам исследователи применили программное обеспечение Sionna с открытым исходным кодом. Они также проверили различные сетевые настройки, используя трехмерные модели реальных городов, взятые из OpenStreetMap – некоммерческого веб-картографического проекта. Задача специалистов заключалась в оценке влияния различных стандартов мобильной связи на снижение энергопотребления.
«Вопрос повышения энергоэффективности мобильной связи можно разрешить за счет более плотного покрытия сети. В период развития стандарта 4G многие эксперты предлагали увеличить число сотовых вышек, однако это не позволит телефону оперативно переключаться между вышками при такой высокой концентрации. Решение этой проблемы кроется в технологии 5G, которая позволяет значительно расширить количество базовых станций и повысить энергоэффективность», — пояснил В качестве одного из авторов исследования выступил Агрим Гупта (Agrim Gupta.
В ходе моделирования американские исследователи установили, что наиболее эффективно рассеивание энергии на заключительном этапе передачи обеспечивают плотные сети 5G, формируемые путем замены одной крупной базовой станции на несколько более компактных. Результаты эксперимента продемонстрировали, что использование такого покрытия позволит сократить высоту установки базовых станций до 15 метров. Это даст возможность размещать небольшие антенные комплексы на деревьях или уличных фонарях, что исключит необходимость в специализированных вышках.
В ходе исследований было установлено, что «уплотнение» позволяет приблизительно в три раза снизить потребление электроэнергии в сетях, применяемых на базовых станциях, и на 50 процентов увеличить время автономной работы телефона. Если батарея смартфона способна поддерживать заряд в течение 12 часов, то с использованием подобной сети время ее работы возрастет до 18 часов.
Авторы исследования утверждают, что такое улучшение характеристик достигается благодаря значительному уменьшению мощности передачи данных смартфонами – на 10-15 децибел. Это связано с тем, что новые базовые станции планируется размещать в среднем в пять раз ближе к мобильным телефонам, чем существующие вышки.
В настоящее время наблюдается рост числа подключений к сетям 5G по всему миру. Наибольшее количество сетей такого типа функционирует в городах Западной Европы, США, Индии и Китае. В России развертывание сетей пятого поколения происходит в относительном порядке намечено на 2024 год. Пока что эта технология доступна только в нескольких крупных городах страны, среди них Москва и Санкт-Петербург.