Вежі 5G збільшать час роботи мобільних телефонів без підзарядки

Чим більше веж 5G буде побудовано на одиницю площі, тим більше скоротиться загальне енергоспоживання мереж базових станцій і збільшиться час автономної роботи телефонів. Такого висновку дійшли дослідники зі США. За допомогою моделювання вчені розрахували, наскільки ці вежі будуть енергоефективними і яку користь можуть принести власникам смартфонів.

Один із найголовніших компонентів будь-якого мобільного зв’язку — базова станція, тобто комплекс антен, які приймають та передають радіосигнали від телефону до телефону. Такі антени встановлюють на спеціальні вежі заввишки від 70 до 100 метрів (втім, на практиці вежі бувають і нижче за 70 метрів). На одній вежі може стояти кілька базових станцій, що працюють в одному з кількох стандартів зв’язку — 2G, 3G, 4G або 5G. 

Коли телефон абонента надходить дзвінок чи він набирає номер, апарат відшукує найближчу до нього базову станцію і посилає її у сигнал «ідентифікації». Станція приймає цей сигнал, обробляє, а потім перенаправляє до центру комунікації для визначення оператора мобільної мережі та перемикає розмову на найближчу до абонента базову станцію з найсильнішим сигналом оператора.

Системи, які забезпечують бездротовий зв’язок зі смартфонами, споживають багато енергії. Останні дослідження показали, що це споживання особливо збільшується на «останній милі» — ділянці мережі, де дані надходять від провайдера кінцевого користувача. 

Вежі випромінюють радіохвилі в усіх напрямках, вони сягають всіх телефонів в окрузі. Але відгукується на сигнал лише телефон користувача, який упізнав у цьому сигналі код, який смартфон передав на базову станцію. Інакше кажучи, на «останньої милі» більшість енергії витрачається «марно»: поширюючись у просторі, сигнал стикається з різними перешкодами, у результаті він поглинається, відбивається і розсіюється, тобто відбувається втрата значної частини даних. 

Оскільки базова станція та смартфони обмінюються даними бездротовою мережею, пошук телефоном одного конкретного сигналу швидше розряджає його акумулятор, крім того, зростає споживання енергії «від мережі» і самої базової станції (вона працює довше).

Щоб забезпечити більш економічне використання енергії базовими станціями та збільшити час роботи смартфонів від одного заряду батареї, необхідно звести до мінімуму втрату бездротового сигналу. Досягти цього можна, якщо скоротити відстань передачі даних по бездротовому середовищі. У такому випадку стільникові вежі можна буде зменшити в розмірі, через що вони споживатимуть набагато менше енергії. Про це у статті, опублікованій на сайті електронного архіву препринтів arXiv, розповіли дослідники з Каліфорнійського університету (США).

Вчені використовували програмне забезпечення з відкритим кодом Sionna для моделювання передачі даних від базових станцій на мобільні телефони і протестували різні конфігурації мереж на 3D-моделях реальних міст з OpenStreetMap (некомерційний веб-картографічний проект). Метою фахівців було зрозуміти, як покриття різних стандартів мобільного зв’язку скоротить споживання енергії.

«Вирішити проблему „енергоефективності мобільного зв’язку“ можна за допомогою щільнішого покриття. В епоху стандарту 4G багато фахівців пропонували збільшити кількість стільникових веж, проте при такому розкладі ця технологія не дозволить телефону досить швидко перемикатися з однієї вежі на іншу, що необхідно у разі подібного ущільнення. Проблему можна вирішити за допомогою 5G, яка дає можливість швидко збільшити кількість базових станцій та підвищити енергоефективність», – пояснив Агрім Гупта (Agrim Gupta), один з авторів дослідження. 

Під час моделювання американські вчені з’ясували, що найкраще ефект втрати енергії на «останній милі» знижують щільні покриття 5G, які забезпечуються за рахунок заміни однієї більшої базової станції дещо меншими. Експеримент показав, що завдяки такому покриттю можна буде зменшити потрібну висоту розміщення базових станцій до 15 метрів. Це дозволить встановлювати комплекс невеликих антен на деревах або вуличних ліхтарних стовпах, тобто для цих систем більше не потрібні спеціальні вежі.

Крім того, вчені дізналися, що таке «ущільнення» призводить приблизно до триразової економії електроенергії в мережах, що використовуються базовими станціями, а також збільшення часу автономної роботи телефону на 50 відсотків. Якщо заряд акумулятора смартфона «тримається» 12 годин, то завдяки такій мережі час його роботи збільшиться до 18 годин. 

За словами авторів дослідження, ці показники забезпечуються за рахунок різкого зниження потужності передачі даних смартфонами на 10-15 децибел, оскільки невеликі базові станції розташовуватимуться в середньому вп’ятеро ближче до мобільних телефонів, ніж зараз знаходяться вежі.  Сьогодні кількість підключень до мереж 5G зростає у всьому світі. Найбільше цих мереж діє у містах Західної Європи, США, Індії, Китаю.