مع استمرار شبكات الجيل الخامس في توسعها العالمي، يلوح في الأفق تحدٍ كبير: تزايد استهلاك الطاقة مما يؤدي إلى توليد نفقات تشغيلية باهظة إلى جانب إنتاج الكربون المرتبط بها. وبالنظر إلى التوقعات المختلفة، فمن المحتمل أنه بحلول عام 2030، من المحتمل أن تنتهي شبكات الهاتف المحمول إلى استهلاك 5% من إجمالي استخدام الكهرباء في العالم إذا استمرت الاتجاهات الحالية، حيث تكون المحطات الأساسية مسؤولة عن حوالي 80% من هذا الاستهلاك. ويؤكد هذا الرقم المذهل الحاجة الملحة إلى حلول مبتكرة في البنية التحتية اللاسلكية من الجيل التالي.
بفضل التمويل المقدم من إدارة الاتصالات والمعلومات الوطنية الأمريكية (NTIA) من خلال صندوق الابتكار لسلسلة التوريد اللاسلكية العامة، يقوم الباحثون في مؤسسة Open Networking Foundation/Aether Project وجامعة روتجرز WINLAB، بالتعاون مع Keysight Technologies، بدور رائد في مجال كفاءة استخدام الطاقة O-RAN (شبكة الوصول الراديوي المفتوحة). وتركز أبحاثهم الأخيرة على أحد أهم مكونات الشبكة من منظور الطاقة: وحدة الراديو O-RAN (O-RU). وتتمتع هذه الوحدات بأهمية خاصة بسبب أعدادها الهائلة في الشبكات المنتشرة ومساهمتها الكبيرة في إجمالي استهلاك طاقة الشبكة.
منصة POET: تغيير قواعد اللعبة في مجال اختبار الطاقة
في قلب هذا البحث يوجد POET (منصة اختبار كفاءة الطاقة لـ O-RAN). يمثل هذا الاختبار المتطور تقدمًا كبيرًا في كيفية قياس وفهم استهلاك الطاقة في الشبكات اللاسلكية المفصلة (راجع مقالة RCR السابقة للحصول على تفاصيل حول POET). يمكّن هذا الإعداد الشامل الباحثين من إجراء قياسات دقيقة وقابلة للتكرار عبر مجموعة واسعة من الظروف التشغيلية، وهو أمر كان يفتقده الأدبيات المفتوحة بشدة.
فتح آفاق جديدة من خلال اختبار البائعين المتعددين
أحد أهم مساهمات هذا البحث هو نهجه متعدد البائعين. قام الفريق بتقييم أربع وحدات O-RU تجارية تمثل سيناريوهات نشر مختلفة مثل الوحدات منخفضة الطاقة (24 ديسيبل ميلي واط) المناسبة لنشر الخلايا الصغيرة، ووحدات الطاقة المتوسطة (37 ديسيبل ميلي واط) للسيناريوهات الحضرية النموذجية، والوحدات عالية الطاقة (47 ديسيبل ميلي واط) لتطبيقات الخلايا الكلية. وتضمنت الوحدات التي تم اختبارها تكوينات TDD وFDD، مع إعدادات MIMO ذات 4 هوائيات و8 هوائيات، مما يوفر رؤية شاملة للنظام البيئي O-RAN.
النتائج الرئيسية: أين تذهب القوة حقًا
وقد أسفر البحث عن العديد من الأفكار الهامة التي يمكن أن تشكل استراتيجيات توفير الطاقة في المستقبل كما هو موضح أدناه:
مشكلة الطاقة العاطلة: ولعل النتيجة الأكثر إثارة للدهشة هي هيمنة استهلاك الطاقة الخامل، وخاصة في سيناريوهات الطاقة المنخفضة. على سبيل المثال، استهلكت وحدة O-RU متوسطة الطاقة حوالي 59 وات في حالة الخمول النشط مع استخدام 0%. حتى عند توليد 1 واط فقط من خرج التردد اللاسلكي، فإن الطاقة الخاملة تشكل حوالي 91% من إجمالي استهلاك الطاقة. وهذا يعني أن الأساليب التقليدية لتوفير الطاقة، مثل تقليل طاقة النقل خلال فترات انخفاض حركة المرور، قد يكون لها تأثير محدود وتكشف عن فرصة هائلة لتوفير الطاقة من خلال استراتيجيات وضع السكون الذكي.
مشكلة مضخم الطاقة: مكبرات الصوت هي المسؤولة عن تعزيز الإشارات للإرسال. عند مستويات طاقة التردد اللاسلكي العالية، تهيمن مضخمات الطاقة على الاستهلاك الإجمالي للطاقة، مما يجعل كفاءتها معلمة حرجة تتطلب اختبارًا وتوصيفًا شاملين لتقييم فرص توفير الطاقة المحتملة. تستخدم وحدات RU عالية الطاقة مضخمات الطاقة، وقد لوحظ أن استهلاكها للطاقة يختلف بشكل غير خطي فيما يتعلق بقدرة التردد اللاسلكي. لكن الملاحظة الأكثر بروزًا هي أن مضخمات الطاقة تظهر كفاءة منخفضة عند مستويات الطاقة المنخفضة (غالبًا أقل من 15%) وكفاءة محسنة بشكل كبير عند مستويات الطاقة الأعلى (تصل إلى 28% للوحدات عالية الطاقة) وأظهرت اختلافات كبيرة في الكفاءة بين تصميمات الأجهزة المختلفة. يفسر هذا السلوك غير الخطي سبب استهلاك وحدات O-RU بقدرة كبيرة حتى عند الإرسال القليل جدًا حيث تعمل مكبرات الصوت بأقل كفاءة عند الأحمال المنخفضة. يعد فهم هذه الأنواع من سلوكيات استخدام الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لتحسين عمليات الشبكة.
تختلف كفاءة الطاقة بشكل كبير بين RUs: الحد الأقصى لكفاءة الطاقة، والذي تم تعريفه على أنه نسبة إجمالي طاقة التردد اللاسلكي المرسلة إلى الطاقة المستهلكة، يتباين بشكل كبير عبر فئات O-RU، حيث يتراوح من 1% فقط للوحدات منخفضة الطاقة إلى ما يقرب من 20% للوحدات عالية الطاقة. يسلط هذا التفاوت الضوء على أهمية اختيار المعدات المناسبة واستراتيجيات النشر.
تؤثر استراتيجية إدارة المرور على استهلاك الطاقة: وكشف البحث أيضًا أن إدارة حمل حركة المرور (والتي تختلف بين تصميمات RU) تحدث فرقًا كبيرًا في استهلاك الطاقة. بالنسبة لـ RU معين، لاحظنا ما يلي:
- تحميل مجال التردد (زيادة/تقليل PRBs النشطة): موازين الطاقة بشكل متناسب مع الحمل
- تحميل المجال الزمني (زيادة/تقليل الفترات الزمنية للإرسال النشط): يظل استهلاك الطاقة مرتفعًا بغض النظر عن مستوى التحميل
ولهذه النتيجة آثار عميقة على مشغلي الشبكات الذين يحاولون تنفيذ استراتيجيات توفير الطاقة.
لا داعي للقلق كثيرًا بشأن MIMO: النتيجة الأكثر أهمية فيما يتعلق بتأثير MIMO هي أن إجمالي خرج طاقة التردد اللاسلكي هو العامل المهيمن الذي يدفع استهلاك طاقة O-RU، بدلاً من عدد سلاسل الهوائي نفسها. هذا يعنى:
- يستهلك O-RU ذو 4 هوائيات (4 × 4 MIMO) الذي يرسل إجمالي طاقة RF 40 واط تقريبًا نفس الطاقة التي يستهلكها هوائي واحد (1 × 1) O-RU يرسل 40 واط
- تكون منحنيات استهلاك الطاقة للتكوينات 1×1 و2×2 و4×4 متقاربة بشكل ملحوظ عند رسمها مقابل إجمالي طاقة التردد اللاسلكي
- على الرغم من وجود تكلفة طاقة إضافية قابلة للقياس ولكنها صغيرة نسبيًا لكل سلسلة هوائي إضافية، فإن الأمر الأكثر أهمية هو مقدار طاقة التردد اللاسلكي الإجمالية التي ترسلها، وليس كيفية توزيعها عبر الهوائيات.
بشكل عام، يعد نظام MIMO موفرًا للطاقة. إن مكاسب السعة تفوق بكثير زيادة الطاقة، مما يجعل MIMO ذو الترتيب الأعلى جذابًا من منظور الطاقة لكل بت.
نموذج قوة معتمد للمستقبل
وبعيدًا عن القياسات، نجح فريق البحث في تحديد نموذج استهلاك الطاقة القائم على المكونات والتحقق من صحته. يقوم هذا النموذج بتقسيم طاقة O-RU إلى:
- الطاقة الأساسية الثابتة من المعالجات وإمدادات الطاقة
- طاقة سلسلة RF الخاملة للمكونات النشطة ولكن غير المرسلة
- قوة ديناميكية تتناسب مع حمل النقل وكفاءة PA
يوفر هذا النموذج لمشغلي الشبكات والباحثين أداة عملية للتنبؤ باستهلاك الطاقة في ظل سيناريوهات تشغيلية مختلفة، وهو أمر ضروري لتطوير وتقييم خوارزميات توفير الطاقة.
التطلع إلى المستقبل: النشر في العالم الحقيقي وتحسين الذكاء الاصطناعي
يخطط فريق البحث لتوسيع نطاق عمله ليشمل مختبر ORCID للاختبار والتقييم الممول من NTIA، حيث سيقومون بإجراء قياسات باستخدام وحدات O-DU التجارية التي تدعم العديد من وحدات O-RU متعددة النطاقات في سيناريوهات تكرر أنظمة التشغيل المنشورة ميدانيًا. بالإضافة إلى ذلك، سوف يستكشف العمل المستقبلي أساليب التعلم الآلي لتحسين استهلاك الطاقة في الوقت الفعلي.
لماذا هذا مهم
إن الطبيعة المفتوحة والمصنفة لشبكات الوصول الراديوي تخلق فرصًا وتحديات لإدارة الطاقة. أدى عدم وجود مقاييس موحدة لكفاءة الطاقة عبر وحدات O-RU غير المتجانسة إلى تعقيد جهود إدارة الطاقة. يسد هذا البحث فجوة حرجة من خلال توفير:
- البيانات التجريبية التفصيلية وهو ما غاب عن الأدب المفتوح
- إطار النمذجة التحقق من صحتها للتنبؤ باستهلاك الطاقة
- رؤى عملية لتطوير خوارزميات توفير الطاقة
- منهجية التي يمكن للباحثين والمشغلين الآخرين البناء عليها
يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو شبكات 5G وNextG المستدامة، مما يوضح كيف يمكن للأبحاث المستقلة أن تقود الابتكار في تحديات البنية التحتية الحيوية. مع استمرار الشبكات اللاسلكية في التطور والتوسع، فإن مثل هذه الأبحاث، التي تجمع بين منهجية الاختبار الصارمة والتعاون بين البائعين المتعددين ومبادئ العلوم المفتوحة، ستكون ضرورية لضمان أن يكون مستقبلنا المتصل مستدامًا أيضًا.
الطريق إلى الأمام: الآثار المترتبة على الصناعة
تشير نتائج الأبحاث هذه إلى عدة مجالات مهمة لتطوير راديو شبكة الهاتف المحمول في المستقبل:
1. تطور تصميم الأجهزة
يحتاج المصنعون إلى التركيز على تحسين كفاءة مضخم الطاقة عبر نطاق التشغيل بأكمله، وليس فقط عند مستويات الطاقة القصوى.
2. إدارة الطاقة الذكية
أصبحت تقنيات وضع السكون المتقدم (ASM) التي يمكنها إيقاف تشغيل المكونات المختلفة تدريجيًا أكثر أهمية نظرًا لهيمنة استهلاك الطاقة الخامل.
3. استراتيجيات موازنة التحميل
يحتاج مشغلو الشبكات إلى خوارزميات متطورة تأخذ في الاعتبار أنماط حركة المرور وخصائص استهلاك الطاقة عند توزيع الحمل عبر وحدات O-RU.
4. تطوير المعايير
تحتاج الصناعة إلى مقاييس موحدة لكفاءة الطاقة ومنهجيات اختبار لتمكين إجراء مقارنات ذات معنى بين البائعين والتقنيات.
ما وراء المختبر: الآثار المترتبة على العالم الحقيقي
في حين أن هذه النتائج تأتي من الاختبارات المعملية، فإن آثارها تمتد إلى ما هو أبعد من بيئة البحث:
- الأثر الاقتصادي: تمثل تكاليف الطاقة جزءًا كبيرًا من نفقات تشغيل الشبكة. يتيح فهم أنماط استهلاك الطاقة الحقيقية إمكانية وضع نماذج أفضل للتكلفة وتحسينها.
- المسؤولية البيئية: في الوقت الذي تواجه فيه صناعة الاتصالات ضغوطًا متزايدة لتقليل بصمتها الكربونية، تصبح نماذج الطاقة الدقيقة ضرورية لمبادرات الاستدامة الهادفة.
- تخطيط الشبكة: تستفيد استراتيجيات النشر واختيار الموقع وتخطيط البنية التحتية من الفهم الدقيق لمتطلبات طاقة O-RU.
- محفز الابتكار: تتيح البيانات التفصيلية لاستهلاك الطاقة تطوير خوارزميات أكثر تطوراً لإدارة الطاقة وأنظمة تحسين تعتمد على الذكاء الاصطناعي.
التطلع إلى المستقبل: مستقبل الشبكات الموفرة للطاقة
تقف صناعة الاتصالات على مفترق طرق. لا يُظهر النمو الهائل في الطلب على البيانات أي علامات على التباطؤ، لكن التكاليف البيئية والاقتصادية للأساليب التقليدية لتوسيع نطاق الشبكات أصبحت غير مستدامة.
يمثل هذا البحث خطوة أولى حاسمة نحو تحسين الطاقة المستندة إلى البيانات في شبكات O-RAN. من خلال الفهم الدقيق لكيفية استهلاك وحدات O-RU للطاقة، يمكن للمهندسين والباحثين تطوير حلول مستهدفة تحافظ على جودة الخدمة مع تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.
المستقبل يحمل على الأرجح:
- خوارزميات التعلم الآلي التي تعمل على تحسين استهلاك الطاقة ديناميكيًا استنادًا إلى أنماط حركة المرور في الوقت الفعلي
- تصميمات الأجهزة المتقدمة مع تحسين كفاءة مكبر الصوت بشكل كبير
- تطبيقات وضع السكون المتطورة التي تقلل من استهلاك الطاقة في وضع الخمول
- تم تصميم معماريات الشبكات من الألف إلى الياء مع مراعاة كفاءة استخدام الطاقة كاعتبار أساسي
خلاصة القول
يمثل الانتقال إلى 5G/NextG أكثر من مجرد ترقية تكنولوجية. إنها إعادة تصور أساسية لبنية الشبكة. وكما يوضح هذا البحث، فإن فهم استهلاك الطاقة وتحسينه يعد أمرًا ضروريًا للأعمال والذي سيحدد مدى صلاحية شبكات الجيل التالي على المدى الطويل.
توفر البيانات والنماذج التفصيلية لاستهلاك الطاقة المقدمة في هذا البحث لصناعة الاتصالات الأدوات اللازمة لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن كفاءة استخدام الطاقة. بينما نواصل دفع حدود ما هو ممكن مع الاتصالات اللاسلكية، فإن مثل هذه الدراسات تضمن أننا نفعل ذلك بطريقة مجدية اقتصاديًا ومسؤولة بيئيًا.
